CN114006453B - 一种便携式俘能电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式俘能电源，属新能源及微电子应用技术领域；包括上下半壳、座桶、内壳、线圈、磁铁、惯性块、弹簧、电路板及USB接口；上半壳壁内侧设有线圈、相互平行的凸环和上簧座，上簧座位于上半壳壁内侧顶部；下半球腔的上下两侧分别设有上端口和下端口，下半壳壁内侧设有均布的线圈和相互平行的凸环；内壳壁的顶部设有内腔端口、底部内侧设有下簧座，下簧座上下两端分别设有下簧座孔和内壳螺孔，内壳壁外侧均布有磁铁；上下半壳壁端部相连并构成外球壳和外球腔，外球壳装在座桶端部，座桶内装有电路板和USB接口；外球腔的凸环内表面位于同一球面上，内壳置于外球腔内；弹簧两端分别置于上下簧座孔内；内壳壁底部经摆杆装有惯性块。
Description
技术领域
本发明属于新能源与微电子应用技术领域，具体涉及一种便携式俘能电源。
背景技术
为满足微功率电子产品及微小型远程传感及埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境，基于电磁、摩擦及压电等原理的微小型发电机的研究已经成为国内外的前沿热点。在利用各种原理构造便携式微型发电机方面，国内外均有较多专利申请，但能量来源主要集中在环境中的振动能、流体能及旋转运动能等方面，其结构及原理均不适于人体及载运工具运动发电；此外，由于结构原理或器件特性的原因，现有发电装置的系统固有频率都是固定，通常都远高于人体走路、摆臂及车船等颠簸等的频率且效带宽较窄，最关键的是产品一旦出厂便不可调节，故无法满足不同运动形式或运动强度等工况下的应用需求。
发明内容
一种便携式俘能电源，主要包括上半壳、下半壳、座桶、内壳、线圈、磁铁、惯性块、弹簧、电路板及USB接口。
上半壳的上半壳壁形成上半球腔，上半球腔的端口朝下，上半壳壁的内侧均布有线圈，上半壳壁的内侧顶部设有上簧座，上簧座孔由柱孔和梯形孔构成，阶梯孔靠近上簧座的端部；上半壳壁的内侧设有相互平行的上大凸环和上小凸环，上大凸环和上小凸环分别靠近上半球腔的底部和顶部，上半壳壁的端口外侧设有上环板。
下半壳的下半壳壁围成下半球腔，下半壳壁的上下两侧分别设有上端口和下端口，上端口的直径大于下端口的直径；下半壳壁的内侧设有相互平行的下大凸环和下小凸环，下大凸环和下小凸环分别靠近下半球腔的顶部和底部；上端口的外侧设有下环板；下半壳壁的内侧均布有线圈。
内壳的内壳壁构成内球腔，内壳壁的顶部设有内腔端口、底部内侧设有下簧座，下簧座的上下两端分别设有下簧座孔和内壳螺孔，内壳螺孔的端部位于内壳壁的外侧，下簧座的上端面位于内壳的球心所在的平面内；内壳壁的外侧均布有磁铁。
磁铁和线圈均为圆柱形且其直径相同，内壳上的磁铁总数不大于上半壳和下半壳上的线圈总数，两相邻磁铁间的距离不小于于磁铁直径。
上半壳、下半壳及内壳均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，线圈在注塑过程中嵌入上半壳壁或下半壳壁中，磁铁在注塑过程中嵌入内壳壁中。
上半壳壁和下半壳壁的端部相连并构成外球壳和外球腔，上环板和下环板经螺钉相连，外球壳经螺钉安装在座桶的桶壁端部，座桶的桶壁内侧安装有电路板和USB接口；外球腔上的各凸环的内表面位于同一球面上，即上大凸环、上小凸环、下大凸环及下小凸环内表面位于同一球面上。
内壳置于外球腔内，内壳壁的外表面与外球腔上的各凸环的内表面接触，内壳可在外球腔内自由转动或摆动；弹簧的上下两端分别置于上簧座的上簧座孔和下簧座的下簧座孔内，弹簧为弹性杆或螺旋弹簧；内壳壁的底部外侧装有摆杆，摆杆的端部经内壳螺孔安装在内壳壁上，摆杆上经螺钉安装有惯性块；摆杆及惯性块位于座桶的内腔中。
非工作的自然状态下，摆杆处于铅垂面内，某一线圈与其距离最近的相邻磁铁同轴或错开，线圈与其相邻的磁铁同轴是指二者的轴线重叠，线圈与其相邻的磁铁错开是指二者外缘的母线平行且其中心距大于二者半径之和；相邻的线圈与磁铁构成电磁发电单元，各个线圈经单独的导线组和整流器与电路板相连，电路板经导线与USB接口相连。
外界有扰动、振动或摇摆时，内壳在惯性块和弹簧的双重作用下带动磁铁绕内壳的中心往复摆动，从而使磁铁和线圈产生往复的相对运动，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后输送给电路板，再经进一步转换处理为负载充电。
本发明的充电电源，可通过手摇晃动发电，也可用于收集人体行走运动、车辆振动、船舶颠簸等环境振动能发电，也可通过收集海浪、水流及风等具有多向扰动特征的流体能发电；收集振动能发电时座桶需固定；收集流体能发电时座桶应可自由摆动，如经弹簧或绳索悬于流体中。
本发明中，弹簧、内壳、惯性块、摆杆及磁铁构成摇摆系统，摇摆系统的固有频率由弹簧、内壳、惯性块、摆杆及磁铁的结构与性能参数及共同决定；为获得足够大的内壳的摇摆幅值、提高发电能力，摇摆系统的固有频率应与激励频率相近，故需根据摇摆系统的结构参数设计或调整获得所需的固有频率，摇摆系统的固有频率为
，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧的刚度， x和y分别为磁铁和惯性块的质心到内壳中心的距离，n为磁铁的数量，R为内壳壁的中介层半径，m1、m2、m3、m4和m5分别为内壳壁、磁铁、惯性块、下簧座及摆杆的质量，λ为修正系数。
本发明中，内壳和摆杆由轻质材料制成且惯性块和磁铁的质量之和远大于摆动系统其他元件质量，摇摆系统的固有频率为
，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧的刚度， x和y分别为磁铁和惯性块的质心到内壳中心的距离， m2和m3分别为磁铁和惯性块的质量，n为磁铁的数量，λ为修正系数。
优势与特色：利用人体走路运动及交通工具振动发电，便于携带与使用；发电系统固有频率易于通过系统参数设计获得，调频方法简单易行、适用范围广；可实现平面内任一方向振动能量回收，环境适应性强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能电源的结构剖面示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中带有线圈的上球壳剖面示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中带有二极管的下球壳剖面示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中带有磁铁内壳剖面示意图。
具体实施方式
一种便携式俘能电源，主要包括上半壳a、下半壳b、座桶c、内壳d、线圈g、磁铁h、惯性块m、弹簧f、电路板p及USB接口q。
上半壳a的上半壳壁a1形成上半球腔a2，上半球腔a2的端口朝下，上半壳壁a1的内侧均布有线圈g，上半壳壁a1的内侧顶部设有上簧座a3，上簧座a3的上簧座孔a4由柱孔和梯形孔构成，阶梯孔靠近上簧座a3的端部；上半壳壁a1的内侧设有相互平行的上大凸环a6和上小凸环a5，上大凸环a6和上小凸环a5分别靠近上半球腔a2的底部和顶部，上半壳壁a1的端口外侧设有上环板a7。
下半壳b的下半壳壁b1围成下半球腔b2，下半壳壁b1的上下两侧分别设有上端口b8和下端口b9，上端口b8的直径大于下端口b9的直径；下半壳壁b1的内侧设有相互平行的下大凸环b6和下小凸环b5，下大凸环b6和下小凸环b5分别靠近下半球腔b2的顶部和底部；上端口b8的外侧设有下环板b7；下半壳壁b1的内侧均布有线圈g。
内壳d的内壳壁d1构成内球腔d2，内壳壁d1的顶部设有内腔端口d3、底部内侧设有下簧座d4，下簧座d4的上下两端分别设有下簧座孔d5和内壳螺孔d6，内壳螺孔d6的端部位于内壳壁d1的外侧，下簧座d4的上端面位于内壳d的球心所在的平面内；内壳壁d1的外侧均布有磁铁h。
磁铁h和线圈g均为圆柱形且其直径相同，内壳d上的磁铁h总数不大于上半壳a和下半壳b上的线圈g的总数，内壳d上的两个相邻磁铁h间的最近距离不小于磁铁h的直径，上半壳a和下半壳b上的两相邻线圈g间的最近距离不大于线圈g的直径。
上半壳a、下半壳b及内壳d均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，线圈g在注塑过程中嵌入上半壳壁a1或下半壳壁b1中，磁铁h在注塑过程中嵌入内壳壁d1中。
上半壳壁a1和下半壳壁b1的端部相连并构成外球壳和外球腔，上环板a7和下环板b7经螺钉相连，外球壳经螺钉安装在座桶c的桶壁端部，座桶c的桶壁内侧安装有电路板p和USB接口q；外球腔上的各凸环的内表面位于同一球面上，即上大凸环a6、上小凸环a5、下大凸环b6及下小凸环b5内表面位于同一球面上。
内壳d置于外球腔内，内壳壁d1的外表面与外球腔上的各凸环的内表面接触，内壳d可在外球腔内自由转动或摆动；弹簧f的上下两端分别置于上簧座a3的上簧座孔a4和下簧座d4的下簧座孔d5内，弹簧f为弹性杆或螺旋弹簧；内壳壁d1的底部外侧装有摆杆e，摆杆e的端部经内壳螺孔d6安装在内壳壁d1上，摆杆e上经螺钉安装有惯性块m；摆杆e及惯性块m位于座桶c的内腔中。
非工作的自然状态下，摆杆e处于铅垂面内，某一线圈g与其距离最近的相邻磁铁h同轴或错开，线圈g与其相邻的磁铁h同轴是指二者的轴线重叠，线圈g与其相邻的磁铁h错开是指二者外缘的母线平行且其中心距大于二者半径之和；相邻的线圈g与磁铁h构成电磁发电单元，各个线圈经单独的导线组和整流器与电路板p相连，电路板p经导线与USB接口q相连。
外界有扰动、振动或摇摆时，内壳d在惯性块m和弹簧f的双重作用下带动磁铁h绕内壳d的中心往复摆动，从而使磁铁h和线圈g产生往复的相对运动，线圈g切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后输送给电路板p，再经进一步转换处理为负载充电。
本发明的充电电源，可通过手摇晃动发电，也可用于收集人体行走运动、车辆振动、船舶颠簸等环境振动能发电，也可通过收集海浪、水流及风等具有多向扰动特征的流体能发电；收集振动能发电时座桶c需固定；收集流体能发电时座桶c应可自由摆动，如经弹簧或绳索悬于流体中。
本发明中，弹簧f、内壳d、惯性块m、摆杆e及磁铁h构成摇摆系统，摇摆系统的固有频率由弹簧f、内壳d、惯性块m、摆杆e及磁铁h的结构与性能参数及共同决定；为获得足够大的内壳d的摇摆幅值、提高发电能力，摇摆系统的固有频率应与激励频率相近，故需根据摇摆系统的结构参数设计或调整获得所需的固有频率，摇摆系统的固有频率为
，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧f的刚度， x和y分别为磁铁h和惯性块m的质心到内壳d中心的距离，n为磁铁h的数量，R为内壳壁d1的中介层半径，m1、m2、m3、m4和m5分别为内壳壁d1、磁铁h、惯性块m、下簧座d4及摆杆e的质量，λ为修正系数。
本发明中，内壳d和摆杆e由轻质材料制成且惯性块m和磁铁h的质量之和远大于摆动系统其他元件质量，摇摆系统的固有频率为
，式中：ζ为阻尼比，K为弹簧f的刚度， x和y分别为磁铁h和惯性块m的质心到内壳d中心的距离， m2和m3分别为磁铁h和惯性块m的质量，n为磁铁h的数量，λ为修正系数。
Claims (4)
1.一种便携式俘能电源，包括上半壳、下半壳、座桶、内壳、线圈、磁铁、惯性块、弹簧、电路板及USB接口，其特征在于：上半壳壁内侧设有均布的线圈、相互平行的凸环和上簧座，上簧座位于上半壳壁内侧顶部，上簧座孔由柱孔和梯形孔构成；下半球腔的上下两侧分别设有上端口和下端口，下半壳壁内侧设有均布的线圈和相互平行的凸环；内壳壁构成内球腔，内壳壁的顶部设有内腔端口、底部内侧设有下簧座，下簧座上下两端分别设有下簧座孔和内壳螺孔，内壳壁外侧均布有磁铁；上下半壳壁端部相连并构成外球壳和外球腔，外球壳装在座桶端部，座桶内装有电路板和USB接口；外球腔的各凸环内表面位于同一球面上，内壳置于外球腔内，内壳壁外表面与外球腔上各凸环的内表面接触；弹簧两端分别置于上簧座孔和下簧座孔内，内壳壁底部经摆杆装有惯性块。
2.根据权利要求1所述的一种便携式俘能电源，其特征在于：磁铁和线圈均为圆柱形且其直径相同，内壳上的磁铁总数不大于上半壳和下半壳上的线圈总数，两相邻磁铁间的距离不小于磁铁直径。
3.根据权利要求1所述的一种便携式俘能电源，其特征在于：上半壳、下半壳及内壳由轻质高分子材料经注塑而成。
4.根据权利要求1所述的一种便携式俘能电源，其特征在于：非工作时摆杆处于铅垂面内，某一线圈与其距离最近的相邻磁铁同轴或错开。
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