本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人體足部直線電磁式機(jī)械能發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

隨著近幾年電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，移動電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，而其傳統(tǒng)供電設(shè)備—電池，發(fā)展緩慢，這很大程度上限制移動電子設(shè)備的小型化設(shè)計與使用壽命，并且，當(dāng)電池電量耗盡，對電池的不當(dāng)處理也會造成環(huán)境污染。另一方面，人體卻是一個豐富的能量綜合體，人體消化系統(tǒng)將食物的化學(xué)能吸收，又通過人體的日常活動以熱能或機(jī)械能的形式消耗。而對人體熱能的采集會對人體健康有一定影響，所以，在基本不影響人體正?；顒拥那闆r下，采集人體機(jī)械能為移動電子設(shè)備供電具有重要意義。

現(xiàn)在已經(jīng)有許多種類型的應(yīng)用在人體足部的機(jī)械能采集裝置。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(fā)電鞋》(CN102273764A)中提出一種利用人體行走時踩踏鞋底的位移驅(qū)動齒條，再帶動電機(jī)軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，當(dāng)足部抬離地面時，彈性球帶動齒條恢復(fù)原位。這種發(fā)電結(jié)構(gòu)的缺點一方面在于齒條易磨損，結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)電效率低。又例如李偉進(jìn)、張鵬在其專利《發(fā)電鞋》(CN2762591)中提出了一種利用壓電材料來進(jìn)行來收集人體踩壓鞋底的能量進(jìn)行發(fā)電的方式，這種方式的缺點一方面在于壓電材料強度較差，由于其晶體結(jié)構(gòu)特點，發(fā)出的電流也較小；另一方面是壓電材料需要高頻率的壓力沖擊才有較高電能輸出，而人體行走的運動頻率較低，所以發(fā)電效率低。再有，竇麗華、趙勇力在其專利《一種人體足部機(jī)械能發(fā)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(qū)動特制磁體活塞水平方向上的運動，其磁感線進(jìn)而切割定子線圈匝組，從而使定子線圈匝組發(fā)出電能，并以獨特的磁體和線圈排列結(jié)構(gòu)提高發(fā)電效率。而這種發(fā)電結(jié)構(gòu)的缺陷在于，相鄰磁體同極相對的結(jié)構(gòu)使得磁體活塞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，液體腔中的液體有泄漏問題，磁體的排布方式不易實現(xiàn)扁平化設(shè)計，功率密度較底。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種人體足部直線電磁式機(jī)械能發(fā)電裝置，能夠減小裝置體積適應(yīng)鞋底厚度，并且功率密度較大。

本發(fā)明為一種人體足部直線電磁式機(jī)械能發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置包括定子、動子、發(fā)電機(jī)外殼，發(fā)電機(jī)前蓋、發(fā)電機(jī)后蓋、電能處理模塊和USB輸出接口；發(fā)電機(jī)外殼為長方體結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)外殼上有三個沿長度方向的通槽，其中中間通槽為動子槽，位于兩側(cè)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(gòu)成，上下層磁體分別位于上下兩個定子框架中，定子框架分別位于上下兩個定子槽中；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后整體位于動子框架內(nèi)，動子與動子槽滑動配合；發(fā)電機(jī)前蓋和發(fā)電機(jī)后蓋分別安裝于發(fā)電機(jī)外殼前后端對稱的兩側(cè)；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(jìn)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(jìn)一步的，所述線圈匝組為兩組。

進(jìn)一步的，所述兩線圈匝組繞線方向相反。

進(jìn)一步的，所述線圈匝組的半徑小于磁體的半徑。

進(jìn)一步的，所述電能處理模塊包括整流穩(wěn)壓模塊和能量儲存模塊。

有益效果：

1、本發(fā)明采用直線電磁式發(fā)電機(jī)采集人體足部機(jī)械能，該發(fā)電機(jī)由人體足部運動時動子的慣性驅(qū)動，將人體足部運動時水平方向上的動量轉(zhuǎn)化為電機(jī)的動子的動量，針對人體足部交替踩壓地面的特點，更加高效地采集人體足部的機(jī)械能；

2、本發(fā)明的磁體采用的是平放的方式，如此便可以采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(dá)到提高發(fā)電效率的目的；同時，磁體的放置方式有利于將發(fā)電機(jī)設(shè)計成扁平形狀，減小裝置縱向尺寸，從而適應(yīng)鞋底的尺寸；

3、并采用相鄰磁體對極性相反的結(jié)構(gòu)和與之相配合的相鄰線圈匝組繞線方向相反，在有限的發(fā)電機(jī)體積內(nèi)盡可能提高發(fā)電效率；

4、本發(fā)明的電機(jī)由慣性驅(qū)動，基本沒有磨損，裝置可靠性高，使用壽命延長；

5、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，材料使用成本低且易獲取，易于實現(xiàn)低成本。

附圖說明

圖1是發(fā)電鞋裝置整體示意圖。

圖2是機(jī)械能發(fā)電裝置的示意圖。

圖3是發(fā)電機(jī)外殼的示意圖。

圖4是動子的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是動子框架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是動子線圈磁通示意圖。

圖7是系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-發(fā)電機(jī)后蓋，2-磁體組，3-定子框架，4-發(fā)電機(jī)外殼，5-繞線管，6-線圈匝組，7-動子框架，8-緩沖部件，9-導(dǎo)線，10-發(fā)電機(jī)前蓋，11-USB輸出接口，12-電能處理模塊，13-導(dǎo)孔，14-定子槽，15-動子槽。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供了一種人體足部直線電磁式機(jī)械能發(fā)電裝置。

本機(jī)械發(fā)電裝置由定子、動子、發(fā)電機(jī)外殼4、發(fā)電機(jī)后蓋1、發(fā)電機(jī)前蓋10、USB輸出接口11、導(dǎo)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和緩沖部件8組成。

其裝置整體結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系如下：

如圖2所示，磁體組2放置于上下兩層的定子框架3中，組成發(fā)電機(jī)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。定子放置于如圖3所示的電機(jī)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，并放置于如圖5所示的動子框架7中，從而構(gòu)成發(fā)電機(jī)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(cè)表面粘有緩沖部件8，在動子框架與發(fā)電機(jī)前蓋10或發(fā)電機(jī)后蓋1碰觸時起緩沖作用。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(jìn)而提高發(fā)電效率。動子線圈半徑的選取基于以下考慮：當(dāng)動子線圈最大半徑小于磁鐵半徑時，如圖6a所示，其磁通幅值會因線圈面積的減小而減小；當(dāng)動子線圈最大半徑大于磁鐵半徑時，如圖6b所示，會因線圈橫跨三組磁鐵而導(dǎo)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(nèi)阻大。所以線圈的最大半徑等于磁鐵的半徑最佳。動子與定子間的空隙盡量小，使得穿過線圈的磁感應(yīng)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(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。發(fā)電機(jī)外殼前后由發(fā)電機(jī)前蓋10和發(fā)電機(jī)后蓋1封閉，其中發(fā)電機(jī)外殼4上設(shè)有導(dǎo)孔13，發(fā)電機(jī)輸出由導(dǎo)線9連接至設(shè)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(wěn)壓模塊和能量儲存模塊，可將能量儲存在儲能模塊當(dāng)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采用超級電容器，超級電容器具有充電速度快、循環(huán)使用壽命長以及能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，適合本實施例的充電循環(huán)次數(shù)多、單次充電能量輸出較低等特點。本實施例的整流穩(wěn)壓模塊由四個壓降較低的肖特基二極管搭建的單相橋式整流電路和場效應(yīng)管開關(guān)穩(wěn)壓電路組成。

本實施例中，直線電機(jī)的定子框架、動子框架、繞線管、電機(jī)外殼、電機(jī)蓋、電能處理模塊外殼均由3D打印制作。

本裝置在人體足部環(huán)境下的機(jī)械能發(fā)電的工作原理及其實現(xiàn)方式如下所述：當(dāng)裝有本發(fā)明的發(fā)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(nèi)，腳跟比腳尖高，由于重力的作用，由線圈匝組6、繞線管5、動子框架以及緩沖部件8組成的動子將相對于由磁體組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，由于慣性的作用，動子將相對于定子向后滑動；足部在還未觸地向前減速擺時段內(nèi)，由于慣性的作用，動子將相對于定子向前滑動；當(dāng)足部腳跟觸地而腳尖還未觸地時，腳跟比腳尖低，由于重力的作用，動子將相對于定子向后滑動。動子相對于定子運動時，動子線圈的磁通產(chǎn)生相應(yīng)變化，圖6為動子線圈磁通示意圖，設(shè)動子線圈在圖6c的位置時，磁通為正，而由于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(dāng)動子線圈與定子相對往復(fù)運動時，可知動子線圈的磁通以類似正弦的規(guī)律變化，所以磁通的變化率與磁通的幅值成正比。而動子相對于定子運動時，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(nèi)產(chǎn)生交流電，交流電輸出端由導(dǎo)線9連接至電能處理模塊12，電能處理經(jīng)過其整流、穩(wěn)壓及儲存，可由USB輸出接口輸出，為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊苿与娮釉O(shè)備供電。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。