一种多功能不倒翁

1.本发明属于新能源与儿童玩具技术领域，具体涉及一种多功能不倒翁。


背景技术：

2.不倒翁是最常见的儿童玩具之一，因其具有球面底座及头轻脚重的特点，受到外界扰动后可实现多次往复摇摆并最终恢复直立状态，故深受人们的喜爱。近年来，为了进一步提升不倒翁的趣味性，人们逐渐将声光要素融入了不倒翁的设计中，开发了形形色色带音乐及会发光的不倒翁玩具。遗憾的是，这些新型的不倒翁需要电池供电，电量耗尽时无法继续提供音乐和灯光。因此，具有自发电的发光及发声功能的不倒翁将更受人们的欢迎。


技术实现要素：

3.一种多功能不倒翁，主要包括上壳、下壳、内球壳、二极管、线圈、惯性壳、磁铁、惯性块、球头销、压环、碟弹簧及带发声系统的电路板。
4.上壳由上壳外壁和上壳内壁构成，上壳外壁比上壳内壁小且位于上壳内壁的上方，上壳内壁与上壳外壁构成壁间空腔，上壳外壁和上壳内壁的外露面上设有发光二极管；上壳内壁自身形成上半球腔，上半球腔的端口朝下，上壳内壁的内侧均布有线圈，上壳内壁的下方设有外球壳立柱，外球壳立柱的端部设有球销壳，球销壳的球销腔与上半球腔的球心相同。
5.下壳的下壳壁围成端口朝上的下半球腔，下壳壁的内侧均布有线圈、外侧底壁上设有惯性壳，惯性壳的外表面和下壳壁的外表面的半径及球心分别相同。
6.内球壳的内壳壁构成内球腔，内球腔的顶部设有端口、底部内侧设有内壳隔板，内壳隔板与其下方的内壳壁之间镶嵌有惯性块，内壳隔板和惯性块上设有相互连通的销孔，内壳壁的底部设有螺纹孔，所述销孔和螺纹孔同轴；内壳壁的外侧均布有磁铁，磁铁和线圈均为圆柱形且其直径相同；内球壳上两个相邻磁铁间的最近距离以不小于磁铁的直径，上壳和下壳上两相邻线圈间的最近距离不大于线圈的直径。
7.上壳、下壳及内球壳均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，发光二极管及线圈在注塑过程中嵌入上壳或下壳中，磁铁和惯性块在注塑过程中嵌入内球壳中；惯性壳和惯性块由金属材料制成。
8.球头销由球头与其一侧的阶梯轴构成，阶梯轴的端部设有螺纹。
9.上壳内壁和下壳壁的端部相对并经螺钉连接，上壳内壁和下壳壁构成外球壳，上半球腔和下半球腔构成外球腔；电路板和压环经螺钉安装在球销壳的上下两侧，球头销的球头经压环安装在球销腔内，压环与球头的接触面亦为球面；碟弹簧的上下两端分别顶靠在压环和内壳隔板上，碟弹簧的小径端套在压环的凸台上；球头销的阶梯轴经螺纹安装在内壳上，阶梯轴套在内壳隔板和惯性块上的销孔中，阶梯轴的端部经螺纹与内壳壁连接。
10.非工作的自然状态下，球头销的阶梯轴处于铅垂面内，径向相邻的线圈和磁铁同轴，即径向相邻的线圈和磁铁的轴线重叠，线圈与磁铁构成电磁发电单元，各个线圈经单独
的导线组和整流器与电路板相连，电路板经不同的导线组与发光二极管相连。
11.不倒翁受外界扰动且外球壳摇摆时，内球壳因受系统惯性力作用而保持相对静止，从而使线圈和磁铁产生相对运动，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后输送给电路板，再经进一步转换处理供给发光二极管和声音播放单元。
12.本发明的不倒翁，除用作儿童玩具外还可用于收集车辆振动、船舶颠簸等环境能量并为其定位跟踪系统供电，也可用于单纯的海浪及风等具有多向扰动特征的环境能量收集；作为单纯的能量收集装置，外球壳可自由摇动或固定，外球壳固定时内球壳可自由摆动。
13.本发明中，球头销、碟弹簧、内球壳、惯性块及磁铁构成惯性系统，惯性系统的固有频率由球头销、碟弹簧、内球壳、惯性块及磁铁的结构与性能参数及共同决定；为获得足够大的震荡幅值、提高发电能力，惯性系统的固有频率应尽量与激励频率相近，需根据惯性系统的结构参数确定其固有频率，即，式中：ζ为阻尼比，r和r分别为碟弹簧小端和内球壳的半径，k为碟弹簧的刚度，x和y分别为磁铁和惯性块的质心到球头中心的距离，m1、m2和m3分别为内球壳、磁铁和惯性块的质量，n为磁铁数量，λ为修正系数。
14.优势与特色：自供电的发声发光效果，提升了不倒翁的趣味性；换能元件沿球形表面配置，任意方向摆动均可发电，发电能力、功率计可靠性高；非玩具功能下，可用于任意方向振动及波浪发电，动力学特性易于通过器件的结构参数及安装位置设计获得。
附图说明
15.图1是本发明一个较佳实施例中不倒翁的结构剖面示意图；图2是本发明一个较佳实施例中带有二极管和线圈的上壳剖面示意图；图3是本发明一个较佳实施例中带有二极管的下壳剖面示意图；图4是本发明一个较佳实施例中带有磁铁和惯性块的内球壳剖面示意图；图5是本发明一个较佳实施例中的球头销的结构示意图；图6是本发明一个较佳实施例中内球壳的安装过程示意图。
具体实施方式
16.一种多功能不倒翁，主要包括上壳a、下壳b、内球壳c、二极管d、线圈e、惯性壳f、磁铁g、惯性块h、球头销i、压环j、碟弹簧k及带发声系统的电路板p。
17.上壳a由上壳外壁a2和上壳内壁a1构成，上壳外壁a2比上壳内壁a1小且位于上壳内壁a1的上方，上壳内壁a1与上壳外壁a2构成壁间空腔a4，上壳外壁a2和上壳内壁a1的外露面上设有发光二极管d；上壳内壁a1自身形成上半球腔a3，上半球腔a3的端口朝下，上壳内壁a1的内侧均布有线圈e，上壳内壁a1的下方设有外球壳立柱a5，外球壳立柱a5的端部设有球销壳a6，球销壳a6的球销腔a7与上半球腔a3的球心相同。
18.下壳b的下壳壁b1围成端口朝上的下半球腔b2，下壳壁b1的内侧均布有线圈e、外侧底壁上设有惯性壳f，惯性壳f的外表面和下壳壁b1的外表面的半径及球心分别相同。
19.内球壳c的内壳壁c1构成内球腔c2，内球腔c2的顶部设有端口c3、底部内侧设有内壳隔板c4，内壳隔板c4与其下方的内壳壁c1之间镶嵌有惯性块h，内壳隔板c4和惯性块h上
设有相互连通的销孔，内壳壁c1的底部设有螺纹孔，所述销孔和螺纹孔同轴；内壳壁c1的外侧均布有磁铁g，磁铁g和线圈e均为圆柱形且其直径相同；内球壳c上两个相邻磁铁g间的最近距离以不小于磁铁g的直径，上壳a和下壳b上两相邻线圈e间的最近距离不大于线圈e的直径。
20.上壳a、下壳b及内球壳c均由轻质高分子材料经注塑工艺加工而成，发光二极管d及线圈e在注塑过程中嵌入上壳a或下壳b中，磁铁g和惯性块h在注塑过程中嵌入内球壳c中；惯性壳f和惯性块h由金属材料制成。
21.球头销i由球头i1与其一侧的阶梯轴i2构成，阶梯轴i2的端部设有螺纹。
22.上壳内壁a1和下壳壁b1的端部相对并经螺钉连接，上壳内壁a1和下壳壁b1构成外球壳，上半球腔a3和下半球腔b2构成外球腔；电路板p和压环j经螺钉安装在球销壳a6的上下两侧，球头销i的球头i1经压环j安装在球销腔a7内，压环j与球头i1的接触面亦为球面；碟弹簧k的上下两端分别顶靠在压环j和内壳隔板c4上，碟弹簧k的小径端套在压环j的凸台上；球头销i的阶梯轴i2经螺纹安装在内壳壁c1上，阶梯轴i2套在内壳隔板c4和惯性块h上的销孔中，阶梯轴i2的端部经螺纹与内壳壁c1连接。
23.非工作的自然状态下，球头销i的阶梯轴i2处于铅垂面内，径向相邻的线圈e和磁铁g同轴，即径向相邻的线圈e和磁铁g的轴线重叠，线圈e与磁铁g构成电磁发电单元，各个线圈经单独的导线组和整流器与电路板p相连，电路板p经不同的导线组与发光二极管d相连。
24.不倒翁受外界扰动且外球壳摇摆时，内球壳c因受系统惯性力作用而保持相对静止，从而使线圈e和磁铁g产生相对运动，线圈e切割磁力线并将机械能转换成电能，所生成的电能经整流后输送给电路板p，再经进一步转换处理供给发光二极管d和声音播放单元。
25.本发明的不倒翁，除用作儿童玩具外还可用于收集车辆振动、船舶颠簸等环境能量并为其定位跟踪系统供电，也可用于单纯的海浪及风等具有多向扰动特征的环境能量收集；作为单纯的能量收集装置，外球壳可自由摇动或固定，外球壳固定时内球壳c可自由摆动。
26.本发明中，球头销i、碟弹簧k、内球壳c、惯性块h及磁铁g构成惯性系统，惯性系统的固有频率由球头销i、碟弹簧k、内球壳c、惯性块h及磁铁g的结构与性能参数及共同决定；为获得足够大的震荡幅值、提高发电能力，惯性系统的固有频率应尽量与激励频率相近，需根据惯性系统的结构参数确定其固有频率，即，式中：ζ为阻尼比，r和r分别为碟弹簧k小端和内球壳c的半径，k为碟弹簧k的刚度，x和y分别为磁铁g和惯性块h的质心到球头i1中心的距离，m1、m2和m3分别为内球壳c、磁铁g和惯性块h的质量，n为磁铁h的数量，λ为修正系数。