CN112803705A - 运动能量采集装置和行军背包 - Google Patents

Abstract

本申请涉及运动能量采集装置和行军背包，运动能量采集装置包括发电模组、整流模组、电源模组、能源管理模组和安装框架。发电模组用于采集运动能量并通过电磁感应转化成交流电输出。整流模组电连接发电模组，用于将交流电转化成直流电输出。电源模组电连接整流模组，用于储存直流电。能源管理模组电连接电源模组，用于控制电源模组向外接装置供电时的电量输出。安装框架用于安装并限位发电模组、整流模组、电源模组和能源管理模组。通过在安装框架上分别安装设置电连接的各模组，由发电模组采集运动能量并转化成交流电输出至整流模组，以转换成直流电输出至电源模组进行储能。通过能源管理模组进行输出控制，满足了外接装置的可靠供电需要。

Description

运动能量采集装置和行军背包

技术领域

本申请涉及可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种运动能量采集装置和行军背包。

背景技术

随着科学技术的发展，可穿戴智能设备越来越火爆，对智能设备的供电成为一个亟需解决的问题。目前人们外出时对智能设备的供电主要依靠充电宝进行供电。而充电宝需要提前充电才能供携带外出使用，容量有上限，寿命短且更换频繁。而利用自然能源的随身发电产品，如利用风能和太阳能等进行发电的产品，一方面是体积较大，携带不便，另一方面是容易受自然条件影响，无法提供可靠的能源，只能备用。可见，对应可穿戴智能设备而言，传统的供电设备仍存在着无法可靠满足外接装置的供电需求的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够可靠满足外接装置的供电需求的运动能量采集装置以及一种行军背包。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种运动能量采集装置，包括：

发电模组，用于采集运动能量并通过电磁感应转化成交流电输出；

整流模组，电连接发电模组，用于将交流电转化成直流电输出；

电源模组，电连接整流模组，用于储存直流电；

能源管理模组，电连接电源模组，用于控制电源模组向外接装置供电时的电量输出；

安装框架，用于安装并限位发电模组、整流模组、电源模组和能源管理模组。

在其中一个实施例中，发电模组包括线圈骨架、线圈、磁芯和传导弹簧，线圈骨架为不导磁的中空筒状结构；

线圈绕在线圈骨架的轴向周侧外表面并连接整流模组，磁芯位于线圈骨架的中空腔内，传导弹簧设置在线圈骨架的轴向一端并机械连接磁芯；

线圈骨架安装于安装框架的发电安装位上，传导弹簧用于采集运动能量并传导至磁芯，驱动磁芯在线圈骨架内往复运动；传导弹簧通过线圈骨架和/或发电安装位限位。

在其中一个实施例中，传导弹簧包括第一共振弹簧和第二共振弹簧，第一共振弹簧和第二共振弹簧分别设置在线圈骨架的轴向两端，第一共振弹簧的一端机械连接磁芯的一端，第二共振弹簧的一端机械连接磁芯的另一端。

在其中一个实施例中，传导弹簧包括低频共振弹簧或高频共振弹簧。

在其中一个实施例中，发电模组还包括磁屏蔽层，磁屏蔽层套设在线圈绕成的线圈管外表面，用于对磁芯进行磁屏蔽。

在其中一个实施例中，磁屏蔽层包括导电橡胶层或金属屏蔽层。

在其中一个实施例中，发电模组包括至少两个，各发电模组分别安装于安装框架的各发电安装位上，各发电模组分别电连接整流模组；

整流模组用于分别将各发电模组输出的交流电单独整流为相应的各路直流电后，汇合各路直流电并输出至电源模组。

在其中一个实施例中，整流模组包括全波整流电路或者桥式整流电路，电源模组为锂电池。

在其中一个实施例中，还包括挂载件，安装框架设置有挂耳，挂载件用于机械连接背包本体与安装框架的挂耳。

在其中一个实施例中，挂载件包括挂载弹簧、弹性挂载绳、弹性挂载扣或刚性挂载件。

另一方面，还提供一种行军背包，包括背包本体和上述的运动能量采集装置；

运动能量采集装置设置在背包本体上，用于采集背包本体传递的运动能量并转换成直流电进行存储；运动能量采集装置用于向外接装置供电。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述运动能量采集装置和行军背包，通过在安装框架上分别安装设置电连接的发电模组、整流模组、电源模组和能源管理模组，由发电模组采集运动能量并通过电磁感应转化成对应的交流电输出至整流模组，整流模组将交流电转为直流电后输出至电源模组进行储能。利用能源管理模组控制电源模组对外接装置的电量输出，满足向外接装置的可靠供电。相比于传统的供电设备技术，具有能量转换效率高、续航能力强且模块化设计，能够充分满足不同使用需求且制造成本低，维修方便的优势。

附图说明

图1为一个实施例中运动能量采集装置的结构示意图；

图2为一个实施例中发电模组的结构示意图；

图3为一个实施例中其中一种线圈骨架的结构示意图；

图4为另一个实施例中发电模组的结构示意图；

图5为又一个实施例中发电模组的结构示意图；

图6为一个实施例中安装框架与挂载件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件，即也可以是间接连接到另一个元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明针对可穿戴智能设备无法可靠满足外接装置的供电需求的技术问题，提出了有效的解决方案。

请参阅图1，在一个实施例中，本发明提供了一种运动能量采集装置100，包括发电模组12、整流模组14、电源模组16、能源管理模组18和安装框架20。发电模组12用于采集运动能量并通过电磁感应转化成交流电输出。整流模组14电连接发电模组12，用于将交流电转化成直流电输出。电源模组16电连接整流模组14，用于储存直流电。能源管理模组18电连接电源模组16，用于控制电源模组16向外接装置供电时的电量输出。安装框架20用于安装并限位发电模组12、整流模组14、电源模组16和能源管理模组18。

可以理解，发电模组12为基于电磁感应原理，在人体或动物运动(如行走或者奔跑)时，模组内部设置的磁芯在其线圈中产生往复运动而切割磁感线，使得线圈两端产生交流电的发电组件。不同线圈数量对应着不同发电能力，可以根据不同应用场景的需要进行选择。整流模组14可以是本领域中已有的各类型的整流电路模块或组件。电源模组16可以是本领域中适用于便携设计且支持即用即充的电池模组，例如可以是锂电池，锂电池相对本领域中其他类型的电池安全性更高、体积小、重量轻且续航能力强，搭载至运动能量采集装置100，更适合携带其他武器装备的战士开展野外行军时使用。

能源管理模组18为电源电量输出控制的电源管理电路或者模块，可以是本领域中已有的各型可应用于便携装备的电源管理模块。上述各模组的具体尺寸与类型，分别可以根据运动能量采集装置100的整机设计尺寸的大小限制进行选择，只要能满足上述各模组所需的功能及便携的设计需要即可。

安装框架20为电子组件安装的载体，其上设置有多个用于装设各电子组件的不同安装位。安装框架20可以是开放型的电子组件安装基座，也可以是封闭式的电子组件封装壳体，例如设有对外供电接口安装孔的封闭式装置外壳，可以为其内部各电子组件提供防尘、防水、防爆和防静电等多种防护功能。安装框架20的具体尺寸规格、安装位形状与数量以及材质等，均可以根据运动能量采集装置100的整机设计尺寸及其内部各电子组件的安装需要进行确定。外接装置可以是本领域中需要供电的各类电子设备，例如但不限于手机和各型单兵电子装备。

具体的，运动能量采集装置100可以由用户直接携带或者装于背包携带，也可以由用户的机械装备或者动物搭档携带，当用户或者动物搭档(例如军犬、战马或其他宠物)行走、慢跑或快跑运动时，或者当机械装备(如自行车、越野摩托或者越野车等)开动时，发电模组12受运动的影响而使得其内部的磁芯发生切割磁感线的往复运动，产生交流电输出。产生的交流电经整流模组14整流成直流电后输出至电源模组16存储。当电源模组16需要向外接装置进行供电时，可以通过能源管理模组18进行电量输出控制，从而使得电源模组16可以稳定可靠地向外接装置进行适配供电。

上述运动能量采集装置，通过在安装框架20上分别安装设置电连接的发电模组12、整流模组14、电源模组16和能源管理模组18，由发电模组12采集运动能量并通过电磁感应转化成对应的交流电输出至整流模组14，整流模组14将交流电转为直流电后输出至电源模组16进行储能。利用能源管理模组18控制电源模组16对外接装置的电量输出，满足向外接装置的可靠供电。相比于传统的供电设备技术，具有能量转换效率高、续航能力强且模块化设计，能够充分满足不同使用需求且制造成本低，维修方便的优势。

请参阅图2和图3，在一个实施例中，发电模组12包括线圈骨架122、线圈124、磁芯126和传导弹簧128。线圈骨架122为不导磁的中空筒状结构。线圈124绕在线圈骨架122的轴向周侧外表面并连接整流模组14，磁芯126位于线圈骨架122的中空腔内，传导弹簧128设置在线圈骨架122的轴向一端并机械连接磁芯126。线圈骨架122安装于安装框架20的发电安装位上。传导弹簧128用于采集运动能量并传导至磁芯126，驱动磁芯126在线圈骨架122内往复运动。传导弹簧128通过线圈骨架122和/或发电安装位限位。

可以理解，如图3所示的是其中一种中空筒状结构的线圈骨架122，本领域技术人员可以理解，其他局部形状不同的中空筒状结构的线圈骨架122也适用于本实施例中，例如但不限于线圈骨架122两端的线圈124限位环为星形环、打孔环或者方形环的，只要能够实现线圈124在线圈骨架122上的可靠缠绕、限位与出线即可。本领域技术人员可以理解，根据不同的发电能力需要、模组体积与重量限制需要，可以采用不同粗细的线圈124并且可以选择缠绕至不同的线圈124的匝数比。可以采用本领域已有的线圈124缠绕方式将线圈124缠绕至线圈骨架122的外周，以形成可以容置磁芯126的线圈管。线圈124产生的电能与匝数比成正比，故可以选择采用较细的导线进行密集缠绕。线圈124的出线端子与整流模组14之间的接线方式参照传统的线圈出线方式与整流输入接线同理理解。

传导弹簧128可以是本领域中已有的弹簧，可以全部容置于线圈骨架122的中空腔中任一端并利用线圈骨架122限位固定，也可以部分容置于线圈骨架122的中空腔中任一端并利用线圈骨架122和安装框架20提供的安装位共同实现限位固定，或者利用安装框架20提供的安装位独立实现限位固定，还可以全部设置于线圈骨架122的中空腔外的轴向任一端并利用安装框架20提供的安装位独立实现限位固定。

需要说明的是，图2中虚线表示该元件为内置元件或元件被覆盖遮挡的部分。下文中图3至图5的虚线元件同理理解。

具体的，当外部的人体、动物搭档和/或机械装备运动时，其运动能量(机械能)经过传导弹簧128传导到磁芯126，使得磁芯126在线圈骨架122的中空腔内发生往复运动而切割磁感线，进而产生交流电输出。通过采用上述发电结构，即可以利用电磁感应的原理将机械能转换成电能，达到持续供电的目的，产生的电能除供给外接装置之外，剩余电能可以继续储存在电源模组16中。

请参阅图4，在一个实施例中，传导弹簧128包括第一共振弹1282和第二共振弹簧1284。第一共振弹簧1282和第二共振弹簧1284分别设置在线圈骨架122的轴向两端，第一共振弹簧1282的一端机械连接磁芯126的一端，第二共振弹簧1284的一端机械连接磁芯126的另一端。

在本实施例中，对发电模组12采用双弹簧设计，即在线圈骨架122的轴向两端分别设置共振弹簧与磁芯126机械连接。两个共振弹簧的限位固定方式可以与上述传导弹簧128这一单弹簧设计时的限位固定方式同理理解。

采用双弹簧结构，可以更好地减少碰撞能量损失、提升磁芯126有效切割磁场的长度，从而进一步提高能量转换效率。

在一个实施例中，传导弹簧128包括低频共振弹簧或高频共振弹簧。可以理解，根据共振弹簧的共振振动频率高低，可以分为低频共振弹簧和高频共振弹簧两种，相应的，应用低频共振弹簧的发电模组12即为低频模块，应用高频共振弹簧的发电模组12即为高频模块，同时可以根据实际应用需求选择缠绕不同匝数比的线圈124，从而可以获得更强的适用性能。例如，在日常行进时，选用低频发电模块；在跑步和急行军状态时，选用高频模块，即可获得相应运动状态下的较高发电效率。若对发电量有更大需求，则只需增加缠绕线圈124的数量，而无需在其他结构上做出改变。

在一些实施方式中，共振弹簧的选择可以如下：参照表1所示：

表1

正常情况下，人在正常行走和奔跑的步频在1Hz～3.5Hz，考虑到运动能量采集装置100可以内置于背包本体中，共振弹簧的震荡幅度以及频率会受到人体运动频率的影响并且会对运动能量采集装置100内磁芯126于线圈124中的运动产生决定性的影响。共振弹簧的震荡幅度变大的同时，其震荡频率及周期并不会受到影响，那么磁芯126在线圈124中往复运动的速度就会增加。根据公式：

E＝BLv

其中，E表示感应电动势，B表示磁感应强度，L表示导体长度，v表示切割磁感线运动的速度。

线圈124中产生的电动势会随着切割磁感线运动的速度增大而增大。因此可以通过选用能与人在运动时身体的上下起伏共振的共振弹簧来提高发电效率。弹簧的固有频率为：

其中，f表示频率，k表示弹簧的劲度系数，m表示弹簧承受荷载的质量。再者，还可根据劲度系数选用共振弹簧的材料、粗细、匝数和直径等。

在一个实施例中，发电模组12包括至少两个。各发电模组12分别安装于安装框架20的各发电安装位上，各发电模组12分别电连接整流模组14。整流模组14用于分别将各发电模组12输出的交流电单独整流为相应的各路直流电后，汇合各路直流电并输出至电源模组16。

可以理解，在一个运动能量采集装置100中，可以包括两个或者两个以上数量的发电模组12，每个发电模组12的线圈124分别电连接至整流模组14，通过整流模组14先分别对各个发电线圈124的交流电单独进行整流后再汇合到一起进行放大输出至电源模块，从而避免各个发电模组12的磁芯126因运动方向不同而出现电流相互抵消的情况。各个发电模块分别安装在安装框架20上并且可以采取阵列式的排布设置方式，从而简化装置的整机结构复杂度并提升可维护性。如此，通过采用多个发电模组12，可以进一步提高运动能量采集与发电效率。

请参阅图5，在一个实施例中，发电模组12还包括磁屏蔽层129。磁屏蔽层129套设在线圈124绕成的线圈管外表面，用于对磁芯126进行磁屏蔽。

可以理解，磁屏蔽层129可以是采用本领域已有的各类磁屏蔽材料制成的覆盖层。在本实施例中，运动能量采集装置100内设有多个内部含有活动磁芯126发电模组12，为了避免两个磁芯126之间发生相互吸引或排斥，导致磁芯126与线圈管壁(直接或者隔着线圈骨架122的筒状内壁面)之间存在摩擦，在某些实施方式中可以在两个线圈124之间设置20mm～30mm的间隔。然而，采用考虑到采用一定间距的间隔设置方式，会使得运动能量采集装置100的浪费部分整体空间而增大整机体积。因此，可以在各线圈管外添加一层磁屏蔽层129，从而同时达到磁屏蔽与提高空间利用率的效果。

在一个实施例中，磁屏蔽层129包括导电橡胶层或金属屏蔽层。可以理解，可以采用已有的各类金属屏蔽层来实现前述所需的磁屏蔽效果，例如采用铁镍合金层、其他具有高磁导率的金属管或者金属箔作为线圈管的覆盖层。在一些实施方式中，采用在线圈管外增设磁屏蔽层129的方式时，可以综合考虑以下设计要求：其一，单位厚度磁屏蔽效率高；其二，密度小；其三，安全可靠。基于前述设计要求，可以选用导电橡胶层作为线圈管的覆盖层。导电橡胶层具有良好的电磁密封能力，被广泛用于电子、电信、电力、军工、航空、航天和舰船等领域，相对于金属磁屏蔽材料具有密度小的优点。导电橡胶只在一定的压力下才会具有导电能力，而运动能量采集装置100在使用过程中不会产生对于导电橡胶层铅锤向的力，安全可靠。

在一个实施例中，整流模组14包括全波整流电路或者桥式整流电路。可以理解，在本实施例中，整流模组14可以是全波整流电路，也可以是桥式整流电路，实现将发电模组12输出的交流电转换成直流电输出。电源模组16为锂电池，采用的锂电池可以是单个，也可以是两个以上的锂电池组，具体可以根据电能储存需要确定。

请参阅图6，在一个实施例中，运动能量采集装置100还包括挂载件22。安装框架20设置有挂耳202。挂载件22用于机械连接背包本体与安装框架20的挂耳202。

可以理解，在本实施例中，还设置有挂载件22用于通过挂耳202将安装框架20机械连接至背包本体，从而实现运动能量采集装置100在背包本体上的挂载，例如通过弹性或者刚性挂载件，将运动能量采集装置100挂载至背包本体内部，从而提升运动能量采集装置100的便携性与可靠性。背包本体可以是各类民用背包，也可以是各类行军背包的背包本体。在一些实施方式中，运动能量采集装置100也可以挂载在背包本体的外部。

需要说明的是，如图6所示的安装框架20上，设置有用于安装发电模组12的若干发电安装位2012、用于安装整流模组14的整流安装位2014、用于安装电源模组16的电源安装位2016以及用于安装能源管理模组18的管理安装位2018及其输出接口预留孔。图6所示的是以双弹簧为挂载件22时的其中一种示例，其他类型的挂载件22及其设置方式的示例，在本说明书中不再一一穷举。

在一个实施例中，挂载件22包括挂载弹簧、弹性挂载绳、弹性挂载扣或刚性挂载件。可以理解，可以通过一对或者多组挂载弹簧，将运动能量采集装置100内置于背包本体中。同理，也可以采用弹性挂载绳或弹性挂载扣将运动能量采集装置100内置于背包本体中。采用挂载弹簧、弹性挂载绳或弹性挂载扣挂载运动能量采集装置100时，可以进一步放大运动能量向运动能量采集装置100的传导，从而进一步提升运动能量采集装置100的运动采集与发电效率。

在一些实施方式中，还可以采用刚性挂载件，例如但不限于采用刚性挂钩、连接杆或挂载夹实现运动能量采集装置100在背包本体上的挂载。

在一个实施例中，还提供了一种行军背包，包括背包本体和上述的运动能量采集装置100。运动能量采集装置100设置在背包本体上，用于采集背包本体传递的运动能量并转换成直流电进行存储。运动能量采集装置100用于向外接装置供电。

可以理解，关于本实施例中运动能量采集装置100的具体解释说明，可以参见上文中运动能量采集装置100的各实施例的相应解释说明同理理解，在此不再展开赘述。

上述行军背包，通过应用上述运动能量采集装置100，能够随走随充，持续发电，多余的电能可以储存到电源模组16中，从而能够随时随地满足外接装置可靠供电的需求。对于传统的利用自然能源的随身发电产品，如风能和太阳能等，受自然条件影响，无法提供可靠的能源，只能备用；日常生活中最常用的充电宝，外出时需要提前充电，易遗忘且使用次数有限，而本实施例提供的行军背包则较好的解决了以上问题。上述运动能量采集装置100采用模块化设计，不仅可以设置成多档发电量大小的设备以满足不同用户的应用需求，还可以降低制造成本，便于维护。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种运动能量采集装置，其特征在于，包括：

发电模组，用于采集运动能量并通过电磁感应转化成交流电输出；

整流模组，电连接所述发电模组，用于将所述交流电转化成直流电输出；

电源模组，电连接所述整流模组，用于储存所述直流电；

能源管理模组，电连接所述电源模组，用于控制所述电源模组向外接装置供电时的电量输出；

安装框架，用于安装并限位所述发电模组、所述整流模组、所述电源模组和所述能源管理模组。

2.根据权利要求1所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述发电模组包括线圈骨架、线圈、磁芯和传导弹簧，所述线圈骨架为不导磁的中空筒状结构；

所述线圈绕在所述线圈骨架的轴向周侧外表面并连接所述整流模组，所述磁芯位于所述线圈骨架的中空腔内，所述传导弹簧设置在所述线圈骨架的轴向一端并机械连接所述磁芯；

所述线圈骨架安装于所述安装框架的发电安装位上，所述传导弹簧用于采集所述运动能量并传导至所述磁芯，驱动所述磁芯在所述线圈骨架内往复运动；所述传导弹簧通过所述线圈骨架和/或所述发电安装位限位。

3.根据权利要求2所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述传导弹簧包括第一共振弹簧和第二共振弹簧，所述第一共振弹簧和所述第二共振弹簧分别设置在所述线圈骨架的轴向两端，所述第一共振弹簧的一端机械连接所述磁芯的一端，所述第二共振弹簧的一端机械连接所述磁芯的另一端。

4.根据权利要求2或3所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述传导弹簧包括低频共振弹簧或高频共振弹簧。

5.根据权利要求4所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述发电模组还包括磁屏蔽层，所述磁屏蔽层套设在所述线圈绕成的线圈管外表面，用于对所述磁芯进行磁屏蔽。

6.根据权利要求5所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述磁屏蔽层包括导电橡胶层或金属屏蔽层。

7.根据权利要求1所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述发电模组包括至少两个，各所述发电模组分别安装于所述安装框架的各发电安装位上，各所述发电模组分别电连接所述整流模组；

所述整流模组用于分别将各所述发电模组输出的交流电单独整流为相应的各路直流电后，汇合各路所述直流电并输出至所述电源模组。

8.根据权利要求1所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述整流模组包括全波整流电路或者桥式整流电路，所述电源模组为锂电池。

9.根据权利要求1所述的运动能量采集装置，其特征在于，还包括挂载件，所述安装框架设置有挂耳，所述挂载件用于机械连接背包本体与所述安装框架的挂耳。

10.根据权利要求9所述的运动能量采集装置，其特征在于，所述挂载件包括挂载弹簧、弹性挂载绳、弹性挂载扣或刚性挂载件。

11.一种行军背包，其特征在于，包括背包本体和权利要求1至10任一项所述的运动能量采集装置；

所述运动能量采集装置设置在所述背包本体上，用于采集所述背包本体传递的运动能量并转换成直流电进行存储；所述运动能量采集装置用于向外接装置供电。

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