CN112546606B - 一种轮滑鞋 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轮滑鞋，属轮滑鞋与新能源技术领域。主要包括鞋体、轮架、转轮和轮轴，转轮内嵌有动电极，轮轴由阶梯轴、轮盘和定电极构成，定电极由两个极环及一组极梁构成；定电极嵌在轮盘上，轮体套在轮盘上，两个挡板装在阶梯轴上并分别顶靠在轮盘两侧，转轮位于两挡板之间；阶梯轴装在轮架立壁上，挡板上设有电极环和辅助电极，电极环压接在极环上，电极环和辅助电极经导线与电路板上的电控单元相连并构成回路；轮轴和转轮相对转动过程中定电极和轮盘与轮体的接触面间产生异种摩擦电荷，动电极上产生感应电荷，轮轴和转轮相对转动使动电极和定电极间的电势差交替地增加和减小，定电极与辅助电极间产生电子交换，将机械能转换成电能。

Description

一种轮滑鞋
技术领域
本发明属于轮滑鞋与新能源技术领域，具体涉及一种轮滑鞋。
背景技术
轮滑鞋已经逐渐成为人们休闲娱乐和健身的运动设施。为了提高轮滑鞋的智能性和操控性，人们越来越青睐于具有定位跟踪、速度监测、灯光或声音警示等功能的智能型轮滑鞋，而目前这类电控轮滑鞋的电能只能采用电池供应，无端地增加了鞋的体积和重量；最关键的是，在野外或长距离滑行时易因电池电量耗尽而丧失某些功能。因此，急需开发一种具有自行发电供电的轮滑鞋，不仅可以解决其自身智能系统的供电问题，还可为手机等便携式电子设备充电。
发明内容
本发明提出一种轮滑鞋，本发明采用的实施方案是：所提出的一种轮滑鞋主要包括鞋体、轮架、转轮和轮轴，鞋体安装在轮架横板上，转轮套在轮轴上，轮轴安装在轮架立壁上，轮架立壁上安装有电路板。
转轮的轮体内镶嵌有动电极，动电极与轮体的轴线平行且沿轮体的圆周方向均布，动电极靠近轮孔一侧。
轮轴由阶梯轴、轮盘和定电极构成，阶梯轴的材料为金属、轮盘的材料为非金属材料，具体为高分子塑料；轮盘通过注塑的方法安装在阶梯轴上，阶梯轴上与轮盘相接触部分的圆柱表面上设有凹槽；定电极由两个极环及其所连接的一组极梁构成，极梁沿极环的圆周方向均布且与极环的轴线平行；定电极镶嵌在轮盘上，定电极与轮盘通过注塑的方法合成一体，极环与极梁的外缘与轮盘的外缘位于同一圆柱面上，两个极环上远离极梁的侧面与轮盘的端面平齐。
轮体经轮孔套在轮盘上且可绕轮盘转动，两个挡板经内螺母安装在阶梯轴上并分别顶靠在轮盘的两侧，转轮位于两个挡板之间且可与挡板相对转动；阶梯轴经外螺母安装在轮架立壁上，轮架立壁位于内螺母和外螺母之间；至少一个挡板上设有电极环和辅助电极，辅助电极为环形结构，电极环和辅助电极位于同一挡板的两侧且互不接触；电极环压接在定电极的极环上，电极环和辅助电极经导线与电路板上的电控单元相连，电极环和辅助电极经导线与电路板上的负载构成回路，所述负载即为控制单元。
轮盘和轮体的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，例如：轮盘的材料为聚酰胺，轮体的材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚四氟乙烯等；转轮和轮轴为一体结构，所谓一体结构是指转轮和轮轴都是通过注塑方法加工的一体结构；定电极、动电极、电极环和辅助电极的材料均为铜。
轮滑鞋组装后，动电极和定电极的极梁为同心圆弧，动电极和极梁的数量、圆心角及极间角分别相等，各电极的圆心角不大于其极间角；动电极的圆心角是指动电极的两个圆周方向的侧边与转轮的圆心连线间的夹角，动电极的极间角是指圆周上相邻的两个动电极的圆周方向上相邻侧边与转轮的圆心连线间的夹角；定电极的圆心角是指同一个极梁的两个圆周方向上的侧边与轮轴的圆心连线间的夹角，定电极的极间角是指圆周上两相邻极梁的圆周方向上的相邻侧边与轮轴的圆心连线间的夹角；定电极的极梁比动电极的长度短且动电极与定电极的两个极环均不重叠，即动电极在轴向上位于定电极的两个极环之间、动电极与任意一个极环都不同时处于同一轴截面上。
工作中，轮轴和转轮相对转动过程中定电极和轮盘与轮体的接触面之间产生异种摩擦电荷，动电极上产生感应电荷；例如，定电极的材料为铜、轮盘的材料为聚酰胺，轮体的材料为聚四氟乙烯时，定电极和轮盘的表面产生正电荷、轮体的表面产生负电荷；在定电极和轮盘与轮体的接触表面存在异种电荷的情况下，轮轴和转轮的相对转动、即动电极和极梁在圆周方向上交替地重叠与分离会使动电极和定电极间的电势差交替地增加和减小；因定电极经电极环、导线及负载与辅助电极构成的回路，故动电极和定电极间的电势差交替地增加和减小时定电极与辅助电极之间产生电子交换，将机械能转换成电能，即有电流流过和功率输出，此乃本发明轮滑鞋的发电过程。
上述工作中，动电极和极梁的重叠是两个相邻的动电极和极梁的圆心角有重叠，动电极和极梁的分离是两个相邻的动电极和极梁的圆心角无重叠。
本发明中，轮轴和转轮相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
Figure GDA0003500927360000021
其中，N为动电极的数量，n为转轮的转速，w、l分别为动电极的宽度和长度，ε0为真空介电常数，εw为转轮材料介电常数，σ为动电极与极梁重叠时其表面的电荷密度，hw为动电极到轮孔内壁间的距离，λl为与动电极与极梁圆周方向重叠度相关的系数0＜λl＜1。
优势与特色：具有自发电功能，便于实现市区滑行的灯光和声音警示、以及野外滑行运动的定位跟踪，还可作为便携产品的电源；发电单元输出电压受转速影响小或无影响、发电与供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中轮滑鞋的系统构成简图；
图2是本发明一个较佳实施例中轮架、轮轴及转轮装配后的结构简图；
图3是图2的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中转轮的结构示意图；
图5是图4的C-C剖视图；
图6是本发明一个较佳实施例中轮轴的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明一个较佳实施例中定电极的展开示意图。
具体实施方式
本发明提出一种轮滑鞋，主要包括鞋体X、轮架J、转轮A和轮轴B，鞋体X安装在轮架横板J1上，转轮A套在轮轴B上，轮轴B安装在轮架立壁J2上，轮架立壁J2上安装有电路板P。
转轮A的轮体a内镶嵌有动电极x，动电极x与轮体a的轴线平行且沿轮体a的圆周方向均布，动电极x靠近轮孔a1一侧。
轮轴B由阶梯轴b1、轮盘b2和定电极y构成，阶梯轴b1的材料为金属、轮盘b2的材料为非金属材料，具体为高分子塑料；轮盘b2通过注塑的方法安装在阶梯轴b1上，阶梯轴b1上与轮盘b2相接触部分的圆柱表面上设有凹槽；定电极y由两个极环y1及其所连接的一组极梁y2构成，极梁y2沿极环y1的圆周方向均布且与极环y1的轴线平行；定电极y镶嵌在轮盘b2上，定电极y与轮盘b2通过注塑的方法合成一体，极环y1与极梁y2的外缘与轮盘b2的外缘位于同一圆柱面上，两个极环y1上远离极梁y2的侧面与轮盘b2的端面平齐。
轮体a经轮孔a1套在轮盘b2上且可绕轮盘b2转动，两个挡板c经内螺母f安装在阶梯轴b1上并分别顶靠在轮盘b2的两侧，转轮A位于两个挡板c之间且可与挡板c相对转动；阶梯轴b1经外螺母g安装在轮架立壁J2上，轮架立壁J2位于内螺母f和外螺母g之间；至少一个挡板c上设有电极环d和辅助电极e，辅助电极e为环形结构，电极环d和辅助电极e位于同一挡板c的两侧且互不接触；电极环d压接在定电极y的极环y1上，电极环d和辅助电极e经导线与电路板P上的电控单元相连，电极环d和辅助电极e经导线与电路板P上的负载构成回路，所述负载即为控制单元。
轮盘b2和轮体a的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，例如：轮盘b2的材料为聚酰胺，轮体a的材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯及聚四氟乙烯等；转轮A和轮轴B为一体结构，所谓一体结构是指转轮A和轮轴B都是通过注塑方法加工的一体结构；定电极y、动电极x、电极环d和辅助电极e的材料均为铜。
轮滑鞋组装后，动电极x和定电极y的极梁y2为同心圆弧，动电极x和极梁y2的数量、圆心角及极间角分别相等，各电极的圆心角不大于其极间角；动电极x的圆心角Q1是指动电极x的两个圆周方向的侧边与转轮A的圆心o1连线间的夹角，动电极x的极间角Q2是指圆周上相邻的两个动电极x的圆周方向上相邻侧边与转轮A的圆心o1连线间的夹角；定电极y的圆心角Q3是指同一个极梁y2的两个圆周方向上的侧边与轮轴B的圆心o2连线间的夹角，定电极y的极间角Q4是指圆周上两相邻极梁y2的圆周方向上的相邻侧边与轮轴B的圆心o2连线间的夹角；定电极y的极梁y2比动电极x的长度短且动电极x与定电极y的两个极环y1均不重叠，即动电极x在轴向上位于定电极y的两个极环y1之间、动电极x与任意一个极环y1都不同时处于同一轴截面上。
工作中，轮轴B和转轮A相对转动过程中定电极y和轮盘b2与轮体a的接触面之间产生异种摩擦电荷，动电极x上产生感应电荷；定电极y的材料为铜、轮盘b2的材料为聚酰胺，轮体a的材料为聚四氟乙烯时，定电极y和轮盘b2的表面产生正电荷、轮体a的表面产生负电荷；在定电极y和轮盘b2与轮体a的接触表面存在异种电荷的情况下，轮轴B和转轮A的相对转动、即动电极x和极梁y2在圆周方向上交替地重叠与分离会使动电极x和定电极y间的电势差交替地增加和减小；因定电极y经电极环d、导线及负载与辅助电极e构成的回路，故动电极x和定电极y间的电势差交替地增加和减小时定电极y与辅助电极e之间产生电子交换，即有电流流过和功率输出，此乃本发明轮滑鞋的发电过程。
上述工作中，动电极x和极梁y2的重叠是两个相邻的动电极x和极梁y2的圆心角有重叠，动电极x和极梁y2的分离是两个相邻的动电极x和极梁y2的圆心角无重叠；图2所示为动电极x与极梁y2完全重叠的情况。
本发明中，轮轴B和转轮A相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
Figure GDA0003500927360000041
其中，N为动电极x的数量，n为转轮B的转速，w、l分别为动电极x的宽度和长度，ε0为真空介电常数，εw为转轮材料介电常数，σ为动电极x与极梁y2重叠时其表面的电荷密度，hw为动电极x到轮孔a1内壁间的距离，λl为与动电极x与极梁y2圆周方向重叠度相关的系数0＜λl＜1。

Claims (3)

1.一种轮滑鞋，主要包括鞋体、轮架、转轮和轮轴，其特征在于：转轮的轮体内镶嵌有动电极，轮轴由阶梯轴、轮盘和定电极构成，定电极由两个极环及其所连接的一组极梁构成；定电极镶嵌在轮盘上，定电极、轮盘及阶梯轴轮盘通过注塑的方法形成一体，极环与极梁的外缘与轮盘的外缘位于同一圆柱面上，极环的侧面与轮盘端面平齐；轮体套在轮盘上，两个挡板装在阶梯轴上并分别顶靠在轮盘两侧，转轮位于两挡板之间；阶梯轴装在轮架立壁上，至少一个挡板上设有电极环和辅助电极；电极环压接在定电极的极环上，电极环和辅助电极经导线与电路板上的电控单元相连并构成回路；轮盘和轮体的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料；轮轴和转轮相对转动过程中定电极和轮盘与轮体的接触面间产生异种摩擦电荷，定电极上产生感应电荷，轮轴和转轮相对转动使动电极和定电极间的电势差交替地增加和减小，定电极与辅助电极间产生电子交换，将机械能转换成电能。
2.根据权利要求1所述的一种轮滑鞋，其特征在于：轮滑鞋组装后，动电极和定电极的极梁为同心圆弧且均沿圆周方向均布；动电极和极梁的数量、圆心角及极间角分别相等，各电极的圆心角不大于其极间角；定电极的极梁比动电极的长度短且动电极与定电极的两个极环均不重叠。
3.根据权利要求1所述的一种轮滑鞋，其特征在于：轮盘的材料为聚酰胺，轮体的材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚四氟乙烯，阶梯轴的材料为金属，定电极、动电极、电极环和辅助电极的材料均为铜。
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