CN104993566B - 一种人体足部机械能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体足部机械能发电装置。使用本发明能够充分吸收人体踩踏的能量，并将其有效转化为电能，且结构简单、成本低。本发明采用了液压囊加水平放置的软管的结构将人体足部运动时产生的垂直动量转变为液体的水平动量，对人行走起到缓冲作用，并且利于吸收；并采用双转子结构发电机，将液体的流动转换为磁体组和线圈组的相互转动，双转子结构使得无论流体流向如何，磁体组和线圈组都是按相反的方向运动，线圈内的磁通急剧变化，大大提高了发电效率。本发明中的机械结构工作过程中运动部件之间不存在摩擦，转动的叶轮处于液体之中，摩擦较小。

Description

一种人体足部机械能发电装置

技术领域

本发明涉及生活用品节能技术领域，具体涉及一种人体足部机械能发电装置。

背景技术

利用机械能产生电能，与传统的需要消耗煤、石油的发电方式相比，具有清洁无污染、节约能源、工作无噪声、适用环境广泛、便携式发电、被动式发电等优点，是一种十分优秀的绿色、环境友好型的能源收集装置发电方式。利用吸收机械能的技术，可以将工业与生活中各种缓冲制动过程中浪费掉的摩擦力与冲击力吸收，进而转化成电能。正是由于吸收机械能具有上述优点，所以在未来的能源领域，将人体环境中的机械能转换为电能将得到更为广泛应用。

现在已经有很多种类型吸收足部机械能来发电的装置，一般来说这些装置的发电原理主要分为三种：机械齿轮传动式、压电式和电磁式。例如董磊在其专利《发电鞋》(CN102475371A)中提出一种利用人体踩踏时的位移推动压力传动装置，转换成齿轮的转动，进而带动发电装置工作来产生电能，当足部抬起时，齿轮上的弹性元件会把装置复位从而实现往复运动发电。这样的方法首先是装置在工作过程中齿轮和传动装置一直处于摩擦状态，齿轮等装置很容易损坏。其次是人体行走时足部的垂直方向位移较小，通过传动装置带来齿轮转动并不能充分利用人体的踩踏能量。又如李伟进、张鹏在其专利《发电鞋》(CN2762591)中提出了一种利用压电材料来进行发电的方式，通过足部踩踏在气囊上缓冲，将压力传递给压电材料，然后通过压电效应来产生电能。这样的方法在目前的材料水平下实现具有较大的难度，目前压电材料的强度较差，在经受反复冲击的情况下非常容易损坏，降低冲击力又会使发电效率降低，所以对压电材料的需求水平较高。王志坤在其专利《多功能磁力发电鞋》(CN102334772A)提出一种电磁式的应用在足部的发电装置，该装置在人体行走时的挤压作用下，永磁体会发生上下运动，从而使附近线圈内的软磁体不断改变磁极来切割磁感线的磁力发电装置。这种方法由于足部垂直位移小，改***磁体磁极的效果并不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种人体足部机械能发电装置，能够充分吸收人体踩踏的能量，并将其有效转化为电能，且结构简单、成本低。

本发明的人体足部机械能发电装置，其特征在于，包括：2个液压囊、发电机和稳压储能电路；其中，发电机包括外壳体、内壳体、磁体组、线圈组和2个叶轮；其中，内壳体由两个圆柱形壳体垂直相贯形成，固定安装在外壳体的内部，与外壳体的中部相交，内壳体内部固定安装有轴承，磁体组和线圈组分别固定安装在内轴承和外轴承上；所述2个叶轮反向安装在内壳体的两端，叶轮轴穿过内壳体两端的端面分别与磁体组和线圈组固定连接；外壳体的两端分别与安装在鞋底前脚掌和后脚跟下的液压囊贯通连接；在内壳体与外壳体的相交处设有输出电极，在连接线圈组的叶轮轴的两侧靠近内壳体处设有电刷，电刷与输出电极连接，输出电极通过导线与稳压储能电路连接。

进一步地，所述液压囊为椭圆体的橡胶。

进一步地，所述液压囊的出口延长，形成软管。

进一步地，所述外壳体和内壳体为硬质塑料。

进一步地，所述稳压储能电路包括整流稳压模块和储能模块，所述整流稳压模块包括整流电路和稳压器，输出电极与整流电路的两端连接，整流电路的输出经稳压器后与储能模块连接；其中，所述整流电路为单相桥式整流电路，所述稳压器为开关管，所述储能模块为超级电容器。

有益效果：

(1)本发明采用了液压囊加水平放置的软管的结构将人体足部运动时产生的垂直动量转变为液体的水平动量，对人行走起到缓冲作用，并且利于吸收；并采用了利用双向液体流动的双向发电机，将液体的流动转换为磁体组和线圈组的相互转动，双转子结构进一步提高了机械能的利用率，提高了发电效率。本发明中的机械结构工作过程中运动部件之间不存在摩擦，转动的叶轮处于液体之中，摩擦较小。同时，双转子结构使得无论流体流向如何，磁体组和线圈组都是按相反的方向运动，线圈内的磁通急剧变化，大大提高了发电效率，而且对液体速度的交替变化能起到缓冲作用。

(2)当脚跟着地，脚跟下的液压囊受压，其内液体先冲击后侧的叶轮的正面，使其顺时针旋转(从后往前看，下同)，然后冲击前侧叶轮的反面，使其逆时针旋转，使得磁铁和线圈相对运动，线圈获得很大的磁通变化率；当脚跟还未离地而脚尖已经着地时，脚尖处的液压囊受压，其内液体冲击前侧的叶轮的正面，加强了其逆时针旋转，然后冲击后侧叶轮的反面，加强了其顺时针旋转，增大线圈的磁通变化率；当脚跟完全离地，脚尖着地时，与脚跟着地类似，使得线圈获得很大的磁通变化率；因此，本发明在人行走的全过程中线圈均有较高的磁通变化率，进而能够获得较高的能量转换效率。

(3)本发明结构简单，使用材料成本也要求不高，材料很易获取，易于实现低成本。且液压囊和发电机结构易于拆卸和组装，可以根据工作环境的变化制作不同尺寸的部件，提高了装置的可用性。

(4)考虑到人体行进的特点，将液压囊设计为椭圆体，提高人行走的舒适性，且有利于充分利用人体踩踏的作用力，便于液体在挤压下的流动，提高液体流动速率，进而提高发电效率。

(5)将液压囊出口延长，形成具有一定长度的软管，可以起到导流并提高液体速率的作用，在相同挤压力作用下，液体的动能增大，进而可以提高发电效率。

(6)采用内、外壳体的方案，密封效果好，减少液体泄露。

附图说明

图1为发电鞋装置整体示意图。

图2为发电装置结构示意图。

图3为发电机结构示意图。

图4为发电机结构外壳示意图。

图5为发电机内壳结构示意图。

图6为发电机整体结构示意图。

图7为***模块示意图。

1-外壳体，2-内壳体，3-磁体组，4-线圈组，5-叶轮轴，6-叶轮轴，7-叶轮，8-电刷，9-输出电极，10-导线，11-整流稳压模块，12-软管，13-液压囊，14-导线，15-导线，16-储能模块，17-导线，18-导线，19-出入水口。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种人体足部机械能发电装置，如图1所示，包括2个液压囊13、发电机和稳压储能电路；其中，2个液压囊13与发电机连接，稳压储能电路与发电机连接；所述发电机包括磁体组3、线圈组4和2个叶轮7，所述2个叶轮7的叶轮轴5,6分别与磁体组3、线圈组4固定连接。本发明利用液压囊充分吸收人体行走时的踩踏能量，将人体足部垂直方向的挤压力转变为液压囊内液体的动能，液压囊内液体在人体足部挤压力作用下流入发电机中，液体动能转化为发电机叶轮的转动动量，叶轮转动带动磁体组和线圈组产生相对旋转，改变线圈组中磁通量的大小，将叶轮的机械能转化为电能，产生的电能可以为各种低功耗的用电设备供电。

其中，2个液压囊13具有一定的韧性和弹性，分别位于鞋底的前脚掌和后脚跟位置，内存储有液体，在外部作用力挤压下变形，排出内部液体，将人体足部踩踏运动转化为液体的动能。人体足部踩踏运动具有位移小、冲量大的特性，直接利用这种运动的机械能来进行发电难度较大，本发明采用液压囊的形式，将垂直方向的足部机械运动转换为在管道中流动的易于收集的液体的动能，转化效率高，可充分利用人体踩踏产生的能量。液压囊13可选择橡胶材料，其具备一定的弹性和强度，防水，价格低廉，且鞋底环境不会受到阳光的照射以及腐蚀作用，对耐腐蚀性要求不高。可以根据人体行进的特点，将液压囊13设计为椭圆体，便于液体在挤压下的流动，提高液体流动速率，进而提高发电效率。

为了提高液体的出口动能，将液压囊出口延长，形成具有一定长度的软管，软管12的直径与发动机入口直径匹配，可以起到导流并提高液体速率的作用，在相同挤压力作用下，液体的动能增大，进而可以提高发电效率。

人体行进过程中，两个液压囊被交替挤压，液压囊中的液体在外力的驱动下不断地挤出和流回，而通常所用的流体发电机是单向的，对于这种往复运动液体的动能利用较小，发电效率也相对较低。所以对于***规模较小的本发明装置来说，选择一种可以在两个方向上以较高的效率来利用流体的动能的结构，尽可能地提高发电机线圈组中磁通量以及运动过程中的线圈组中的磁通变化率，对于提高发电功率与发电效率十分重要。又由于该小型发电机安装于鞋底内，正常工作的过程中会承受一定的压力，而其内部安装有叶轮、线圈、磁体、电刷等部件，所以需要外壳结构以足够的强度来保护内部的零件。发电机的叶轮需要工作在液体环境中，所以本发明发电装置中的发电机为内外两层结构。外壳体1的两端与2个液压囊13的出口密封连接；内壳体2固定安装在外壳体1的内部；外壳体1与内壳体2之间为液体的通路；2个叶轮7反向安装在内壳体2的两端，位于外壳体1与内壳体2之间的液体通路中，用于将液体动能转化为叶轮的转动动量；磁体组3和线圈组4安装在内壳体2的内部，并分别于2个叶轮7的叶轮轴5,6固定连接，在受到来自任意一端的液体的冲击时，两个相反安装的叶轮7始终会向相反的方向转动，从而带动磁体组3和线圈组4以相反的方向旋转。相对于传统发电机的定子转子结构，双转子结构可以进一步的提高磁体组和线圈组之间的相对运动，同时也能更好地利用人体行进过程中对2个液压囊交替挤压，液体双向流动的特点，从而提高线圈中的磁通变化率，提高发电效率。

其中，外壳体1主要起保护内部元件和结构的功能，需要强度较大能防止踩踏的冲击力作用在发电结构内部的零件上，又由于外壳要安装在鞋内，所以装置外壳的重量不宜过重影响人体运动，且工作环境中有水的存在，所以材料必须不会被水腐蚀，并且外壳体1不能导电，因此，外壳体1应该是由一种强度高、重量轻的不导电材料制成，例如硬质塑料。

外壳体同时还要承担与液压囊13相接以引入液体的功能，外壳体1前后两端与液压囊13相接的部分刻有螺纹以便密封，并且，在外壳体1前后两端的端面上设有出入水口19，如图4所示，出入水口19为对称的圆弧形，有利于将液体导流至叶轮7的叶片上，减少能量损耗。

此外，外壳体1还要具备将发电机产生的电能输出的功能，如果采用导线从外壳上引出，外壳体和内壳体之间的液体很容易泄露，所以采用输出电极作为向外界输出电能的接口，在内壳体2与外壳体1共用的外壳体1的中部的两侧分别设有输出电极9，其中，可采用传导性较好的铜片作为输出电极。

内壳体2为密闭的腔体，由两个圆柱形壳体垂直相贯形成，固定安装在外壳体1的内部，固定安装在外壳体1的内部，并与外壳体1的中部相交，与外壳体1共用外壳体1的中部，如图3所示。内壳体2的功能是保护其内部的线圈组、磁体组等部件，内壳体2与外壳体1之间的空间为液体的流动通路。内壳体2内部固定安装有轴承，磁体组3和线圈组4分别固定安装在内轴承和外轴承上；在内壳体2与外壳体1的相交部分上设置输出电极9。根据外壳体1材料的分析，内壳体2的材料可与外壳体1材料相同。

叶轮7为将液体的动能转换为旋转的机械能的装置。为了实现双向发电，将2个叶轮7反向安装在发电机内层外壳2的两端。2个叶轮7的轴(叶轮轴6)分别与安装在内壳体2内部的磁体组3和线圈组4固定连接。当从任意一侧进入的液体依次冲击两端的叶轮时，两个叶轮以相反的方向开始旋转，分别带动磁体组和线圈组向相反的方向旋转，产生电能。叶轮同样采用硬质塑料即可以较低的成本较好的完成功能。

磁体组3的磁铁为产生磁通的来源，磁铁的磁力越强，那么磁通的变化率就越大；同时，磁铁体积要比较小，这样才能组成阵列放入鞋中。目前的磁铁材料主要有铁氧体、钕铁硼、钐钴和铝镍钴。其中铁氧体的性能低和中，价格最低，温度特性良，耐腐蚀，性能价格比好；钕铁硼性能最高，价格中，强度好，不耐高温和腐蚀；钐钴的性能高，价格最高，脆，温度特性优，耐腐蚀；铝镍钴性能低，价格中，温度特性优，耐腐蚀、耐干扰性差。考虑到在鞋内的应用，对温度性能和耐腐蚀性能并没有很高的要求，而要求性能较好，因此选用钕铁硼这一材料的磁铁。

由于线圈组和磁体组均为转子，多极多相的磁体线圈结构产生的多相电能需要相应的电刷结构将电能传出，用铜片做电刷材料可以较好地完成此功能。如图3所示，在连接线圈组4的叶轮轴6的两侧设有电刷8，电刷8与输出电极9连接，磁体组4和线圈组5转动产生的交流电通过电刷8输出至发输出电极9，从而将电能输出。

稳压储能电路位于鞋的脚踝处，如图1所示，包括整流稳压模块11和储能模块16；输出电极9引出的导线在鞋子内部延伸至整流稳压模块11的输入端，整流稳压模块11的输出端通过导线分别连接至储能模块16的正负极。

由于双向发电机所产生的电流是交流电，所以需要一个整流稳压模块对所产生的电能进行整流、稳压，本应用实例采用的是一个单相桥式整流电路，采用四个二极管搭建一个桥式整流电路对产生的电能进行整流，单相桥式整流电路的输出端，采用开关管稳压方式的来保证电压输出的稳定，开关管稳压是采用调节PWM脉冲信号的占空比来控制输出功率的大小，通过对输出电压的采样，结合简单的控制算法，可以使输出电压稳定在期望的水平，使输出电压的灵活性较好，并且对输入电压的要求不高。

场效应管(MOSFET)是电压驱动型开关器件，其作为控制端的门极输入内阻很大，相当于开路，不会消耗太多的功率，因此为了提高***的效率，选择采用MOSFET作为稳压控制电路的开关管。稳压电路采用推挽型工作方式，使两个MOSFET交替导通，通过对电感的充电以及电感的放电实现电能的输出，并根据反馈情况进行调节，保证输出电压的稳定。

由于人在行走时，足部对液压囊的挤压并不是连贯的，所以足部机械能发电所产生的能量并不均匀，受人体运动情况的影响很大。因此必须对每一次脚踩踏的脉动的微小的能量进行收集，并且需要利用储能装置对该机械能发电装置在每一步所产生的能量进行持续的存储。在本发明中选用超级电容器作为存储模块。超级电容器适用性较强，对电路的要求较低，而且不需要设置特殊的充电控制电路和放电控制电路。由于它拥有充电速度快，功率密度大，使用寿命长，使用时间不会受到过充电、过放电的影响等特点，所以选择超级电容器作为本发明的能量存储模块。

具体连接方式如下：

将叶轮轴5，叶轮轴6***发电机内壳体2两端固定，然后将磁体组3固定于叶轮轴5上，位于发电机内壳体2的中心位置，将线圈组固定于叶轮轴6上，位于磁体组3的周围。将电刷8固定于靠近叶轮轴6的位置，将线圈组引出的导线缠绕与叶轮轴6上，并接触到电刷8的位置。将叶轮7分别安装在叶轮轴5、叶轮轴6在内壳体2外部的结构上，叶轮轴5和叶轮轴6上的叶轮7以相反的方式安装。然后将外壳体1安装于内壳体外面，将内壳体2与外壳体1相接的地方密封，然后在外壳体1上相应位置上安装输出电极10，从电刷8引出导线10从内壳体3两侧突出位置引出，与输出电极9焊接。将软管12分别连接到发电机的两端并加以固定密封。将导线14,15分别接到两个输出电极10上，然后在鞋子内部延伸至电能变换模块11的整流桥的两端。将电源变换模块的输出端用导线17,18分别连接至储能模块16的正负极两端。

本发明的人体足部环境下的机械能发电工作原理及实现方式如下：

当行走时，足跟部或脚掌部落地，挤压足根部或脚掌部的液压囊13，将液体顺软管12、经出入水口19被推入发电机外壳体，并向前推动内壳体两侧的叶轮7分别以相反的方向旋转，带动磁体组3和线圈组4产生相反方向的旋转，使线圈组4在运动过程中切割磁体组3的磁感线，因其线圈组4中产生交流电，该电流通过沿着叶轮轴6的导线与电刷8接触，该电流通过与电刷8接触的导线10输出到外壳体两侧的输出电极9上，导线14，导线15分别接在两侧的输出电极10上，将电能导入电能变换模块11中，经过整流后变为直流电，在经过稳压后经导线17，导线18分别连接至储能模块16的正、负极，成为直接应用与人们日常生活所用的低压直流电。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种人体足部机械能发电装置，其特征在于，包括：2个液压囊(13)、发电机和稳压储能电路；其中，发电机包括外壳体(1)、内壳体(2)、磁体组(3)、线圈组(4)和2个叶轮(7)；其中，内壳体(2)由两个圆柱形壳体垂直相贯形成的密封腔体，内壳体(2)固定安装在外壳体(1)的内部，与外壳体(1)的中部相交，内壳体(2)内部固定安装有轴承，磁体组(3)和线圈组(4)分别固定安装在内轴承和外轴承上；所述2个叶轮(7)反向安装在内壳体(2)的两端，叶轮轴(5,6)穿过内壳体(2)两端的端面分别与磁体组(3)和线圈组(4)固定连接；外壳体(1)的两端分别与安装在鞋底前脚掌和后脚跟下的液压囊(13)贯通连接，在外壳体(1)前后两端的端面上设有出入水口(19)，出入水口(19)为对称的圆弧形；所述液压囊(13)的出口延长，形成软管(12)，所述软管(12)的直径与发电机入口直径相匹配；在内壳体(2)与外壳体(1)的相交处设有输出电极(9)，在连接线圈组(4)的叶轮轴(6)的两侧靠近内壳体(2)处设有电刷(8)，电刷(8)通过导线连接至所述输出电极(9)，输出电极(9)通过导线与稳压储能电路连接。

2.如权利要求1所述的人体足部机械能发电装置，其特征在于，所述液压囊(13)为椭圆体的橡胶。

3.如权利要求1所述的人体足部机械能发电装置，其特征在于，所述外壳体(1)和内壳体(2)为硬质塑料。

4.如权利要求1所述的人体足部机械能发电装置，其特征在于，所述稳压储能电路包括整流稳压模块(11)和储能模块(16)，所述整流稳压模块(11)包括整流电路和稳压器，输出电极(9)与整流电路的两端连接，整流电路的输出经稳压器后与储能模块(16)连接；其中，所述整流电路为单相桥式整流电路，所述稳压器为开关管，所述储能模块(16)为超级电容器。