CN114564115B - 一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标及其自供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标及其自供电方法，属于无线鼠标技术领域，包括：鼠标壳体以及置于其中的发电装置、倍压整流电路和储能元件；发电装置包括：转子、转子支架、环形支架、转轴、线圈支架、线圈和发条；转子支架为空心圆柱，其一端固定于鼠标壳体的底板上，其内壁上设置有环形沟槽，环形支架设置于环形沟槽内，且可沿环形沟槽旋转；转子为球形磁体，通过转轴连接于环形支架上；线圈沿线圈支架的外表面排布；发条设置于转轴一端，且其两端分别与鼠标壳体和转轴相连；倍压整流电路，用于将发电装置产生的交流电转换为直流电压，给储能元件充能。本发明能够提高无线自供电鼠标中发电装置的发电功率，实现对鼠标的持续供电。

Description

一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标及其自供电方法

技术领域

本发明属于无线鼠标技术领域，更具体地，涉及一种基于陀螺仪的自供电鼠标及其自供电方法。

背景技术

近些年来，随着无线传输技术，微能量收集技术的发展，鼠标的形态发生了有线-无线-无线自供电的革新，无线自供电技术已成为鼠标未来发展方向之一。传统的无线鼠标依靠充电电池或干电池供电，因鼠标功耗较大，需频繁更换电池，不仅给消费者带来不便，增加了使用成本，更造成严重的资源浪费，并且废弃电池中含有大量的铅、汞等重金属有害物质，如果回收处理不妥当的话，会加重环境污染。而选用锂电池或镍氢可充电电池的无线鼠标往往需要频繁充电，如长时间不用或忘记充电，将给使用带来不便。

目前常见的鼠标自供电系统设计将收集能量集中在人体使用鼠标做功上，而实际使用中人体使用鼠标做功很小，以此为目标收集能量不足以给鼠标独立供电。

申请公布号为CN104750274A的发明专利公开了一种鼠标自供电系统。该自供电系统收集鼠标滚轮转动能量，并采用电磁感应及压电效应两种方式进行发电。通过利用鼠标滚轮转动，经过齿轮增速箱增速，完成闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，同时带动滑轮敲击悬臂梁式压电发电片，使两部分都能产生电能，并利用储能单元将两者电能合并,充入锂电池储存用以鼠标供电，充分收集了鼠标滚轮转动能量，提高了发电功率。但依靠鼠标滚轮转动的方式受人手指力量制约，较难产生很大的发电功率，不能实现持续独立对鼠标供电。

申请公布号为CN106125960A的发明专利公开了一种鼠标自供电系统。该自供电系统利用鼠标移动或晃动过程中导体的惯性，通过电磁感应进行发电。该系统由第一转轴，偏心轮，第一环状导体，第一磁体等组成。第一转轴与鼠标枢装连接，当鼠标被晃动或移动时，偏心轮受滚性力作用往复摆动，带动第一环状导体往复摆动，由于第一磁体固定在鼠标壳中，两者的相对运动导致第一环状导体环形截面的磁通量发生往复变化，产生感应电流输出。但该自供电系统的结构设计受导体惯性影响，无法应对鼠标剧烈运动的情况，导致发电功率存在一个较小的上限值。

总的来说，现有的无线自供电鼠标，由于结构和能量收集方式的限制，发电功率较低，无法持续对鼠标进行供电。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其目的在于，提高无线自供电鼠标中发电装置的发电功率，实现对鼠标的持续供电。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，包括：鼠标壳体，以及设置于鼠标壳体内的基于陀螺仪旋转的电磁式发电装置、倍压整流电路和储能元件；发电装置包括：转子、转子支架、环形支架、转轴、线圈支架、线圈和发条；转子支架为空心圆柱，其一端固定于鼠标壳体的底板上；转子支架的内壁上沿周向设置有与环形支架的形状相匹配的环形沟槽，环形支架设置于环形沟槽内，且可沿环形沟槽周向旋转；转子为球形磁体，通过转轴连接于环形支架上；线圈支架包括上支架和下支架，上支架和下支架相互分离地固定于鼠标机壳，且分别设置于转子的上、下侧；线圈沿线圈支架的外表面排布；发条设置于转轴一端，且其两端分别与鼠标壳体和转轴相连；倍压整流电路，其输入端与线圈的两端相连，其输入端与储能元件相连，用于将发电装置产生的交流电转换为直流电压，给储能元件充能。

本发明所提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其中的发电装置为基于陀螺仪原理的结构，其中的转子既可以沿转轴旋转，又可以沿环形沟槽旋转，且转子周围排布有线圈，基于该结构，在发电过程中，外部的旋转运动会转换为高速的磁体运动，以动铁的方式收集转子旋转机械能，有效提高发电功率，实现对鼠标的持续供电。

进一步地，线圈支架中的上支架和下支架均为空心半球壳，由此能够提高能量收集效率。

进一步地，线圈自中心面向上下两端排布；中心面为过转轴，且与转子支架端面平行的平面。

本发明中，发电装置中的感应电场在电场中心面紧贴磁体处取得最大值，并且向磁体外发散，逐渐减小；本发明中，线圈在线圈支架上自电场中心面向上下两端排布，能够取得较大的发电功率。

在一些可选的实施例中，线圈的排布形状为球形；采用这种线圈排布方式，每匝线圈的输出功率较大，提高线圈利用率。

在一些可选的实施例中，线圈的排布形状为圆柱形；采用这种线圈排布方式，线圈输出的总功率较大，整体发电功率较大。

进一步地，转子支架在鼠标壳体的底板上的安装位置处，设置有开口。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述基于陀螺仪的无线自供电鼠标的自供电方法，包括：使转子沿转轴转动第一预设时间后，释放转子并使转子随环形支架沿环形沟槽旋转第二预设时间。

由于在鼠标的实际使用过程中，可收集的能量较少，无法满足发电功率的要求，本发明将发电过程从鼠标的使用过程中分离出来，通过外加扭转力的方式使转子按照特定的方式旋转，基于陀螺仪原理，发电装置将收集到足够的能量并存储到储能元件中，实现对鼠标的持续供电。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：（1）本发明所提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其中的发电装置为基于陀螺仪原理的结构，其中的转子既可以沿转轴旋转，又可以沿环形沟槽旋转，且转子周围排布有线圈，基于该结构，在发电过程中，外部的旋转运动会转换为高速的磁体运动，以动铁的方式收集转子旋转机械能，有效提高发电功率，实现对鼠标的持续供电。

（2）本发明对于鼠标中发电装置的线圈排布方式进行了优化，通过球形排布方式，可使每匝线圈的输出功率较大；通过圆柱形排布方式，可是线圈总的输出电压较大；特定的线圈排布方式与陀螺仪旋转原理相配合，实现了机械能电能转化率的最大化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标的俯视图。

图2为本发明实施例提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标的侧视图。

图3为本发明实施例提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标的整体结构图。

图4为本发明实施例提供的发电装置示意图。

图5为本发明实施例提供的球形线圈的排布方式示意图。

图6为本发明实施例提供的球形线圈的排布方式纵切图。

图7为本发明实施例提供的陀螺仪原理图。

图8为本发明实施例提供的转子空间磁通密度模竖直方向分量分布图。

图9为本发明实施例提供的转子空间感应电压分布图。

图10为本发明实施例提供的球形线圈的电压与时间关系仿真图。

图11为本发明实施例提供的倍压整流电路的拓扑结构示意图。

图12为本发明实施例提供的圆柱形线圈的排布方式纵切图。

图13为本发明实施例提供的圆柱形线圈电压与时间关系仿真图。

图14为本发明实施例提供的陀螺仪运动关系示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1-鼠标壳体，2-转子，3-转子支架，4-环形支架，5-转轴，6-线圈支架，7-线圈，8-发条。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决现有的自供电无线鼠标中，发电系统的发电功率较低，无法对鼠标进行持续供电的技术问题，本发明提供了一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其整体思路在于：基于陀螺仪原理设计发电装置，通过转子和线圈相配合，将外在的低速旋转运动转换为内部的高速磁体运动，以动铁的方式，收集转子旋转机械能，提高能量收集效率和发电功率。

以下为实施例。

实施例1：一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，参阅图1、图2和图3，本实施例包括：鼠标壳体1，以及设置于鼠标壳体内的基于陀螺仪旋转的电磁式发电装置、倍压整流电路和储能元件。

参阅图1、图2、图3和图4，本实施例中，发电装置包括：转子2、转子支架3、环形支架4、转轴5、线圈支架6、线圈7和发条8；转子支架3为空心圆柱，其一端固定于鼠标壳体1的底板上；转子支架3的内壁上沿周向设置有与环形支架4的形状相匹配的环形沟槽，环形支架4设置于环形沟槽内，且可沿环形沟槽周向旋转；转子2为球形磁体，通过转轴5连接于环形支架4上；线圈支架6包括上支架和下支架，上支架和下支架相互分离地固定于鼠标机壳，且分别设置于转子2的上、下侧；线圈7沿线圈支架6的外表面排布；发条8设置于转轴5一端，且其两端分别与鼠标壳体1和转轴5相连；倍压整流电路，其输入端与线圈7的两端相连，其输入端与储能元件相连，用于将发电装置产生的交流电转换为稳定的直流电压，给储能元件充能。

可选地，本实施例中，整个发电装置的大小约为35mm×35mm×30mm，转子1的直径为25mm。

本实施例中，线圈支架6与鼠标壳体1固定，不与转子2一起旋转；参阅图5和图6，本实施例中，为了提高能量收集效率，线圈支架中的上支架和下支架均为球弧壳，两壳间留出足够空隙使转子沿沟槽旋转。本实施例中，两个球弧壳的内径13.5mm，外径14mm，球弧壳内表面与转子2的间隔为1mm。

参阅图5，本实施例中，线圈自中心面向上、下两端排布，其中，中心面为过转轴5，且与转子支架3端面平行的平面。

本实施例中，线圈的排布形状为球形，其组装方式及纵切面分别如图5和图6所示，线圈螺旋形均匀缠绕在球弧壳外表面上；可选地，本实施例中，球形线圈总匝数为200匝。

本示例中，转子系统为一个陀螺仪系统，其可以将外界的做功转换为转子动能；转子2可沿转轴5旋转，也可随环形支架4沿环形沟槽旋转，基于陀螺仪原理，转子2旋转时的原理图如图7所示，转子2旋转时，转轴5两端分别紧贴沟槽上、下表面，在外部扭转力的作用下，沟槽摩擦力对转轴5做功，使转子2高速旋转；传统的振动或晃动的动子设计，运动的频率和幅度与施加力直接相关，而本实施例中，转子设计基于陀螺仪，相比于传统的振动或晃动的动子设计，能够收集更大的做功功率。为了便于使转子2沿转轴5转动，给陀螺仪系统一个初始速度，本实施例中，转子支架3在鼠标壳体1的底板上的安装位置处，设置有开口。

本实施例中，转子2的空间磁通密度模竖直方向分量分布如图8所示，其中，中心面与转轴6重合；由图8可知，转子内部磁感线由S极指向N极，而在转子外，磁通密度模竖直分量主要集中于两极附近，而在分界面处为负值，在转子绕转轴旋转过程中，NS极方向不断调换，使竖直方向上的磁通变化率较大。

在有限元软件COMSOL中对转子2的空间感应电场分布进行仿真，考虑多匝线圈每 匝闭合平面均水平，故取磁体NS极连线水平时刻感应电场分布，此时电场方向与线圈绕向 相同，满足

，其中，

为每匝线圈感应电动势，

为平均感应电场，r为线 圈闭合平面半径，此时线圈电压取到最大值，取转子转速1800转/分，取空间分布纵切面，结 果如图9所示。

经过实验测试，在现有技术下线圈支架内表面与转子间隔1mm 为支架恰好不影响转子旋转的距离，故本实施例中感应电压场与磁体预留了1mm的间隔。由图9分析可知，感应电场在中心面z=0mm紧贴磁体处取得最大值，向磁体外发散逐渐减小；本实施例中，线圈自中心面向上、下两端排布，即将线圈从感应电场最大处开始，按感应电场从大到小的次序排布，由此能够控制线圈的感应电压与内阻；进一步由等值线可知，线圈在-10mm<z<10mm的排布范围内，发电装置较好的性能，故本实施例中，线圈的排布范围具体为-10mm<z<10mm，以获得较大的发电功率。

本实施例中，通过有限元对线圈电压进行仿真，球形线圈电压与时间的关系如图10所示，电压幅值14V，线圈内阻为8.61Ω。通过有限元对线圈电压的仿真结果可知，本实施例中采用球形的线圈排布方式，每匝线圈的输出功率较大，提高线圈利用率。

本实施例中，倍压整流电路和储能元件为将发电装置产生的电能进行整流储存的部分。可选地，本实施例中，倍压整流电路基于ADP5090，具体的电路拓扑如图11所示，ADP5090是一款集成式升压调节器，该器件可对储能元件（如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容）进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。输入电压源先经过一级倍压电路将交流整为直流后输入到ADP5090的输入端，ADP5090芯片提供稳定的DC-DC升压转换，ADP5090的BAT输出端接有储能元件用于储存电能，该芯片采用开路电压法对能量收集器进行最大功率跟踪，可有效提取能量。并在输出端采用了D触发器，反相器和P-MOSFET的组合，D触发器和反相器由端口SYS供电，触发器的D端口连接ADP5090的REF端口，而P-MOSFET的源极连接端口BAT，漏极连接传感器。在芯片输出端，SYS端口在ADP5090自启动完成后达到2.5V，可为D触发器和反相器提供工作电压。该组合可在传感器工作前出储存能量，不会因为传感器的启动放电导致电路始终无法正常工作。在储能阶段，触发器输出始终为低电平,传感器不供电,而当储能元件电压达到3.3V时，触发器的输出将由低电平变成REF端口高电平，传感器开始供电，自供电系统可进行供电。

本实施例提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，在转子转速为1200转/分条件下，所得到的直流电压波形显示，本实施例所采用倍压整流电路可将发电装置输出的交流电转换为稳定的4-5V空载电压，与现行鼠标的充电功率需求匹配。

本实施例提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其中发电装置的设计，通过线圈收集转子旋转的机械能并转化为电能，转子应用外加扭转力的陀螺仪旋转原理可以稳定维持高速旋转，并且，线圈的排布设计经过数学物理优化算法的考量，实现了机械能电能转化率的最大化，这两个因素使得线圈能够产生足够的电能，通过几分钟的发电储能即可满足一天的鼠标电能需求。

实施例2：一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，线圈7的排布形状为圆柱形，其纵切面如图12所示，圆柱形线圈总匝数为600匝；通过有限元对线圈电压的仿真结果可知，本实施例中采用这种线圈排布方式，线圈输出的总功率较大，整体发电功率较大。

圆柱形线圈电压与时间的关系如图13所示，电压幅值39V，线圈内阻为28Ω。

实施例3：一种上述实施例1或2提供的基于陀螺仪的无线自供电鼠标的自供电方法，包括：使转子沿转轴转动第一预设时间后，释放转子并使转子随环形支架沿环形沟槽旋转第二预设时间。

本实施例中，可通过鼠标壳体1底板上的开口，使转子沿转轴5转动，在此过程中， 可对发条8储能；达到预设时间后，释放转子，发条8的弹性是能转化为动子动能，转子获得 一定的初速度，与此同时，通过旋转或翻转鼠标等方式，使转子随环形支架沿环形构造旋 转，可对转子施加扭转力T，相应的扭矩为R，陀螺仪运动关系如图14所示。在扭矩R作用下， 转轴与环形沟槽两面产生摩擦力，使转子绕轴角速度变大，同时获得一个绕过沟槽圆心的 竖直轴的角速度

。T、

与

的关系可用

描述，其中J为球体转动惯量。当 转子转速稳定时，如图7，

与

有关系式

，

，其中，R₁表示转轴半径， R₂表示环形支架半径。

转子绕转子轴高速旋转过程中，磁体NS方向周期性变化，使多匝线圈闭合平面内 的磁通量周期性变化，从而在线圈中感应出交流电流。感应电流频率

，当磁体NS极 连线水平时取到电流幅值。感应电流幅值与磁体直径，剩磁大小，线圈匝数，转子角速度

正相关，与线圈内阻负相关。

在实际应用中，可根据具体的需要，选择采用上述球形或圆柱形的线圈排布方式，并且可根据实际工程需要灵活调整线圈匝数。

由于在鼠标的实际使用过程中，可收集的能量较少，无法满足发电功率的要求，本发明将发电过程从鼠标的使用过程中分离出来，通过外加扭转力的方式使转子按照特定的方式旋转，基于陀螺仪原理，发电装置将收集到足够的能量并存储到储能元件中，实现对鼠标的持续供电。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，包括：鼠标壳体，以及设置于所述鼠标壳体内的基于陀螺仪旋转的电磁式发电装置、倍压整流电路和储能元件；

所述发电装置包括：转子、转子支架、环形支架、转轴、线圈支架、线圈和发条；

所述转子支架为空心圆柱，其一端固定于所述鼠标壳体的底板上；所述转子支架的内壁上沿周向设置有与所述环形支架的形状相匹配的环形沟槽，所述环形支架设置于所述环形沟槽内，且可沿所述环形沟槽周向旋转；所述转子为球形磁体，通过所述转轴连接于所述环形支架上；

所述线圈支架包括上支架和下支架，所述上支架和所述下支架相互分离地固定于所述鼠标壳体，且分别设置于所述转子的上、下侧；所述线圈沿所述线圈支架的外表面排布；

所述发条设置于所述转轴一端，且其两端分别与所述鼠标壳体和所述转轴相连；

所述倍压整流电路，其输入端与所述线圈的两端相连，其输入端与所述储能元件相连，用于将所述发电装置产生的交流电转换为直流电压，给所述储能元件充能；

发电过程中，所述转子沿转轴旋转，同时随环形支架沿环形沟槽旋转，旋转时，转轴与环形沟槽两面产生摩擦力，使转子高速旋转；转子绕转轴高速旋转过程中，球形磁体NS方向周期性变化，使线圈闭合平面内的磁通量周期性变化，从而在线圈中感应出交流电流。

2.如权利要求1所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，所述线圈支架中的上支架和下支架均为空心半球壳。

3.如权利要求2所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，所述线圈自中心面向上下两端排布；

所述中心面为过所述转轴，且与所述转子支架端面平行的平面。

4.如权利要求3所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，所述线圈的排布形状为球形。

5.如权利要求3所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，所述线圈的排布形状为圆柱形。

6.如权利要求1~5任一项所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标，其特征在于，所述转子支架在所述鼠标壳体的底板上的安装位置处，设置有开口。

7.如权利要求1~6任一项所述的基于陀螺仪的无线自供电鼠标的自供电方法，其特征在于，包括：

使所述转子沿所述转轴转动第一预设时间后，释放所述转子并使所述转子随所述环形支架沿所述环形沟槽旋转第二预设时间。

Images