CN117717224A - 一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种基于磁电‑摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，包括背包本体、背带、背包上板、背包下板及连接于背包上下板之间的减振发电装置，该装置的减振部分包括减振缓冲单元和单轴直线导杆单元，发电部分包括由减振部分同步驱动的两供电单元，第一供电单元包括对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机和两组电磁发电器，第二供电单元包括单侧独立摩擦层式摩擦纳米发电机和一组电磁发电器，各电磁发电器包括均分别固定在相应摩擦纳米发电机动子和定子上的感应线圈和磁铁，背包本体、背包上板、摩擦纳米发电机的动子和感应线圈均与单轴直线导杆单元的滑块连接。本公开采用磁电‑摩擦电耦合式发电方式，提升背包发电量和能量收集效率。

Description

一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统

技术领域

本公开涉及箱包应用技术领域，具体为一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统。

背景技术

背包，作为一种便携式储物装置，在人们的日常生活中带来诸多便利。然而，传统背包都有一个共性的问题，即背包会随着人体走路或跑步等运动一起耦合浮动，这会带来额外的无用功，消耗人体能量和积累背负疲劳。同时，野外活动如科考探险、远足旅行、军事训练和消防救援等中，对便携式可穿戴设备的持续供能也是一种技术挑战。传统电源如电池等，存在固有的不足，如有限的容量和寿命、需要频繁的充电和充电源、回收利用困难等。因此，探索一种能够解耦背包与人体耦合运动的悬挂机构，使其两者间产生相对滑动，以减小负载振动幅度，达到减振省力的效果；同时利用背包与人体间的相对运动驱动电能收集模块以进行人体运动能量搜集，具有较大的现实应用与科学研究意义。

人体运动能量是一种可持续、绿色的能量源，如走路、跑步、屈膝等，将其作为能量源，利用电能收集模块将机械能转化为电能以供能电子器件，构建自供能电源系统，对野外的电源持续供给具有重要意义。当前，一种摩擦纳米发电机(Triboelectricnanogenerator,简称TENG)技术的研究正在兴起，它是利用摩擦发电和静电感应耦合效应来进行机械能收集，同时非常适合低频能量如人体运动能量的收集，且能量收集效率较电磁、压电等技术较高。

当前典型的融合TENG技术的背包系统，如2013年国际期刊《ACS Nano》第7卷第12期第11317-11324页中报道了一种放置于肩部带有菱形栅格式发电单元的背包系统，其利用TENG技术收集人体运动机械能和多层菱形栅格式结构来增加发电面积以提高输出电能；2017年国际期刊《Journal ofMaterials Chemistry C》第5卷第6期第1488-1493页中报道了一种放置于腰部来收集人体行走、跑步和腰弯曲等机械能的背包系统，其利用表面处理技术制造表面具有非规则结构的摩擦材料，以提高TENG接触摩擦的面积。并以此增加输出电能；另外，本申请人的课题组在2021年国际期刊《ACS Nano》第15卷第2期第2611-2623页报道了一种基于TENG技术的悬挂式能量收集背包系统，其利用悬挂系统实现减振省力和TENG技术收集人体运动能量，同时申请了一项关于TENG技术的背包系统国家发明专利(ZL201910573414.6)。然而，这几种基于TENG技术的背包系统存在以不足：第一，前两种背包技术并没有减振省力功能，无消减疲劳作用，且仅仅利用TENG的基本工作模式来进行人体运动能量收集，发电功率较低；第二，前两种背包结构并不是实际意义上的背包系统，它们仅仅是构造了一个基于TENG技术的发电模块并将其贴附在一个实际背包上，因此集成度不够，实用性不强。第三，课题组先前的背包系统，虽然实现了减振省力和人体运动能量收集，但其悬挂系统中的弹性体刚度调节机构操作困难、直线滑轨机构设计复杂实用性不强，因过度使用亚克力板等材料导致整体结构笨重，增加佩戴负担；同时初代背包系统同样仅仅利用TENG的基本工作模式，并没有融合电能提升如电磁发电等技术，因此发电功率和能量转化率较低。

现有技术：

[1]Weiqing Yang,Jun Chen,Guang Zhu,Jin Yang,Peng Bai,Yuanjie Su,Qingsheng Jing,Xia Cao,Zhong Lin Wang.Harvesting Energy from the NaturalVibration of Human Walking[J].ACS Nano,2013,7(12):11317-11324.https://doi.org/10.1021/nn405175z

[2]Arunkumar Chandrasekhar,Nagamalleswara Rao Alluri,VenkateswaranVivekananthan,Yuvasree Purusothaman,Sang-Jae Kim.A sustainable freestandingbiomechanical energy harvesting smart backpack as a portable-wearable powersource[J].Journal of Materials Chemistry C,2017,5(6):1488-1493.https://doi.org/10.1039/c6tc05282g

[3]Ze Yang,Yiyong Yang,Fan Liu,Zhaozheng Wang,Yinbo Li,Jiahao Qiu,Xuan Xiao,Zhiwei Li,Yijia Lu,Linhong Ji,Zhong Lin Wang,Jia Cheng.Powerbackpack for energy harvesting and reduced load impact[J].ACS Nano,2021,15(2):2611-2623.https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07498

[4]程嘉,杨泽,季林红,路益嘉,李银波.一种基于摩擦生电的能量收集与减负背包[P].北京市:CN110269379B,2021-06-04.https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v＝kxaUMs6x7-4I2jr5WTdXti3zQ9F92xu0jPYZ-6FemR80TpIUx9Y4vqcnVsRAJxFmz1ks88kUfuL7errdukqwr6aLd9xBRYrm&uniplatform＝NZKPT

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本公开提供一种基于磁电-摩擦电耦合式发电的能量收集背包系统，本背包系统基于磁电-摩擦电耦合的发电技术，既能够实现更轻型的减振省力，且能够显著提升电能输出性能。

为实现上述目的，本公开提供如下技术方案：

本公开提供的一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，包括背包本体、背带、与所述背包本体连接的背包上板、与所述背带连接的背包下板以及连接于所述背包上板和背包下板之间的减振发电装置，所述减振发电装置包括减振部分和发电部分；

所述减振部分，包括减振缓冲单元和一对单轴直线导杆单元；所述减振缓冲单元，包括一对滑轮组，与各滑轮组配套设置的滑轮组基座、弹性绳和棘轮组件，以及用于将各滑轮组和棘轮组件与所述背包下板进行固定的支撑板；各滑轮组均包括分别固定于相应滑轮组基座和所述支撑板且上下错位设置的两个定滑轮，所述弹性绳一端缠绕于所述棘轮组件上，另一端依次相切绕过所述滑轮组中的两个定滑轮后固定于所述发电部分；所述单轴直线导杆单元，包括固定于所述背板下板的导杆基座、固定于所述导杆基座上的直线导杆、装配于所述直线导杆上的滑块和固定于所述滑块上的动子连接件，所述动子连接件与所述发电部分连接；

所述发电部分，包括由所述减振部分同步驱动且由所述背包下板至所述背包上板方向依次叠设的第一供电单元和第二供电单元，所述第一供电单元包括对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机和两组电磁发电器，所述第二供电单元包括单侧独立摩擦层式摩擦纳米发电机和一组电磁发电器，每组所述电磁发电器包括固定在相应摩擦纳米发电机的动子上的感应线圈和固定在相应摩擦纳米发电机的定子上的磁铁，所述背包本体、所述背包上板、各摩擦纳米发电机的动子和各感应线圈一同与所述动子连接件固定连接。

在一些实施例中，所述棘轮组件的受力平面与所述弹性绳所在平面重合，所述棘轮组件包括由间隔固定于所述支撑板端部的两吊耳组成的棘轮基座、通过长螺栓连接于所述棘轮基座的棘轮件以及套设于所述长螺栓上的棘轮弹簧；所述棘轮件由共轴且固定连接的棘轮盘和棘轮杆组成，所述棘轮盘和所述棘轮杆的中轴线处设有供所述长螺栓穿过的通孔，在所述棘轮基座的一个吊耳上成型有棘轮卡槽，所述棘轮卡槽和所述棘轮盘具有相啮合的齿部并将所述棘轮盘内嵌于所述棘轮卡槽，通过所述长螺栓的松紧调整所述棘轮盘和所述棘轮卡槽之间的接触状态为彼此啮合或可相对旋转，所述弹性绳的一端缠绕于所述棘轮杆上，通过转动所述棘轮件改变所述弹性绳的工作长度，进而改变所述背包上板与所述背包下板之间的相对位置。

在一些实施例中，所述第一供电单元中摩擦纳米发电机的定子包括依次设置的第一电极基板、第一电极和摩擦层a1，且所述摩擦层a1相较于所述第一电极基板更靠近所述动子设置；所述第一供电单元中摩擦纳米发电机的动子包括与所述动子连接件连接的第一驱动板，在所述第一驱动板面向所述定子的两侧分别固定设有摩擦层a2，所述第一电极基板的尺寸应覆盖所述第一驱动板的运动范围。

在一些实施例中，设置在所述第一电极基板上的所述第一电极呈格栅形式布设，所述第一驱动板面向所述定子的两侧设有相同的栅格式凸起结构，所述凸起结构与所述第一电极的格栅形式的布设方式保持一致。

在一些实施例中，所述第一供电单元中的两组电磁发电器对称设置于所述第一驱动板的两侧，其中，在所述第一驱动板两侧的栅格式凸起结构上以相同方向分别缠绕一根闭合的线圈形成第一感应线圈，在所述第一电极基板所述背向摩擦层a1的一面固定设有第一磁铁基座，在所述第一磁铁基座面向所述第一感应线圈的一面上设有呈周期性分布的若干第一磁铁，所述第一电磁铁的宽度与所述凸起结构的宽度一致。

在一些实施例中，所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的定子包括由所述背板下板至所述背包上板方向依次叠设的第二电极基板、第二电极和摩擦层b1；所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的定子动子包括与所述动子连接件连接的第二驱动板，在所述第二驱动板面向定子的一侧固定设有摩擦层b2，所述第二电极基板的尺寸应覆盖所述第二驱动板的运动范围。

在一些实施例中，设置在所述第二电极基板上的所述第二电极呈格栅形式布设，所述第二驱动板面向所述定子的两侧设有相同的栅格式凸起结构，所述凸起结构与所述第二电极的格栅形式的布设方式保持一致。

在一些实施例中，所述第二供电单元中的电磁发电器设置在所述第二驱动板面向所述定子的一侧，其中，在所述第二驱动板一侧的栅格式凸起结构上以相同方向缠绕一根闭合的线圈形成第二感应线圈，在所述第二电极基板背向所述摩擦层b1的一面固定设有第二磁铁基座，在所述第二磁铁基座面向所述第二感应线圈的一面上设有呈周期性分布的第二磁铁，所述第二电磁铁的宽度与所述凸起结构的宽度一致。

在一些实施例中，所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的动子依次通过缓冲垫和背板上板连接件与所述背包上板固定连接。

在一些实施例中，所述背板上板连接件采用由上板、下板和连接于两板之间的腹板形成的箱型结构，使得所述第一供电单元、所述第二供电单元和所述背板上板连接件的厚度之和与所述直线导杆和所述动子连接件的厚度之和相当。

本公开具有如下有益效果：

本公开实施例提供的一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，采用磁电-摩擦电耦合式发电模块结构与发电方式，可显著提升背包发电量和能量收集效率。该背包采用分离式组装设计，使背包本体和背负结构可以分离携带，主要功能实现模块包括减振部分和发电部分，使背包能够减轻背负重物对人体的冲击作用，实现缓震效果。同时，利用人体与背包间的相对滑动驱动发电部分进行人体运动能量收集。本公开的磁电-摩擦电耦合式发电方式能够实现利用背包中单个动子的垂直运动，同时驱动TENG发电和电磁发电的同步进行，较传统发电模式提升了输出电能，使整体结构更加紧凑、重量更加轻型。

附图说明

图1为本公开实施例提供的能量收集背包系统的整体结构示意图；

图2为图1所示的能量收集背包系统中部分结构的爆炸示意图；

图3为图1所示的能量收集背包系统的整体结构爆炸示意图；

图4为图1所示的能量收集背包系统中减振缓冲单元的结构示意图；

图5中(a)和(b)分别为图4所示减振缓冲单元中棘轮组件的整体结构示意图和爆炸示意图；

图6为图1所示能量收集背包系统中单轴直线导杆单元的结构示意图；

图7为图1所示能量收集背包系统中第一供电单元的结构爆炸示意图；

图8为图7所示第一供电单元中电磁发电器的结构爆炸示意图；

图9为图1所示能量收集背包系统中第二供电单元的结构爆炸示意图；

在图1至图9中：

10.背包本体；11.背包上板；12.背包上板连接件；15.背包下板；16.背带；20.减振发电装置；100.第一供电单元；101.第一电极基板；102.第一电极；103.摩擦层a1；104.摩擦层a2；105.第一驱动板；106.第一感应线圈；107.第一磁铁基座；108.第一磁铁；200.第二供电单元；201.第二电极基板；202.第二电极；203.摩擦层b1；204.第二摩擦层b2；205.第二驱动板；206.第二感应线圈；207.第二磁铁基座；208.第二磁铁；209.缓冲垫；310.减振缓冲单元；311.滑轮组；312.滑轮组基座；313.弹性绳；314.棘轮组件；3140.长螺栓；3141.棘轮件；3142.棘轮卡槽；3143.吊耳；3144.棘轮弹簧；315.支撑板；320.单轴直线导杆单元；321.动子连接件；322.滑块；323.直线导杆；324.导杆基座。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

请参阅图1-6，本公开实施例提供的一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，包括背包本体10、背带16、与背包本体10可拆卸连接的背包上板11(本实施例中将背包本体10通过螺栓连接于背包上板11，可将背包本体10的尺寸更改为合适的尺寸大小以满足需求)、与背带16配合连接的背包下板15以及通过螺栓连接安装于背包上板11和背包下板15之间的减振发电装置20。其中，背包本体10用以盛装物品，背带16优选为双肩带形式。通常情况下，背包本体10、背带16和减振发电装置20组成一体联合使用。

所述减振发电装置20包括减振部分和发电部分两部分，减振部分用于约束背包本体10的运动自由度，使得背包上板11和背包下板15之间产生沿直线导杆轴向的相对滑动，并实现背包上板11和背包下板15之间的运动解耦以减轻人体负重，同时，减振部分还作为发电部分的驱动组件将背包本体10的惯性作用力作为动力输入至发电部分；发电部分基于磁电-摩擦电耦合效应将减振部分输入的动力转换为电能供外部的用电器件使用。其中：

减振部分由均关于背包下板15左右对称装配的减振缓冲单元310一对单轴直线导杆单元320组成。减振缓冲单元310包括一对左右对称安装的滑轮组311，与各滑轮组311配套设置的滑轮组基座312、弹性绳313和棘轮组件314，以及用于将各滑轮组311和棘轮组件314与背包下板15进行安装固定的支撑板315；各滑轮组311均包括分别固定于相应滑轮组基座312和支撑板315且上下错位设置的两个定滑轮，弹性绳313(每个滑轮组中配有一根弹性绳313)一端缠绕于棘轮组件314上，另一端依次相切绕过滑轮组311中的两个定滑轮后固定连接于背包上板连接件12上；一对单轴直线导杆单元320固定装配于背包下板15的左右两侧，两侧单轴直线导杆单元320左右对称布置且具有相同的机械结构，均分别包括固定于背板下板15面向背包上板11一侧的导轨基座324、固定于导轨基座324上的直线导杆323、装配于直线导杆323上的滑块322和固定于滑块322上的动子连接件321，该动子连接件321与发电部分连接，用于实现动力输入；通过单轴直线导杆单元320约束背包本体10的运动自由度，使得背包上板11和背包下板15之间产生沿直线导杆轴向的相对滑动，与减振缓冲单元310互相配合实现背包上板11和背包下板15之间的运动解耦，同时，减振部分还作为发电部分的驱动组件将背包本体10的惯性作用力作为动力输入至发电部分。

发电部分包括由减振部分同步驱动且由背包下板15至背包上板11方向依次叠设的第一供电单元100和第二供电单元200；第一供电单元100包括对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机和两组电磁发电器，第二供电单元200包括单侧独立摩擦层式摩擦纳米发电机和一组电磁发电器，每组电磁发电器包括固定在相应摩擦纳米发电机的动子上的感应线圈和固定在相应摩擦纳米发电机的定子上的磁铁，背包本体10、背包上板11、各摩擦纳米发电机的动子和各感应线圈一同与动子连接件321固定连接，当人体背负该背包行走时，背包本体10通过背包上板11和减振缓冲单元310将背包本体10的惯性作用力传递给第一供电单元100中摩擦纳米发电机的动子，该动子带动第一供电单元100和第二供电单元200的摩擦纳米发电机中各摩擦组件进行滑动摩擦并产生相应电荷(其中，第一供电单元100内摩擦纳米发电机的层数多于第二供电单元200内摩擦纳米发电机的层数，可增加摩擦发电机产生的电荷)，同时每组电磁发电器中的磁铁产生磁场，而感应线圈随动子的滑动做切割磁感线运动，根据电磁感应定律，在感应线圈内产生感应电流，最终实现磁电-摩擦电耦合发电效果，以增加电能输出。

本公开实施例提供的能量收集背包系统中除了减振发电装置20以外的组成部件皆与普通背包无异，因此，下文主要对减振发电装置20的具体实现方式做详细说明。

在一些实施例中，参见图4，减振缓冲单元310包括一对滑轮组311、与各滑轮组配套设置的一根弹性绳313和一个固定于背包下板15顶部的棘轮组件314，各滑轮组311包括固定于背包下板15且上下错位设置的两个滑轮311，各上滑轮分别通过相应的一个滑轮组基座312与固定于背包下板15上部的支撑板315固连(本实施例中，各滑轮组基座312分别通过螺钉固接于支撑板315上)，各下滑轮分别通过相应的一个滑轮组基座与背包下板15的下部固连。各弹性绳313依次相切穿过相应滑轮组311中的各滑轮槽，且滑轮组311与弹性绳313处于同一平面内，保证弹性绳313不受端面拉力；弹性绳313的材料可为弹性橡胶或尼龙。参见图5中(a)、(b)，各棘轮组件314包括由通过螺钉间隔固接于支撑板315端部的两吊耳3143组成的棘轮基座、通过长螺栓3140连接于该棘轮基座的棘轮件3141以及套设于长螺栓3140上的棘轮弹簧3144；棘轮件3141由共轴设置的棘轮盘和棘轮杆固定连接组成，棘轮盘和棘轮杆的中轴线处设有供长螺栓3140穿过的通孔，在棘轮基座的一个吊耳3143上成型有棘轮卡槽3142，该棘轮卡槽3142和棘轮盘具有相啮合的齿部并将棘轮件3141的棘轮盘内嵌于棘轮卡槽3142，通过长螺栓3140的松紧调整棘轮盘和棘轮卡槽3142之间的接触状态为彼此啮合或可相对旋转，具体为当长螺栓3140松开时，棘轮盘与棘轮卡槽3142可相对旋转，而弹性绳313的一端缠绕于棘轮件3141的棘轮杆上，通过转动棘轮件3141改变弹性绳313的工作长度，进而改变背包上板11与背包下板15之间的相对位置；当长螺栓3140旋紧时，棘轮盘与棘轮卡槽3142啮合已进行弹性绳313的固定。本实施例提供的棘轮组件314采用棘轮盘内嵌于棘轮卡槽3142的形式，具有较高的安全可靠度；同时此棘轮组件314的受力平面与弹性绳313所在平面重合，不存在力偏心作用，增加了安全性；另外，此棘轮组件314结构集成度也相对较高，仅通过长螺栓3140的松紧实现弹性绳313长度刚度的调节，操作相对简单；最后，棘轮组件314的结构容易制造，且制作成本低。

在一些实施例中，参见图6，为位于背包下板15一侧的单轴直线导杆单元320，直线导杆323的两端分别通过一个导杆基座324固定安装于背包下板15上。为了保证第一驱动板105和第二驱动板205能够始终在平面内滑动以确保摩擦层材料紧密接触，也即实现平板状的驱动板没有端面移动，直线导杆323上设有两个滑块322。每个滑块322上固定设有一个动子连接件321，通过该动子连接件321同时将第一供电单元100和第二供电单元200内的动子连接于滑块322上，实现对两供电单元的同步驱动。本实施例中采用直线导杆，使负载的可振动行程变长，减小了振动冲击，拓宽了背包可载重物的质量范围，且有效防止背包侧倾或侧翻，安全性更高；同时具有更好的固定、减阻和安装简单、方便的优势。

可以理解的是，减振缓冲单元310中的弹性绳313一端连接背包上板11，另一端通过上下定滑轮组301连接于与背包下板15固定连接的支撑板315；背包上板11同时通过滑块322连接于直线导杆323，因此背包上板11可带动背包本体10一起在直线导杆323上滑动，产生相对于背包下板15的相对滑动，此相对滑动进而驱动发电部分进行磁电-摩擦电耦合效应式的人体运动能量收集，完成机械能向电能的转化。

在一些实施例中，参见图7，第一供电单元100中的摩擦纳米发电机采用对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机，包括动子部分和对称设置于动子部分两侧的定子部分，定子部分包括依次设置的第一电极基板101、第一电极102和摩擦层a1103，且摩擦层a1相较于第一电极基板101更靠近动子部分设置，摩擦层a1应完全覆盖第一电极102；动子部分包括通过连接件(如螺栓)与动子连接件321连接的第一驱动板105，在第一驱动板105面向定子部分的两侧分别固定设有摩擦层a2104，为了满足摩擦纳米发电机的发电原理，摩擦层a1和摩擦层a2为两种不同电负性的薄膜材料。具体地，第一电极基板101上面向动子部分的一侧蒸镀有一层不相连的金属导电电极作为第一电极102，且第一电极102为栅格形式分布，以此来提高第一供电单元100中摩擦纳米发电机的电荷输出效率，第一电极基板101、第一电极102和摩擦层a1组成一个整体固定于背包下板15面向背包上板11的一面；第一驱动板105面向定子部分的两侧设有相同的栅格式凸起结构，优选地，该格栅式凸起结构与第一电极102的格栅形式的布设方式保持一致，两侧凸起结构表面皆设有一层摩擦层a2，第一电极基板101的尺寸应覆盖第一驱动板105的运动范围。

在一些实施例中，参见图9，第一供电单元100中的两组电磁发电器对称设置于第一驱动板105的两侧，具体地，在第一驱动板105两侧的栅格式凸起结构上以相同方向(顺时针或逆时针方向取决于感应电流的输出方向)分别缠绕一根闭合的线圈(可采用铜线圈)形成第一感应线圈106，在第一电极基板101背向摩擦层a1103的一面固定设有第一磁铁基座107，在第一磁铁基座107面向第一感应线圈106的一面上设有呈周期性分布的第一磁铁108。为了实现切割磁感线的电磁感应式发电，并在第一感应线圈106中感应出同向电流，第一磁铁108按照N、S极性交替排布于第一磁铁基座107上，且第一磁铁108的宽度与环绕式的第一感应线圈106的宽度(具体为格栅式凸起结构的宽度)相同，以保证运动中的第一感应线圈106始终处于同一极性的第一磁铁108产生的磁场中，增大感应电流。第一电极基板101、第一电极102、摩擦层a1103、第一磁铁基座107和第一磁铁108均作为第一供电单元100内的固定组件即定子部分一同与背包下板15固定连接，第一驱动板105及其两侧的摩擦层a2104和第一感应线圈106均作为第一供电单元100内的运动组件即动子部分通过动子连接件321随滑块322同步滑动。

可以理解的是，当第一驱动板105在随滑块322滑动的过程中，摩擦层a2和摩擦层a1相互接触摩擦，接触界面由于材料电负性不同而带上等量异种电荷，在两摩擦层界面中形成静电场，基于静电感应原理，第一电极102表面的电荷跟随第一驱动板105的运动而重新分布并持续不断进行，一块第一电极基板101上不相连的第一电极102的两个输出端作为第一供电单元的第一交流输出端从而对外输出等量的异种电荷，同样的，另一块第一电极基板101上不相连的第一电极102的两个输出端作为第一供电单元100的第二交流输出端从而对外输出等量的异种电荷。同时，第一感应线圈106随着第一驱动板105滑动做切割磁感线运动，根据电磁感应定律，闭合导体内部将同时产生感应电流，故第一感应线圈106内部将产生对应的感应电流，实现磁电-摩擦电耦合能量收集。

在一些实施例中，参见图9，第二供电单元200中的摩擦纳米发电机采用单侧独立摩擦层式摩擦纳米发电机，结构与第一供电单元100中摩擦纳米发电机一侧的结构相同，第二供电单元200与第一供电单元100一同输出电能。第二供电单元200中的摩擦纳米发电机包括动子部分和位于动子部分面向背包下板15一侧设置的定子部分，定子部分包括由背板下板15至背包上板11方向依次叠设的第二电极基板201、第二电极202和摩擦层b1203，摩擦层b1应完全覆盖第二电极202；动子部分包括通过连接件(如螺栓)与动子连接件321连接的第二驱动板205，在第二驱动板205面向定子部分的一侧固定设有摩擦层b2204，为了实现摩擦纳米发电机的工作，摩擦层b1和摩擦层b2采用两种不同电负性的薄膜材料。具体地，第二电极基板201上面向动子部分的一侧蒸镀有一层不相连的金属导电电极作为第二电极202，且第二电极202为栅格形式分布，以此来提高第二供电单元200中摩擦纳米发电机的电荷输出效率，第二电极基板201、第二电极202和摩擦层b1组成一个整体固定于背包下板15面向背包上板11的一面；第二驱动板205面向定子部分的一侧设有相同的栅格式凸起结构，优选地，该格栅式凸起结构与第二电极202的格栅形式的布设方式保持一致，该侧凸起结构表面皆设有一层摩擦层b2，第二电极基板201的尺寸应覆盖第二驱动板205的运动范围。第二驱动板205依次通过缓冲垫(如海绵垫)209、背包上板连接件12与背包上板11固定连接，缓冲垫(如海绵垫)209的作用为减震缓冲，以减少运动组件在往复滑动过程中的振动，同时确保摩擦层b1203和摩擦层b2204之间的紧密接触，提高自身的电容容量和作为摩擦纳米发电机的电荷产生效率。背包上板连接件12采用由上板、下板和连接于两板之间的腹板形成的箱型结构，该箱型结构中的上板与背包上板11通过螺栓固定连接。背包上板连接件12一方面起连接背包上板11和第二供电单元200的作用，同时提供一定的垂直空间(指沿背板上板11和背包下板15间距方向的尺寸)，使得弹性绳313可以有伸长和缩短的空间，使得发电单元的垂直厚度具体为第一供电单元100、第二供电单元200与背包上板连接件12的厚度之和与直线导杆323和动子连接件321的厚度之和相当，使背包的核心功能结构在背包上板11和背包下板15之间，增加集成度，结构更加紧凑。第二供电单元200中的电磁发电器设置在第二驱动板205面向定子部分的一侧，具体地，在第二驱动板205一侧的栅格式凸起结构上以相同方向(顺时针或逆时针方向取决于感应电流的输出方向)缠绕一根闭合的线圈(可采用铜线圈)形成第二感应线圈206，在第二电极基板201背向摩擦层b1203的一面固定设有第二磁铁基座207，在第二磁铁基座207面向第二感应线圈206的一面上设有呈周期性分布的第二磁铁208。为了实现切割磁感线的电磁感应式发电，并在第二感应线圈206中感应出同向电流，第二磁铁208按照N、S极性交替排布于第二磁铁基座207上，且第二磁铁208的宽度与环绕式的第二感应线圈206的宽度(具体为格栅式凸起结构的宽度)相同，以保证运动中的第二感应线圈206始终处于同一极性的第二磁铁208产生的磁场中，增大感应电流。第二电极基板201、第二电极202、摩擦层b1203、第二磁铁基座207和第二磁铁208均作为第二供电单元200内的固定组件即定子部分一同与背包下板15固定连接，第二驱动板105及其一侧的摩擦层b2204和第二感应线圈206均作为第二供电单元200内的运动组件即动子部分通过动子连接件321随滑块322同步运动。当第二驱动板205在随滑块322滑动的过程中，摩擦层b2和摩擦层b1相互接触摩擦，接触界面由于材料电负性不同而带上等量异种电荷，在两摩擦层界面中形成静电场，基于静电感应原理，第二电极202表面的电荷跟随第二驱动板205的运动而重新分布并持续不断进行，第二电极基板201上不相连的第二电极202的两个输出端作为第二供电单元的交流输出端从而对外输出等量的异种电荷。同时，第二感应线圈206随着滑动做切割磁感线运动，根据电磁感应定律，闭合导体内部将同时产生感应电流，故第二感应线圈206内部将产生对应的感应电流，实现磁电-摩擦电耦合式能量收集。

本公开的工作原理，叙述如下：

使用该背包时，将重物放入背包本体10，根据背包本体10内装有重物的质量来调整棘轮组件314，改变弹性绳313的松紧程度以适配对应的背负重量，达到减振缓冲的目的。具体为，若背负质量过大而导致背包本体10过于下垂，说明弹性绳313的收缩力不足以承受所背负的质量，此时需要调整棘轮组件314以增加弹性绳313的预紧力，从而使弹性绳313的收缩力足以承受当前的背负质量，使得背包本体10悬浮在中间平衡位置，此时，单轴直线导杆单元310的滑块322基本位于直线导杆323有效工作长度的中点位置。

随后，人的双臂伸入背包的背带16以正常使用背包，当人背着背包进行行走或奔跑时，由于人体运动机制，人体的重心会在垂直于地面方向上产生上下往复波动，此时背包本体10在滑轮组311、弹性绳313和单轴直线导杆单元320协同作用下与人体运动解耦，从而实现背包本体10相对于背包下板15进行相对滑动，背包本体10相对于地面的绝对位移则较小或几乎没有。具体为，当人在向前行走时，由双直立支撑状态变为双交叉支撑状态，人体重心会在行走跨步的瞬间下降，人体重心会先于背包相对地面降低。又由于背包本体10固定于背包上板11上，背包上板11通过背包上板连接件12固定在动子连接件321上，动子连接件321跟随滑块322进行直线运动，同时又由于弹性绳313依次绕过上下两个定滑轮的滑轮槽，定滑轮皆通过螺栓连接于滑轮组基座312上，滑轮组基座312分别通过螺栓连接设置在背包下板15和支撑板315上，弹性绳313一端缠绕于棘轮组件314上，另一端则绕过滑轮组311后固定于背包上板连接件12上，于是背包本体10可以通过单轴直线导杆单元320相对于背包下板15进行相对滑动。当人向前行走跨步时，人体重心下降的同时通过背带16带动背包下板15共同下降，弹性绳313随之被拉伸，滑块322同时与直线导轨323发生相对滑动，最终通过弹性绳313被拉伸延长的长度来实现背包本体10与背包下板15的相对位移，从而使背包本体10相对于地面的绝对位移较小或者几乎为零，而人体重心上升的过程则与下降的过程相似，因此，当人体行走或奔跑时，人体重心产生上下位移，背包本体10与背包下板15产生相对滑动，同时背包本体10相对地面呈现为“悬浮”状态，使得背包的重物质量对人体的冲击作用减少，实现减振缓冲、省力以及缓解人体肩部压力的效果。

第一供电单元100的第一驱动板105与第二供电单元200的第二驱动板205通过螺栓连接一同固定于动子连接件321上，通过单轴直线导杆单元320保证供电单元运动组件的运动轨迹，第一驱动板105和第二驱动板202同时又连接于背包上板连接件12，第二驱动板205和背包上板连接件12之间加有缓冲垫209以保证摩擦层b1和摩擦层b2之间紧密接触以及运动过程的减振缓冲，背包上板连接件12通过螺栓连接固定于背包上板11上，因此当人体行走或奔跑时，背包本体10与背包下板15产生相对滑动，同时将使第一供电单元100的运动组件与第二供电单元200的运动组件产生同步移动，其中第一供电单元100的运动组件包括摩擦层a2、第一驱动板105和缠绕于第一驱动板105两侧的第一感应线圈106，第二供电单元200的运动组件包括第二驱动板205、摩擦层b2和缠绕于第二驱动板205一侧的第二感应线圈206。在运动组件往复运动的过程中，各摩擦层间由于摩擦材料电负性不同，使得各个接触摩擦层带上等量异种电荷，同时在摩擦层之间会形成静电场，基于静电感应原理，第一电极102表面电荷跟随第一驱动板105的运动、第二电极202表面电荷跟随第二驱动板205的运动而重新分布并持续进行，不相连的各电极的两个输出端从而对外输出等量的异种电荷。同时，各驱动板侧面缠绕有感应线圈，而周期性分布于磁铁基座上的磁铁将组成周期性磁场阵列，在磁铁基座周围产生磁感应强度不同且周期性分布的磁场，两驱动板在外界驱动作用下滑动的过程中，闭合的感应线圈将随着滑动做切割磁感线运动，根据电磁感应定律，闭合导体内部将产生感应电流，故感应线圈内部将产生感应电流，实现磁电-摩擦电耦合式能量收集。

综上所述，本公开实施例提出一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，利用TENG技术以构建电能收集模块，并融合电磁发电技术，以提高机械能向电能转换的能量转化效率，最后将其作为整体集成于背包的悬挂系统中，以此构建既可以减振省力也可进行人体运动能量收集的新型背包系统，有助于解决野外活动中背负疲劳积累和电源持续供给的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“上下”、“左右”“共面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“固连”、“固接”、“粘附”、“胶接”、“粘结”、“涂覆”、“锁紧”等术语应做广义理解，例如，可以是固连连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连等，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于磁电-摩擦电耦合效应的能量收集背包系统，其特征在于，包括背包本体、背带、与所述背包本体连接的背包上板、与所述背带连接的背包下板以及连接于所述背包上板和背包下板之间的减振发电装置，所述减振发电装置包括减振部分和发电部分；

所述减振部分，包括减振缓冲单元和一对单轴直线导杆单元；所述减振缓冲单元，包括一对滑轮组，与各滑轮组配套设置的滑轮组基座、弹性绳和棘轮组件，以及用于将各滑轮组和棘轮组件与所述背包下板进行固定的支撑板；各滑轮组均包括分别固定于相应滑轮组基座和所述支撑板且上下错位设置的两个定滑轮，所述弹性绳一端缠绕于所述棘轮组件上，另一端依次相切绕过所述滑轮组中的两个定滑轮后固定于所述发电部分；所述单轴直线导杆单元，包括固定于所述背板下板的导杆基座、固定于所述导杆基座上的直线导杆、装配于所述直线导杆上的滑块和固定于所述滑块上的动子连接件，所述动子连接件与所述发电部分连接；

所述发电部分，包括由所述减振部分同步驱动且由所述背包下板至所述背包上板方向依次叠设的第一供电单元和第二供电单元，所述第一供电单元包括对称型独立摩擦层式摩擦纳米发电机和两组电磁发电器，所述第二供电单元包括单侧独立摩擦层式摩擦纳米发电机和一组电磁发电器，每组所述电磁发电器包括固定在相应摩擦纳米发电机的动子上的感应线圈和固定在相应摩擦纳米发电机的定子上的磁铁，所述背包本体、所述背包上板、各摩擦纳米发电机的动子和各感应线圈一同与所述动子连接件固定连接。

2.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述棘轮组件的受力平面与所述弹性绳所在平面重合，所述棘轮组件包括由间隔固定于所述支撑板端部的两吊耳组成的棘轮基座、通过长螺栓连接于所述棘轮基座的棘轮件以及套设于所述长螺栓上的棘轮弹簧；所述棘轮件由共轴且固定连接的棘轮盘和棘轮杆组成，所述棘轮盘和所述棘轮杆的中轴线处设有供所述长螺栓穿过的通孔，在所述棘轮基座的一个吊耳上成型有棘轮卡槽，所述棘轮卡槽和所述棘轮盘具有相啮合的齿部并将所述棘轮盘内嵌于所述棘轮卡槽，通过所述长螺栓的松紧调整所述棘轮盘和所述棘轮卡槽之间的接触状态为彼此啮合或可相对旋转，所述弹性绳的一端缠绕于所述棘轮杆上，通过转动所述棘轮件改变所述弹性绳的工作长度，进而改变所述背包上板与所述背包下板之间的相对位置。

3.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述第一供电单元中摩擦纳米发电机的定子包括依次设置的第一电极基板、第一电极和摩擦层a1，且所述摩擦层a1相较于所述第一电极基板更靠近所述动子设置；所述第一供电单元中摩擦纳米发电机的动子包括与所述动子连接件连接的第一驱动板，在所述第一驱动板面向所述定子的两侧分别固定设有摩擦层a2，所述第一电极基板的尺寸应覆盖所述第一驱动板的运动范围。

4.根据权利要求3所述的能量收集背包系统，其特征在于，设置在所述第一电极基板上的所述第一电极呈格栅形式布设，所述第一驱动板面向所述定子的两侧设有相同的栅格式凸起结构，所述凸起结构与所述第一电极的格栅形式的布设方式保持一致。

5.根据权利要求3所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述第一供电单元中的两组电磁发电器对称设置于所述第一驱动板的两侧，其中，在所述第一驱动板两侧的栅格式凸起结构上以相同方向分别缠绕一根闭合的线圈形成第一感应线圈，在所述第一电极基板所述背向摩擦层a1的一面固定设有第一磁铁基座，在所述第一磁铁基座面向所述第一感应线圈的一面上设有呈周期性分布的若干第一磁铁，所述第一电磁铁的宽度与所述凸起结构的宽度一致。

6.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的定子包括由所述背板下板至所述背包上板方向依次叠设的第二电极基板、第二电极和摩擦层b1；所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的定子动子包括与所述动子连接件连接的第二驱动板，在所述第二驱动板面向定子的一侧固定设有摩擦层b2，所述第二电极基板的尺寸应覆盖所述第二驱动板的运动范围。

7.根据权利要求6所述的能量收集背包系统，其特征在于，设置在所述第二电极基板上的所述第二电极呈格栅形式布设，所述第二驱动板面向所述定子的两侧设有相同的栅格式凸起结构，所述凸起结构与所述第二电极的格栅形式的布设方式保持一致。

8.根据权利要求6所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述第二供电单元中的电磁发电器设置在所述第二驱动板面向所述定子的一侧，其中，在所述第二驱动板一侧的栅格式凸起结构上以相同方向缠绕一根闭合的线圈形成第二感应线圈，在所述第二电极基板背向所述摩擦层b1的一面固定设有第二磁铁基座，在所述第二磁铁基座面向所述第二感应线圈的一面上设有呈周期性分布的第二磁铁，所述第二电磁铁的宽度与所述凸起结构的宽度一致。

9.根据权利要求1所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述第二供电单元中摩擦纳米发电机的动子依次通过缓冲垫和背板上板连接件与所述背包上板固定连接。

10.根据权利要求9所述的能量收集背包系统，其特征在于，所述背板上板连接件采用由上板、下板和连接于两板之间的腹板形成的箱型结构，使得所述第一供电单元、所述第二供电单元和所述背板上板连接件的厚度之和与所述直线导杆和所述动子连接件的厚度之和相当。