CN113027715B - 一种非线性发电装置及发电背包 - Google Patents

一种非线性发电装置及发电背包 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非线性发电装置及发电背包，包括背板、前板、非线性往复振动机构、驱动机构和发电机构；所述非线性往复振动机构包括与背板连接的锚定架、与前板连接的浮动架、以及连接锚定架和浮动架的若干弯片弹簧；所述前板连接所述发电机构，所述发电机构连接所述驱动机构，所述驱动机构与背板连接；基于所述弯片弹簧的非线性特性，所述浮动架带动前板和发电机构进行非线性往复振动，使驱动机构驱动发电机构发电。本发明能够把人体运动的机械能转化为电能，并能较好地适应于背包装载物品质量的变化和人体行走速度的变化，减轻背包者的负重感。

Description

一种非线性发电装置及发电背包
技术领域
本发明属于背包发电装置技术领域，具体涉及一种非线性发电装置及发电背包。
背景技术
在野外军事训练中，军人通常需要背负20至30斤的武装器件及生活用品，再加上高强度的徒步训练对军人的体能带来极大的挑战，训练过程中疲惫感愈加强烈。另外，单兵作战过程中，军人往往需要配备通信设备、医疗设备以及照明设备，这些设备都需要供电才能正常的运行，因此保障军人随时用电显得十分重要。
常见的便携式发电装置有太阳能发电以及手摇发电，考虑到太阳能发电会受到天气的影响，对于阴雨天气发电量较少，不足以维持军人的持续用电；手摇发电需要消耗额外体力将机械能转化为电能，会增加军人训练作战过程中的体能消耗。因此，上述发电装置都具有一定的弊端，军事场景中需要一种发电高效，穿戴舒适的发电装置。
近年来，一种称之为发电背包的装置引起了学术界和产业界众多研究者的兴趣，该发电背包除具有装载物品的基本功能外，还可把人体行进过程中背包上下运动产生的机械能转换为电能。需要指出的是，背包装载物品的质量和人体的行走速度是有变化性的，在已有公开报道的发电背包中所设置的发电装置往往是在线性模式下工作，这难以适应所载物品质量和行进速度的变化，因此具有较低的机械能-电能转换效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非线性发电装置及发电背包，能够把人体运动的机械能转化为电能，并能较好地适应于背包装载物品质量的变化和人体行走速度的变化，减轻背包者的负重感。
本发明提供了如下的技术方案：
一种非线性发电装置，包括背板、前板、非线性往复振动机构、驱动机构和发电机构；
所述非线性往复振动机构包括与背板连接的锚定架、与前板连接的浮动架、以及连接锚定架和浮动架的若干弯片弹簧；
所述前板连接所述发电机构，所述发电机构连接所述驱动机构，所述驱动机构与背板连接；
基于所述弯片弹簧的非线性特性，所述浮动架带动前板和发电机构进行非线性往复振动，使驱动机构驱动发电机构发电。
进一步的，所述浮动架上设有若干均匀分布的凹槽，所述弯片弹簧的一端固定于所述凹槽内，另一端固定于锚定架上。
进一步的，所述弯片弹簧与锚定架的接触长度随浮动架向下移动而增大，所述弯片弹簧与锚定架的接触长度与弹簧刚度遵从如下非线性关系：
Figure BDA0003009991270000021
其中，F’x表示接触长度为x下的弹簧刚度，E为弯片弹簧材料的弹性模量，I为弯片弹簧截面惯性矩，μ为泊松比，l为弯片弹簧长度，x为弯片弹簧与锚定架的接触长度。
进一步的，所述发电机构包括发电机、增速齿轮箱和电能管理模块，所述增速齿轮箱装配于发电机上，所述发电机通过压箍安装于前板上，所述发电机的电能输出接口与电能管理模块连接，所述电能管理模块对发电机输出的电能进行整流、稳压和存储。
进一步的，所述驱动机构包括绕绳轮和设于绕绳轮内的单向滚动组件，所述绕绳轮套装于所述增速齿轮箱的转轴上，所述绕绳轮在指定旋转方向上通过单向滚动组件锁死在转轴上，在指定旋转方向的相反方向上进行自由转动。
进一步的，所述单向滚动组件为单向轴承、单向离合器或棘轮-棘爪中的一种。
进一步的，所述绕绳轮上缠绕有若干匝拉绳，所述拉绳的伸出端固定于背板上；当所述绕绳轮在增速齿轮箱的转轴上进行自由转动时，所述拉绳进行收卷缩短运动。
进一步的，所述增速齿轮箱的转轴上套装有扭簧，所述扭簧的一端紧固连接在绕绳轮的侧面上，另一端紧固连接在增速齿轮箱的壳体上，所述扭簧的旋转收紧方向与绕绳轮在转轴上锁死旋转的方向相同。
一种非线性发电背包，包括所述的非线性发电装置。
进一步的，还包括分离设置的包体和背垫，所述非线性发电装置的前板与包体紧固连接，所述非线性发电装置的背板与背垫紧固连接，所述背垫与背带紧固连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于弯片弹簧的非线性特性，使浮动架带动前板和发电机构进行非线性往复振动，进而使驱动机构驱动发电机构发电，将人体行走过程中产生的机械能转化为电能供外部设备使用；
(2)本发明利用弯片弹簧的非线性特性，合理的设计弯片弹簧使其刚度位于一个合适的变化范围，能够平衡不同背包负重对整体的影响，使得背包与人体之间产生谐振，从而减轻背包者的负重感，还能够平衡人体行走过程中因速度的变化导致人体运动频率的改变，使背包者更加舒适。
附图说明
图1是非线性发电装置的结构示意图；
图2是非线性发电装置的内部结构示意图
图3是浮动架的结构示意图；
图4是弯片弹簧的结构示意图；
图5是发电单元的立体结构示意图；
图6是发电单元的主视结构示意图；
图7发电背包的结构示意图；
图中标记为：1、背板；2、浮动架；3、锚定架；4、弯片弹簧；5、发电机；6、绕绳轮；7、电能管理模块；8、扭簧；9、转轴；10、单向滚动组件；11、增速齿轮箱；12、凹槽；13、拉绳；14、压箍；15、前板；16、包体；17、背垫；18、背带；19、内固定孔；20、侧固定孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和2所示，本实施例提供一种非线性发电装置，包括背板1、前板15、非线性往复振动机构、驱动机构和发电机构；非线性往复振动机构包括与背板1连接的锚定架3、与前板15连接的浮动架2、以及连接锚定架3和浮动架2的若干弯片弹簧4；前板15连接发电机构，发电机构连接驱动机构，驱动机构与背板1连接；基于弯片弹簧4的非线性特性，浮动架2带动前板15和发电机构进行非线性往复振动，使驱动机构驱动发电机构发电。
如图2和3所示，锚定架3和浮动架2均为两根，锚定架3沿背板1的竖直中心线对称且平行地固定于背板1两侧，浮动架2沿背板1的竖直中心线对称且平行地固定于前板15两侧，浮动架2的侧面设有用于与前板15固定连接的若干侧固定孔20。
如图2和3所示，浮动架2上设有若干均匀分布的凹槽12，弯片弹簧4的一端固定于凹槽12内，另一端固定于锚定架3上，浮动架2的每个凹槽12内均设有用于固定弯片弹簧4的内固定孔19；弯片弹簧4有10片，分两组用于连接锚定架3和浮动架2，弯片弹簧4的整体安装布局为沿背板1的竖直中心线对称分布。
如图2和4所示，弯片弹簧4与锚定架3的接触长度随浮动架2向下移动而增大，弯片弹簧4与锚定架3的接触长度与弹簧刚度遵从如下非线性关系：
Figure BDA0003009991270000061
其中，Fx'表示接触长度为x下的弹簧刚度，E为弯片弹簧材料的弹性模量，I为弯片弹簧截面惯性矩，μ为泊松比，l为弯片弹簧长度，x为弯片弹簧与锚定架的接触长度。
如图2所示，发电机构包括发电机5、增速齿轮箱11和电能管理模块7，增速齿轮箱11装配于发电机5上，发电机5通过压箍14安装于前板15的正中间部位，发电机5的电能输出接口与电能管理模块7连接，电能管理模块7对发电机5输出的电能进行整流、稳压和存储。
如图2、5和6所示，驱动机构包括绕绳轮6和设于绕绳轮6内的单向滚动组件10，绕绳轮6套装于增速齿轮箱11的转轴9上，绕绳轮6在指定旋转方向上通过单向滚动组件10锁死在转轴9上，在指定旋转方向的相反方向上进行自由转动。单向滚动组件10为单向轴承、单向离合器或棘轮-棘爪中的一种，本实施例采用单向轴承。
如图2、5和6所示，绕绳轮6上缠绕有若干匝拉绳13，拉绳13的伸出端固定于背板1上；当绕绳轮6在增速齿轮箱11的转轴9上进行自由转动时，拉绳13进行收卷缩短运动。为了在运动过程中绕绳轮6能够自动回收拉绳，增速齿轮箱11的转轴9上套装有扭簧8，扭簧8的一端紧固连接在绕绳轮6的侧面上，另一端紧固连接在增速齿轮箱11的壳体上，扭簧8的旋转收紧方向与绕绳轮6在转轴9上锁死旋转的方向相同，当绕绳轮6在转轴9上旋转的方向为锁死的反方向时，在扭簧8的作用下逆向转动绕绳轮6，使松弛的拉绳13收紧在绕绳轮6之中。
如图7所示，本实施例还提供一种非线性发电背包，包括所述的非线性发电装置，还包括分离设置的包体16和背垫17，非线性发电装置的前板15与包体16紧固连接，非线性发电装置的背板1与背垫17紧固连接，背垫17与背带18紧固连接，构成一个具有质量-弹簧-机械阻尼-电阻尼模式的非线性往复振动发电装置。当拆除非线性发电装置中的发电机构和驱动机构后，包体16、前板15、非线性往复振动机构和背板1仍构成一个具有质量-弹簧-机械阻尼模式的非线性往复振动机构。
本实施例提供的发电装置及发电背包其工作过程如下：
S1：当发电背包的包体16向下运动时，拉绳13拉动处于锁死状态的绕绳轮6旋转，一方面带动增速齿轮箱11的转轴9旋转而使发电机5发电，另一方面使扭簧8进行旋转预收紧；
S2：当发电背包的包体16向上运动时，处于预收紧状态的扭簧8进行扭力释放而反方向旋转，绕绳轮6在扭簧8扭力驱动下进行反向旋转而收卷拉绳13；
S3：利用电能管理模块7对发电机产生的交流电进行整流、滤波、稳压，并将电能存储于内置的可充电电池中，供外部设备使用。
本发明基于弯片弹簧的非线性特性，使浮动架带动前板和发电机构进行非线性往复振动，进而使驱动机构驱动发电机构发电，将人体行走过程中产生的机械能转化为电能供外部设备使用；本发明利用弯片弹簧的非线性特性，合理的设计弯片弹簧使其刚度位于一个合适的变化范围，能够平衡不同背包负重对整体的影响，使得背包与人体之间产生谐振，从而减轻背包者的负重感，还能够平衡人体行走过程中因速度的变化导致人体运动频率的改变，使背包者更加舒适。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种非线性发电装置，其特征在于，包括背板、前板、非线性往复振动机构、驱动机构和发电机构；
所述非线性往复振动机构包括与背板连接的锚定架、与前板连接的浮动架、以及连接锚定架和浮动架的若干弯片弹簧；
所述前板连接所述发电机构，所述发电机构连接所述驱动机构，所述驱动机构与背板连接；
基于所述弯片弹簧的非线性特性，所述浮动架带动前板和发电机构进行非线性往复振动，使驱动机构驱动发电机构发电；
所述弯片弹簧与锚定架的接触长度随浮动架向下移动而增大，所述弯片弹簧与锚定架的接触长度与弹簧刚度遵从如下非线性关系：
Figure FDA0003544915760000011
其中，F′x表示接触长度为x下的弹簧刚度，E为弯片弹簧材料的弹性模量，I为弯片弹簧截面惯性矩，μ为泊松比，l为弯片弹簧长度，x为弯片弹簧与锚定架的接触长度。
2.根据权利要求1所述的非线性发电装置，其特征在于，所述浮动架上设有若干均匀分布的凹槽，所述弯片弹簧的一端固定于所述凹槽内，另一端固定于锚定架上。
3.根据权利要求1所述的非线性发电装置，其特征在于，所述发电机构包括发电机、增速齿轮箱和电能管理模块，所述增速齿轮箱装配于发电机上，所述发电机通过压箍安装于前板上，所述发电机的电能输出接口与电能管理模块连接，所述电能管理模块对发电机输出的电能进行整流、稳压和存储。
4.根据权利要求3所述的非线性发电装置，其特征在于，所述驱动机构包括绕绳轮和设于绕绳轮内的单向滚动组件，所述绕绳轮套装于所述增速齿轮箱的转轴上，所述绕绳轮在指定旋转方向上通过单向滚动组件锁死在转轴上，在指定旋转方向的相反方向上进行自由转动。
5.根据权利要求4所述的非线性发电装置，其特征在于，所述单向滚动组件为单向轴承、单向离合器或棘轮-棘爪中的一种。
6.根据权利要求4所述的非线性发电装置，其特征在于，所述绕绳轮上缠绕有若干匝拉绳，所述拉绳的伸出端固定于背板上；当所述绕绳轮在增速齿轮箱的转轴上进行自由转动时，所述拉绳进行收卷缩短运动。
7.根据权利要求4所述的非线性发电装置，其特征在于，所述增速齿轮箱的转轴上套装有扭簧，所述扭簧的一端紧固连接在绕绳轮的侧面上，另一端紧固连接在增速齿轮箱的壳体上，所述扭簧的旋转收紧方向与绕绳轮在转轴上锁死旋转的方向相同。
8.一种非线性发电背包，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的非线性发电装置。
9.根据权利要求8所述的非线性发电背包，其特征在于，还包括分离设置的包体和背垫，所述非线性发电装置的前板与包体紧固连接，所述非线性发电装置的背板与背垫紧固连接，所述背垫与背带紧固连接。
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