CN112865473A - 一种基于fpc工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，包括外壳、平面FPC线圈组、转轴、转动轮、能量收集电路，其特征在于，平面FPC线圈组垂直于转轴固定于外壳内部垂直方向中间处，平面FPC线圈组包括第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第五线圈以及覆盖于线圈上下两侧的FPC基材，通过采用FPC工艺实现线圈的小型化与密度提升，转轴通过轴承垂直固定于外壳内壁，转动轮安装在轴承外圈，可绕轴承旋转，转动轮包括轻质支架、5个方形永磁体和配重质量块，外界的低频振动带动配重质量块的甩动，能量收集电路固定于外壳底部，通过纤细导线与平面FPC线圈组相连接，将微弱交变电流转换为直流电，该装置可以实现环境及人体中的振动能量的采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，属于可穿戴能量收集技术领域。
背景技术
随着集成电路技术和互联网技术的发展，近年来各种可穿戴设备层出不穷，通过这些可穿戴设备，人们可以更好地了解自身状况与外界信息。随着可穿戴设备的不断发展，其功耗越来越低，从人体收集能量转化为电能为可穿戴设备供能成为解决此类设备供能问题的主要解决方案之一。
人体主要存在动能（振动能）、热能、风能、声能及生物化学能等。目前人体能量的收集方式主要有电磁式、压电式、热电式及生物燃料电池等。在利用人体能量的方法中,采用惯性能量（动能）收集的方法又具有较高的效率。但是传统的惯性能量（动能）收集装置体积质量较大，给人体行动带来不便。而小型化的收集装置因平面磁铁性能差、线圈匝数受限、振幅变小使能量收集效率降低。目前FPC工艺在PCB生产中日渐流行，采用FPC工艺生产的线圈厚度小，体积小，匝数密度高，具有较高的能量转换效率。稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，稀土永磁材料的应用大大提高了平面磁场强度。
专利号CN201621210038.2公开了一种基于MEMS工艺的柔性可穿戴温差能量收集器件，该器件利用柔性材料作为基底，利用人体温差作为热源发电。该方法的最大缺点是温差发电功率小，效率不及动能收集方案，不能独立地为可穿戴设备供电，仅能作为辅助供能方法。
专利号CN201710205950.1公开了一种收集低频行走能量的可穿戴自驱动供电系统，此系统基于摩擦发电技术，利用人体、鞋底和地面构建人体发电装置，从而解决现有人体发电装置复杂的问题，该方法的最大缺点是其摩擦层为鞋底和任意行走表面，佩戴部位受限，且会对步行带来影响。
专利号CN200880112238.6公开了一种具有轴向磁通发电机的微型人力充电器，该充电器包含机械传输装置、轴向磁通发电机和充电控制模块。其轴向磁通发电机具有定子和两个相同的转子，定子的平面绕组由多层印刷电路板(PCB)来制成。该充电器还包含充电控制模块，用于将由所述发电机所产生的非稳定交变电流转换为充电直流电流。该方法的最大缺点是其平面绕组以多层印刷电路板(PCB)来实现，相比于FPC工艺，其体积大大增加，便携性较差。
发明内容
本发明的目的：一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，采用旋转结构，利用偏心轮机构将外部低频振动转换为旋转运动，旋转过程中方形永磁体切割平面FPC线圈组，将人体及其环境中的低频振动转换为电能，实现可穿戴式能量收集。
为实现本发明，采用的技术方案是：一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，包括外壳（1）、平面FPC线圈组（2）、转轴（3）、转动轮（4）、能量收集电路（5），其特征在于，平面FPC线圈组（2）垂直于转轴（3）固定于外壳（1）内部垂直方向中间处，所述的平面FPC线圈组（2）第一线圈（10）、第二线圈（11）、第三线圈（12）、第四线圈（13）、第五线圈（14）以及覆盖于线圈（15）上下两侧的FPC基材（16），所述的转轴（3）通过轴承（8）垂直固定于外壳（1）内壁，所述的转动轮（4）安装在轴承（8）外圈，可绕轴承（8）旋转，所述转动轮（4）包括轻质支架（9）、5个方形永磁体（6）和配重质量块（7），外界的低频振动带动配重质量块（7）的甩动，所述的能量收集电路（5）固定于外壳（1）底部，通过纤细导线与平面FPC线圈组（2）相连接。所述的转动轮（4）随着外部低频运动在360°范围内甩动。所述的转动轮（4）是由轻质材料制成的轻质支架（9），在转动轮（4）边缘处设置了配重质量块（7），配重质量块（7）可以是铁块或者铜块，同时在转动轮（4）中等间距嵌入5个方形永磁体（6）。所述的平面FPC线圈组（2）固定于外壳（1）底部内侧，转动轮（4）下方，且与轻质支架（9）平行，转动轮（4）甩动的过程中，方形永磁体（6）切割所述的平面FPC线圈组（2），实现电磁式振动能量采集。
所述的能量收集电路（5）固定于外壳（1）底部内侧，平面FPC线圈组（2）下方，其基材可以是玻纤PCB或柔性FPC，通过纤细导线与平面FPC线圈组（2）相连接，实现微弱交变电流到直流电的转换。
本发明的有益效果：
1.本发明采用柔性FPC制作线圈，减小了线圈厚度，实现了装置小型化。
2.本发明采用偏心轮结构，将外部低频振动转换为旋转运动，实现运动形式转换。
3.本发明采用电磁耦合方式，实现环境能量收集。
附图说明
图1为本发明一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置的整体外观示意图；
图2为本发明一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置的内部结构剖视图；
图3为本发明一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置的平面FPC线圈组的层叠结构示意图；
图4为本发明一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置的单个平面FPC线圈的结构示意图；
1：外壳；2：平面FPC线圈组；3：转轴；4：转动轮；5：能量收集电路；6：方形永磁体；7：配重质量块；8：轴承；9：轻质支架；10：第一线圈；11：第二线圈；12：第三线圈；13：第四线圈；14：第五线圈；15：线圈；16：FPC基材。
具体实施方式
一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，包括外壳（1）、平面FPC线圈组（2）、转轴（3）、转动轮（4）、能量收集电路（5），其特征在于，平面FPC线圈组（2）垂直于转轴（3）固定于外壳（1）内部垂直方向中间处，所述的平面FPC线圈组（2）包括第一线圈（10）、第二线圈（11）、第三线圈（12）、第四线圈（13）、第五线圈（14）以及覆盖于线圈上下两侧的FPC基材（16），所述的转轴（3）通过轴承（8）垂直固定于外壳（1）内壁固定于平面FPC线圈组（2）上方，所述的转动轮（4）安装在轴承（8）外圈，可绕轴承（8）旋转，所述转动轮（4）包括轻质支架（9）、5个方形永磁体（6）和配重质量块（7），外界的低频振动带动配重质量块（7）的甩动，所述的能量收集电路（5）固定于外壳（1）底部，通过纤细导线与平面FPC线圈组（2）相连接，可将微弱交变电流转换为直流电，该装置可以实现环境及人体中的振动能量的采集。
工作原理： 平面FPC线圈组（2）由第一线圈（10）、第二线圈（11）、第三线圈（12）、第四线圈（13）、第五线圈（14）高密度堆叠组成，转动轮（4）由5个具有交替磁化模式的方形永磁体（6）和配重质量块（7）组成。配重质量块（7）随着外部低频运动在360°转动，带动转动轮（4）绕轴承（8）360°旋转。转动轮（4）甩动的过程中，方形永磁体（6）切割所述的平面FPC线圈组（2），根据法拉第电磁感应效应产生感应电流，实现电磁式振动能量采集。
优选的，所述的转动轮（4）是由轻质材料制成的轻质支架（9），在转动轮（4）边缘处设置了配重质量块（7）增加转动惯量，配重质量块（7）可以是铁块或者铜块。
优选的，所述的方形永磁体（6）可以是钐钴永磁体或钕铁硼永磁体。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互结合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，包括外壳（1）、平面FPC线圈组（2）、转轴（3）、转动轮（4）、能量收集电路（5），其特征在于，平面FPC线圈组（2）垂直于转轴（3）固定于外壳（1）内部垂直方向中间处，所述的平面FPC线圈组（2）包括第一线圈（10）、第二线圈（11）、第三线圈（12）、第四线圈（13）、第五线圈（14）以及覆盖于线圈（15）上下两侧的FPC基材（16），所述的线圈（15）通过采用FPC工艺实现线圈的小型化与密度提升，所述的转轴（3）通过轴承（8）垂直固定于外壳（1）内壁，所述的转动轮（4）安装在轴承（8）外圈，可绕轴承（8）旋转，所述转动轮（4）包括轻质支架（9）、5个方形永磁体（6）和配重质量块（7），外界的低频振动带动配重质量块（7）的甩动，所述的能量收集电路（5）固定于外壳（1）底部，通过纤细导线与平面FPC线圈组（2）相连接，将微弱交变电流转换为直流电，该装置可以实现环境及人体中的振动能量的采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的平面FPC线圈组（2）包括第一线圈（10）、第二线圈（11）、第三线圈（12）、第四线圈（13）、第五线圈（14）以及覆盖于线圈（15）上下两侧的FPC基材（16）。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的线圈（15）是使用FPC工艺制作的，实现了线圈小型化的同时匝数提升。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的转动轮（4）随着外部低频运动在360°范围内甩动。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的转动轮（4）是由轻质材料制成的轻质支架（9），在转动轮（4）边缘处设置了配重质量块（7），配重质量块（7）可以是铁块或者铜块，同时在转动轮（4）中等间距嵌入5个方形永磁体（6）。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的平面FPC线圈组（2）固定于外壳（1）底部内侧，转动轮（4）下方，且与轻质支架（9）平行，转动轮（4）甩动的过程中，方形永磁体（6）切割所述的平面FPC线圈组（2），实现电磁式振动能量采集。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPC工艺和电磁耦合的微型可穿戴能量收集装置，其特征在于，所述的能量收集电路（5）固定于外壳（1）底部内侧，平面FPC线圈组（2）下方，其基材可以是玻纤PCB或柔性FPC，通过纤细导线与平面FPC线圈组（2）相连接，实现微弱交变电流到直流电的转换。
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114679030A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-06-28 | 电子科技大学 | 一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法 |
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2021
- 2021-03-16 CN CN202110281520.4A patent/CN112865473A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN114679030A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-06-28 | 电子科技大学 | 一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法 |
| CN114679030B (zh) * | 2022-04-20 | 2023-09-29 | 电子科技大学 | 一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法 |
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