一種人體足部直線電磁式機械能發電裝置的製作方法

2023-11-07 11:56:48

本發明涉及新能源技術領域，具體涉及一種人體足部直線電磁式機械能發電裝置。

背景技術：

隨著近幾年電子信息技術的快速發展，移動電子設備的應用越來越廣泛，而其傳統供電設備—電池，發展緩慢，這很大程度上限制移動電子設備的小型化設計與使用壽命，並且，當電池電量耗盡，對電池的不當處理也會造成環境汙染。另一方面，人體卻是一個豐富的能量綜合體，人體消化系統將食物的化學能吸收，又通過人體的日常活動以熱能或機械能的形式消耗。而對人體熱能的採集會對人體健康有一定影響，所以，在基本不影響人體正常活動的情況下，採集人體機械能為移動電子設備供電具有重要意義。

現在已經有許多種類型的應用在人體足部的機械能採集裝置。一般來說這些裝置的原理基本分為三種，即齒輪傳動式、壓電式、電磁式。例如黃淞在其專利《發電鞋》(CN102273764A)中提出一種利用人體行走時踩踏鞋底的位移驅動齒條，再帶動電機軸轉動，驅動發電機發電，當足部抬離地面時，彈性球帶動齒條恢復原位。這種發電結構的缺點一方面在於齒條易磨損，結構複雜，重量大；另一方面是人體行走時足部垂直地面方向上的位移小，齒條行程短，發電效率低。又例如李偉進、張鵬在其專利《發電鞋》(CN2762591)中提出了一種利用壓電材料來進行來收集人體踩壓鞋底的能量進行發電的方式，這種方式的缺點一方面在於壓電材料強度較差，由於其晶體結構特點，發出的電流也較小；另一方面是壓電材料需要高頻率的壓力衝擊才有較高電能輸出，而人體行走的運動頻率較低，所以發電效率低。再有，竇麗華、趙勇力在其專利《一種人體足部機械能發電裝置》(CN104009608A)中提出了一種通過液體腔吸收人體踩踏鞋底的能量，驅動特製磁體活塞水平方向上的運動，其磁感線進而切割定子線圈匝組，從而使定子線圈匝組發出電能，並以獨特的磁體和線圈排列結構提高發電效率。而這種發電結構的缺陷在於，相鄰磁體同極相對的結構使得磁體活塞結構不穩定，液體腔中的液體有洩漏問題，磁體的排布方式不易實現扁平化設計，功率密度較底。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種人體足部直線電磁式機械能發電裝置，能夠減小裝置體積適應鞋底厚度，並且功率密度較大。

本發明為一種人體足部直線電磁式機械能發電裝置，該發電裝置包括定子、動子、發電機外殼，發電機前蓋、發電機後蓋、電能處理模塊和USB輸出接口；發電機外殼為長方體結構，發電機外殼上有三個沿長度方向的通槽，其中中間通槽為動子槽，位於兩側的通槽為定子槽；定子由磁體組和定子框架組成，所述磁體組由多組上下平放的成對磁體水平排列構成，上下層磁體分別位於上下兩個定子框架中，定子框架分別位於上下兩個定子槽中；動子由線圈匝組、繞線管和動子框架組成，繞線管上纏繞線圈匝組後整體位於動子框架內，動子與動子槽滑動配合；發電機前蓋和發電機後蓋分別安裝於發電機外殼前後端對稱的兩側；電能處理模塊一端與線圈匝組相連，另一端與USB輸出接口相連。

進一步的，所述成對的磁體異極相對，水平相鄰磁體異極相對。

進一步的，所述線圈匝組為兩組。

進一步的，所述兩線圈匝組繞線方向相反。

進一步的，所述線圈匝組的半徑小於磁體的半徑。

進一步的，所述電能處理模塊包括整流穩壓模塊和能量儲存模塊。

有益效果：

1、本發明採用直線電磁式發電機採集人體足部機械能，該發電機由人體足部運動時動子的慣性驅動，將人體足部運動時水平方向上的動量轉化為電機的動子的動量，針對人體足部交替踩壓地面的特點，更加高效地採集人體足部的機械能；

2、本發明的磁體採用的是平放的方式，如此便可以採用足夠大直徑的磁體來增大動子線圈的磁通幅值，從而增大磁通變化率，最終達到提高發電效率的目的；同時，磁體的放置方式有利於將發電機設計成扁平形狀，減小裝置縱向尺寸，從而適應鞋底的尺寸；

3、並採用相鄰磁體對極性相反的結構和與之相配合的相鄰線圈匝組繞線方向相反，在有限的發電機體積內儘可能提高發電效率；

4、本發明的電機由慣性驅動，基本沒有磨損，裝置可靠性高，使用壽命延長；

5、本發明結構簡單，材料使用成本低且易獲取，易於實現低成本。

附圖說明

圖1是發電鞋裝置整體示意圖。

圖2是機械能發電裝置的示意圖。

圖3是發電機外殼的示意圖。

圖4是動子的結構示意圖。

圖5是動子框架的結構示意圖。

圖6是動子線圈磁通示意圖。

圖7是系統原理結構示意圖。

其中，1-發電機後蓋，2-磁體組，3-定子框架，4-發電機外殼，5-繞線管，6-線圈匝組，7-動子框架，8-緩衝部件，9-導線，10-發電機前蓋，11-USB輸出接口，12-電能處理模塊，13-導孔，14-定子槽，15-動子槽。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

本發明提供了一種人體足部直線電磁式機械能發電裝置。

本機械發電裝置由定子、動子、發電機外殼4、發電機後蓋1、發電機前蓋10、USB輸出接口11、導線9和電能處理模塊12組成，其中定子由定子框架3和磁體組組成，動子由動子框架7、繞線管5、線圈匝組6和緩衝部件8組成。

其裝置整體結構及連接關係如下：

如圖2所示，磁體組2放置於上下兩層的定子框架3中，組成發電機的定子，磁體組的排列方式為上下相對磁體異極相對，左右相鄰磁體極性相反。定子放置於如圖3所示的電機外殼4的上下兩個定子槽14中。如圖4所示，兩個繞線管5上分別繞有線圈匝組6，其中相鄰線圈匝組繞線方向相反，並放置於如圖5所示的動子框架7中，從而構成發電機的動子，動子放置在的如圖3所示的點擊外殼4中間的動子槽中15。如圖5示的動子框架7兩側表面粘有緩衝部件8，在動子框架與發電機前蓋10或發電機後蓋1碰觸時起緩衝作用。該磁體組的排列方式以及線圈匝組繞線方式，使在動子運動的過程中，動子線圈匝組的磁通變化率大大提高，進而提高發電效率。動子線圈半徑的選取基於以下考慮：當動子線圈最大半徑小於磁鐵半徑時，如圖6a所示，其磁通幅值會因線圈面積的減小而減小；當動子線圈最大半徑大於磁鐵半徑時，如圖6b所示，會因線圈橫跨三組磁鐵而導致磁通有一部分抵消，也會使磁通幅值減小，且線圈利用率低，內阻大。所以線圈的最大半徑等於磁鐵的半徑最佳。動子與定子間的空隙儘量小，使得穿過線圈的磁感應強度更強，保證線圈的磁通幅值最大化，提高動子線圈的磁通變化率與發電機的發電效率。發電機外殼前後由發電機前蓋10和發電機後蓋1封閉，其中發電機外殼4上設有導孔13，發電機輸出由導線9連接至設有能量輸出USB輸出接口11的電能處理模塊12，其中，電能處理模塊包括整流穩壓模塊和能量儲存模塊，可將能量儲存在儲能模塊當中，需要時可由能量輸出模塊，即USB輸出接口輸出。本實施例的儲能元件採用超級電容器，超級電容器具有充電速度快、循環使用壽命長以及能量轉換效率高等優點，適合本實施例的充電循環次數多、單次充電能量輸出較低等特點。本實施例的整流穩壓模塊由四個壓降較低的肖特基二極體搭建的單相橋式整流電路和場效應管開關穩壓電路組成。

本實施例中，直線電機的定子框架、動子框架、繞線管、電機外殼、電機蓋、電能處理模塊外殼均由3D列印製作。

本裝置在人體足部環境下的機械能發電的工作原理及其實現方式如下所述：當裝有本發明的發電鞋穿著者行走時，足部腳跟離地而腳尖還未離地時間段內，腳跟比腳尖高，由於重力的作用，由線圈匝組6、繞線管5、動子框架以及緩衝部件8組成的動子將相對於由磁體組2及定子框架3組成的定子向前滑動；足部完全離地向前加速擺動時，由於慣性的作用，動子將相對於定子向後滑動；足部在還未觸地向前減速擺時段內，由於慣性的作用，動子將相對於定子向前滑動；當足部腳跟觸地而腳尖還未觸地時，腳跟比腳尖低，由於重力的作用，動子將相對於定子向後滑動。動子相對於定子運動時，動子線圈的磁通產生相應變化，圖6為動子線圈磁通示意圖，設動子線圈在圖6c的位置時，磁通為正，而由於兩組線圈的繞向相反，其所處位置的磁感線方向也相反，所以兩線圈的磁通相加，此時磁通為正向最大值。而當動子線圈與定子相對往復運動時，可知動子線圈的磁通以類似正弦的規律變化，所以磁通的變化率與磁通的幅值成正比。而動子相對於定子運動時，線圈匝組6將切割磁體組2的磁感線，引起線圈匝組6中的磁通量劇烈變化，使線圈匝組6內產生交流電，交流電輸出端由導線9連接至電能處理模塊12，電能處理經過其整流、穩壓及儲存，可由USB輸出接口輸出，為人們日常生活中的移動電子設備供電。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。