CN114050698A - 一种人体运动激励的自发电电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体运动激励的自发电电源，属新能源与微电子领域；主要包括壳体、盖板、摆体、惯性块、磁铁、线圈、弹簧及电路板，壳体经柔性带及销轴固定在小腿或手臂上；盖板装在壳体端口上，壳体左壳壁和盖板上装有线圈；摆体由摆轴、摆盘和摆杆构成，摆盘上装有磁铁；摆轴两端分别装置左壳壁和盖板上，摆杆上装有惯性块，摆杆经弹簧与壳体的前后壳壁相连；摆盘上粘有由基层、电极层和动摩擦层粘接成的动叠片，左壳壁和盖板上粘有由基层、电极层和定摩擦层粘接成的定叠片，动定摩擦层相互接触；相邻的线圈和磁铁构成电磁发电机，相邻的动叠片和定叠片形成摩擦发电机，工作时动叠片与定叠片及线圈与磁铁相对摆动并发电。

Description

一种人体运动激励的自发电电源

技术领域

本发明属于新能源与微电子应用技术领域，具体涉及一种人体运动激励的自发电电源，为微功率电子产品充电。

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装置或自发电电源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装置方面，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，故无法满足不同年龄、不同运动方式或运动强度等人群的应用需求。

发明内容

一种人体运动激励的自发电电源，主要包括壳体、盖板、摆体、惯性块、磁铁、线圈、弹簧及电路板，电路板上设有能量转换处理及充电单元。

壳体为右侧设有端口的长方形中空结构，盖板经螺钉安装在壳体的端口上，壳体的左壳壁和盖板上均设有轴座孔和线圈沉腔，轴座孔为盲孔，线圈沉腔均布；壳体的左壳壁和盖板上安装有线圈，线圈安装在线圈沉腔中；左壳壁外侧的前后两端均设有耳板，耳板的上下两端设有销孔，销轴的两端置于销孔内；壳体的上壳壁上安装有电路板和USB充电接口。

摆体由摆轴、两个摆盘和摆杆构成，摆轴与两个摆盘同轴，摆杆一端固定在摆轴的中心处，摆盘对称配置在摆杆的两侧，摆杆与摆轴垂直；两个摆盘上都均布地设有磁铁沉腔，两个摆盘上都安装有磁铁，磁铁置于磁铁沉腔内，磁铁的数量不大于线圈的数量的二分之一。

摆轴端部分别置于左壳壁和盖板上的轴座孔内，摆杆上经螺钉安装有惯性块；摆杆经弹簧与壳体的前壳壁和后壳壁相连，即摆杆与壳体的前壳壁和后壳壁之间都设有弹簧，弹簧与摆杆、前壳壁及后壳壁垂直；惯性块及弹簧在摆杆长度方向上的位置可调，即惯性块及弹簧与摆轴间的距离可调。

两个摆盘的外侧表面及与其相对的左壳壁和盖板上分别粘接有动叠片和定叠片，两个摆盘的外侧表面粘接有动叠片，左壳壁和盖板的内侧面上粘接有定叠片，动叠片和定叠片为两层或三层的结构；动叠片由基层、电极层和动摩擦层依次粘接而成，定叠片由基层、电极层和定摩擦层依次粘接而成；动叠片的基层粘接在摆盘上，定叠片的基层粘接在左壳壁和盖板的内侧面上，动摩擦层和定摩擦层相对且相互接触；基层为绝缘材料，电极层为金属材料，电极层由根部相互连接的扇形辐片构成；动摩擦层和定摩擦层分别为摩擦电序列相隔较远的两种材料，具体地，如：定摩擦层的材料为聚四氟乙烯，动摩擦层的材料为尼龙、铝或铜；特别地，定摩擦层的材料为聚四氟乙烯、电极层材料为铝或铜时，动叠片和定叠片之一可无需粘接摩擦层。

本发明中，线圈和与其相邻的磁铁构成电磁发电机，相邻的动叠片和定叠片上的动摩擦层和定摩擦层构成一个摩擦副，相邻的动叠片和定叠片形成摩擦发电机，各电磁发电机和摩擦发电机分别经独立的导线组及整流桥与电路板相连。

本发明中，摆体、弹簧及惯性块构成摆动系统，摆动系统的固有频率通过摆体、弹簧及惯性块的结构尺寸及空间位置参数等加以调节，以适应不同的行走及摆臂速率，以便在特定的摆动频率下使摆体产生足够大的相对摆动并驱动电磁发电机和摩擦发电机发电；摆动系统的固有频率为

，式中：ζ为阻尼比，k为弹簧的刚度，R1、R2、R3和R4分别为磁铁的质心到摆轴的距离、摆盘的半径、摆杆的长度和惯性块的质心到摆轴的距离，m1、m2、m3和m4分别为磁铁、摆盘、摆杆和惯性块的质量，x为弹簧到摆轴的距离，n为单个摆盘上安装的磁铁的数量，m为摆盘的数量。

本发明中，壳体经柔性带及销轴固定在小腿或手臂上；非工作时摆杆处于铅垂面内且弹簧与摆杆垂直；走路迈步和摆臂时，惯性块的惯性力迫使摆体摆动，两个相邻的动叠片与定叠片及线圈与磁铁相对摆动：定摩擦层与动摩擦层间往复地相对滑动接触与分离时，摩擦发电机工作并将机械能转换成电能；线圈与磁铁交替地靠近与分离时，线圈切割磁力线，电磁发电机工作，将机械能转换成电能；摩擦发电机和电磁发电机所产生的电能经转换处理后为便携式电子产品充电。

本发明中，电极层和由根部相互连接的扇形辐片构成，基层相对较厚，动叠片和定叠片上远离基层的表面并非平面，而是交替地凸起与凹陷，三叠层处为凸起、两叠层处为凹陷；因此，相邻的动叠片和定叠片相对滑动过程中动摩擦层和定摩擦层交替地接触与分离，从而在定叠片的电极层与动叠片的电极层之间产生往复的电荷流动，此为摩擦发电的原理与过程。

优势与特色：利用人体走路时踢腿及摆臂运动发电，便于携带与使用；摆动部件固有频率易于通过弹簧刚度和部件质量设计获得，出厂后还可通过改变调频块位置调整频率，调频方法简单易行、适用范围广；电磁与摩擦发电相结合，发供电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中自发电电源的结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是图1的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中摆体的结构示意图；

图6是图5的左视图；

图7是本发明一个较佳实施例中定叠片的结构示意图；

图8是图7的C-C剖视图；

图9是本发明一个较佳实施例中动叠片的结构示意图；

图10是图9的D-D剖视图；

图11是本发明一个较佳实施例中电极层的结构示意图。

具体实施方式

一种人体运动激励的自发电电源，主要包括壳体a、盖板b、摆体c、惯性块d、磁铁e、线圈f、弹簧g及电路板p，电路板p上设有能量转换处理及充电单元。

壳体a为右侧设有端口的长方形中空结构，盖板b经螺钉安装在壳体a的端口上，壳体a的左壳壁a1和盖板b上均设有轴座孔和线圈沉腔，轴座孔为盲孔，线圈沉腔均布；壳体a的左壳壁a1和盖板b上安装有线圈f，线圈f安装在线圈沉腔中；左壳壁a1外侧的前后两端均设有耳板a5，耳板a5的上下两端设有销孔，销轴n的两端置于销孔内；壳体a的上壳壁a4上安装有电路板p和USB充电接口u。

摆体c由摆轴c1、两个摆盘c2和摆杆c3构成，摆轴c1与两个摆盘c2同轴，摆杆c3一端固定在摆轴c1的中心处，摆盘c2对称配置在摆杆c3的两侧，摆杆c3与摆轴c1垂直；两个摆盘c2上都均布地设有磁铁沉腔，两个转盘c2上都安装有磁铁e，磁铁e置于磁铁沉腔内，磁铁e的数量不大于线圈f的数量的二分之一。

摆轴c1端部分别置于左壳壁a1和盖板b上的轴座孔内，摆杆c3上经螺钉安装有惯性块d；摆杆c3经弹簧g与壳体a的前壳壁a2和后壳壁a3相连，即摆杆c3与壳体a的前壳壁a2和后壳壁a3之间都设有弹簧g，弹簧g与摆杆c3、前壳壁a2及后壳壁a3垂直；惯性块d及弹簧g在摆杆c3长度方向上的位置可调，即惯性块d及弹簧g与摆轴c1间的距离可调。

两个摆盘c2的外侧表面及与其相对的左壳壁a1和盖板b上分别粘接有动叠片h和定叠片i，两个摆盘c2的外侧表面粘接有动叠片h，左壳壁a1和盖板b的内侧面上粘接有定叠片i，动叠片h和定叠片i为两层或三层的结构；动叠片h由基层h1、电极层h2和动摩擦层h3依次粘接而成，定叠片i由基层i1、电极层i2和定摩擦层i3依次粘接而成；动叠片h的基层h1粘接在摆盘c2上，定叠片i的基层i1粘接在左壳壁a1和盖板b的内侧面上，动摩擦层h3和定摩擦层i3相对且相互接触；基层h1和i1为绝缘材料，电极层h2和i2为金属材料，电极层h2和i2由根部相互连接的扇形辐片构成；动摩擦层h3和定摩擦层i3分别为摩擦电序列相隔较远的两种材料，具体地，如：定摩擦层i3的材料为聚四氟乙烯，动摩擦层h3的材料为尼龙、铝或铜；特别地，定摩擦层i3的材料为聚四氟乙烯、电极层h2和i2材料为铝或铜时，动叠片h和定叠片i之一可无需粘接摩擦层。

本发明中，线圈f和与其相邻的磁铁e构成电磁发电机，相邻的动叠片h和定叠片i上的动摩擦层h3和定摩擦层i3构成一个摩擦副，相邻的动叠片h和定叠片i形成摩擦发电机，各电磁发电机和摩擦发电机分别经独立的导线组及整流桥与电路板p相连。

本发明中，摆体c、弹簧g及惯性块d构成摆动系统，摆动系统的固有频率通过摆体c、弹簧g及惯性块d的结构尺寸及空间位置参数等加以调节，以适应不同的行走及摆臂速率，以便在特定的摆动频率下使摆体c产生足够大的相对摆动并驱动电磁发电机和摩擦发电机发电；摆动系统的固有频率为

，式中：ζ为阻尼比，k为弹簧g的刚度，R1、R2、R3和R4分别为磁铁e的质心到摆轴c1的距离、摆盘c2的半径、摆杆c3的长度和惯性块d的质心到摆轴c1的距离，m1、m2、m3和m4分别为磁铁e、摆盘c2、摆杆c3和惯性块d的质量，x为弹簧g到摆轴c1的距离，n为单个摆盘c2上安装的磁铁e的数量，m为摆盘的数量。

本发明中，壳体经柔性带及销轴n固定在小腿或手臂上；非工作时摆杆c3处于铅垂面内且弹簧g与摆杆c3垂直；走路迈步和摆臂时，惯性块d的惯性力迫使摆体c摆动，两个相邻的动叠片h与定叠片i及线圈f与磁铁e相对摆动：定摩擦层i3与动摩擦层h3间往复地相对滑动接触与分离时，摩擦发电机工作并将机械能转换成电能；线圈f与磁铁e交替地靠近与分离时，线圈f切割磁力线，电磁发电机工作，将机械能转换成电能；摩擦发电机和电磁发电机所产生的电能经转换处理后为便携式电子产品充电。

本发明中，电极层h2和i2由根部相互连接的扇形辐片构成，基层i1和h1相对较厚，动叠片h和定叠片i上远离基层i1和h1的表面并非平面，而是交替地凸起与凹陷，三叠层处为凸起、两叠层处为凹陷；因此，相邻的动叠片h和定叠片i相对滑动过程中动摩擦层h3和定摩擦层i3交替地接触与分离，从而在定叠片i的电极层i2与动叠片h的电极层h2之间产生往复的电荷流动，此为摩擦发电的原理与过程。

Claims (3)

1.一种人体运动激励的自发电电源，主要包括壳体、盖板、摆体、惯性块、磁铁、线圈、弹簧及电路板，电路板上设有能量转换处理及充电单元，壳体经柔性带及销轴固定在小腿或手臂上，其特征在于：盖板装在壳体端口上，壳体的左壳壁和盖板上都均布有线圈；摆体由摆轴、两个摆盘和摆杆构成，摆盘置于摆杆两侧，摆盘上均布装有磁铁，相邻的线圈和磁铁构成电磁发电机；摆轴端部分别置于左壳壁和盖板上的轴座孔内，摆杆上装有惯性块，摆杆经弹簧与壳体的前壳壁和后壳壁相连；摆盘的外侧表面粘有由基层、电极层和动摩擦层依次粘接成的动叠片，左壳壁和盖板的内侧面上粘有由基层、电极层和定摩擦层依次粘接成的定叠片，动摩擦层和定摩擦层相对且相互接触，动叠片和定叠片形成摩擦发电机；工作时两相邻的动叠片与定叠片及线圈与磁铁相对摆动，摩擦发电机和电磁发电机发电，电能经转换处理后为便携式电子产品充电。

2.根据权利要求1所述的一种人体运动激励的自发电电源，其特征在于：基层为绝缘材料，电极层为金属材料，电极层由根部相互连接的扇形辐片构成，动叠片和定叠片上远离基层的表面交替地凸起与凹陷。

3.根据权利要求1所述的一种人体运动激励的自发电电源，其特征在于：摆体、弹簧及惯性块所构成摆动系统的固有频率通过惯性块和弹簧在摆杆长度方向上的位置调节。

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