一种基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标

1.本发明属于无线鼠标技术领域，更具体地，涉及一种基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标。


背景技术：

2.随着人机交互技术的突飞猛进发展，各类人机交互设备层出不穷。鼠标是一种常见的计算机输入设备，无线鼠标使用无线技术与电脑通讯，从而摆脱电线的束缚。无线鼠标多采用电池供电，受限于电池容量，无线鼠标的续航参差不齐，给用户造成极大不便。目前常见的鼠标自供电系统设计将收集能量集中在人体使用鼠标做功上，而实际使用中人体使用鼠标做功很小，以此为目标收集能量不足以给鼠标独立供电。
3.cn104750274a公开了一种鼠标自供电系统，其通过收集鼠标滚轮转动能量，并采用电磁感应及压电效应两种方式进行发电。但是，这种依靠鼠标滚轮转动的方式受人手指力量制约，较难产生很大的发电功率，不能实现持续独立对鼠标供电。cn106125960a公开了一种鼠标自供电系统，其利用鼠标移动或晃动过程中导体的惯性，通过电磁感应进行发电。但是，该自供电系统的结构设计受导体惯性影响，无法应对鼠标剧烈运动的情况，导致发电功率存在一个较小的上限值。
4.总体而言，受结构和能量收集方式的限制，现有的无线自供电鼠标发电功率低、发电效率低，无法持续对鼠标进行供电。除此之外，现有无线自供电鼠标中的供电单元大都不可拆卸，严重影响设备尺寸和重量，不符合鼠标轻便化设计的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标，其目的在于提高无线自供电鼠标中发电单元的发电功率和发电量，以及实现无线自供电鼠标的轻便化设计。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标，包括鼠标壳体以及设置在所述鼠标壳体内的可拆卸发电单元，所述可拆卸发电单元包括：转子，包括球形磁铁以及包裹所述球形磁铁的两个半球形球壳，两个半球形球壳之间通过第一卡扣可拆卸连接；转子支架，为一端固定在鼠标壳体底板上的圆管，其内壁周向设置有环形沟槽；一端彼此连接的环形支架和转轴；所述环形支架的另一端位于所述环形沟槽内；所述转轴包括位于所述转子两侧的两部分，且每部分的另一端连接所述转子；所述转子对称分布在所述转轴所处平面的上下两侧；线圈支架和沿所述线圈支架外表面排布的线圈，所述线圈支架包括分别位于所述转子上下两侧的上支架和下支架，且所述上支架和所述下支架相对于所述鼠标机壳固定设置；外力作用下，所述转子、转轴和环形支架共同沿所述环形沟槽周向旋转，所述转子环绕所述转轴自转，在所述线圈中生成感应电流以发电。
7.更进一步地，所述可拆卸发电单元还包括：发条，所述发条的一端固定在所述鼠标壳体上，所述发条的另一端通过第二卡扣与所述转轴卡接以与所述转轴相互作用；所述发
条用于在外力作用下为所述转子提供自转初速度，当所述转轴正向旋转时，所述第二卡扣拨动所述发条压缩发条弹簧以储存能量，当所述转轴反向旋转时，所述第二卡扣脱离所述发条，所述发条复原。
8.更进一步地，还包括：依次连接在线圈输出端的整流桥电路和储能元件；所述整流桥电路用于将所述线圈输出的交流电转换为直流电，并对转换后的直流电进行降压转换；所述储能元件用于存储降压转换后的电能，并在所述储能元件的电压高于供电阈值时，为鼠标供电。
9.更进一步地，所述线圈支架中的上支架和下支架均为空心半球壳；所述线圈自中心面向上下两端排布，所述中心面为过所述转轴，且与所述转子支架端面平行的平面。
10.更进一步地，所述线圈的排布形状为球形。
11.更进一步地，所述线圈的排布形状为圆柱形。
12.更进一步地，所述转子支架在所述鼠标壳体的底板上的安装位置处，设置有开口。
13.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：（1）本发明所提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标，其发电单元中的转子既可绕转轴自转，又可沿环形沟槽周向旋转，其转子的旋转方式与陀螺仪的旋转方式相同，相同外力作功下，其转子可以获得更快的转速和更长时间的转动，更快的转速使得多匝线圈闭合平面内的磁通量周期性变化更大，从而提供更大的发电功率，更长时间的转动可以提供更多的发电量，由此大幅度提高发电功率，实现对鼠标的持续供电；（2）将动子中包裹球形磁铁的球壳设置为两个可拆卸连接的半球形球壳，打开两个半球形球壳即可取出其包裹的球形磁铁，直接利用储能元件为鼠标供电，在满足鼠标自发电能力的情况下，降低了正常使用时的鼠标重量，实现了鼠标的轻量化设计；（3）为发电单元中的线圈提供了两种优化排布方式，球形排布方式下，线圈的电阻较小，同时根据有限元仿真，沿球壳外侧感应电场最大，因此当磁铁转动时，沿球形外壳缠绕线圈可以最大效率地获取感应电场产生的能量，由此使得每匝线圈具有更大的输出功率；圆柱形排布方式下，两端线圈可以向外延伸，在实际情况下便于增加线圈匝数，从而最大程度地获取感应电场产生的能量，由此提高线圈的总输出电压；特定的线圈排布方式与陀螺仪旋转原理相配合，实现了机械能电能转化率的最大化。
附图说明
14.图1为本发明实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标的俯视图。
15.图2为本发明实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标的侧视图。
16.图3为本发明实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标的整体结构图。
17.图4为本发明实施例提供的发电单元示意图。
18.图5为本发明实施例提供的球形线圈的排布方式示意图。
19.图6为本发明实施例提供的球形线圈的排布方式纵切图。
20.图7为本发明实施例提供的动子结构的旋转原理图。
21.图8为本发明实施例提供的转子空间磁通密度模竖直方向分量分布图。
22.图9为本发明实施例提供的转子空间感应电压分布图。
23.图10为本发明实施例提供的球形线圈的电压与时间关系仿真图。
24.图11为本发明实施例提供的整流桥电路的拓扑结构示意图。
25.图12为本发明实施例提供的圆柱形线圈的排布方式纵切图。
26.图13为本发明实施例提供的圆柱形线圈电压与时间关系仿真图。
27.图14为本发明实施例提供的动子结构的运动关系示意图。
28.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1为鼠标壳体，2为转子，3为转子支架，4为环形支架，5为转轴，6为线圈支架，7为线圈，8为发条。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
31.图1为本发明实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标的俯视图。参阅图1，结合图2-图14，对本实施例中基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标进行详细说明。
32.参阅图1、图2、图3和图4，基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标包括鼠标壳体1以及设置在鼠标壳体1内的可拆卸发电单元。可拆卸发电单元包括转子2、转子支架3、环形支架4、转轴5、线圈支架6、线圈7。
33.转子2包括球形磁铁以及包裹球形磁铁的两个半球形球壳，两个半球形球壳之间通过第一卡扣（图中未示出）可拆卸连接。转子支架3为一端固定在鼠标壳体底板上的圆管，其内壁周向设置有环形沟槽。转轴5包括两部分，这两部分的一端均与环形支架4的一端相连，另一端均与转子2相连。环形支架4的另一端位于环形沟槽内。转子2对称分布在转轴所处平面的上下两侧。
34.线圈支架6包括分别位于转子上下两侧的上支架和下支架，且上支架和下支架相对于鼠标机壳1固定设置。线圈7沿线圈支架6的外表面排布。转子2、转轴5和环形支架4共同沿环形沟槽周向旋转，转子2环绕转轴自转，在线圈中生成感应电流以发电。
35.基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标中转子的转动原理与陀螺仪的转动原理相同，相同外力作功下，其转子可以获得更快的转速和更长时间的转动，通过转子和线圈相配合，将外在的低速旋转运动转换为内部的高速磁体运动，以动铁的方式，收集转子旋转机械能，提高能量收集效率和发电功率。两个半球形球壳通过第一卡扣实现可拆卸连接，使得鼠标内的动子可拆卸，实现了鼠标的轻量化设计。
36.根据本发明的实施例，可拆卸发电单元还包括发条8。发条的一端固定在鼠标壳体上，发条的另一端通过第二卡扣（图中未示出）与转轴卡接以与转轴相互作用。发条用于在外力作用下为转子提供自转初速度，当转轴正向旋转时，第二卡扣拨动发条压缩发条弹簧以储存能量，当转轴反向旋转时，卡扣空转，不带动发条一起转动，第二卡扣脱离发条，发条
复原。
37.根据本发明的实施例，基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标还包括：依次连接在线圈输出端的整流桥电路和储能元件。整流桥电路用于将线圈输出的交流电转换为直流电，并对转换后的直流电进行降压转换。储能元件用于存储降压转换后的电能，并在储能元件的电压高于供电阈值时，为鼠标供电。
38.可选地，本发明实施例中，整个发电单元的大小约为35mm
×
35mm
×
30mm，转子2的直径为25mm。
39.参阅图5和图6，本发明实施例中，线圈支架中的上支架和下支架均为空心半球壳，线圈支架6相对于鼠标壳体1固定设置，不与转子2一起旋转。为了提高能量收集效率，线圈支架中的上支架和下支架均为球弧壳，两壳间留出足够空隙使转子沿沟槽旋转。本实施例中，两个球弧壳的内径13.5mm，外径14mm，球弧壳内表面与转子2的间隔为1mm。
40.参阅图5，本实施例中，线圈自中心面向上、下两端排布，其中，中心面为过转轴5，且与转子支架3端面平行的平面。
41.本发明一实施例中，线圈的排布形状为球形。球形线圈的组装方式及纵切面分别如图5和图6所示，线圈螺旋形均匀缠绕在球弧壳外表面上。可选地，本实施例中，球形线圈总匝数为200匝。
42.本发明另一实施例中，线圈的排布形状为圆柱形。圆柱形线圈的纵切面如图12所示，圆柱形线圈总匝数为600匝；通过有限元对线圈电压的仿真结果可知，本实施例中采用圆柱形线圈排布方式，线圈输出的总功率较大，整体发电功率较大。圆柱形线圈电压与时间的关系如图13所示，电压幅值39v，线圈内阻为28ω。
43.本发明实施例中，可拆卸发电单元中的转子的转动机构为一个陀螺仪系统，其可以将外界的做功转换为转子动能；转子2可沿转轴5旋转，也可随环形支架4沿环形沟槽旋转，基于陀螺仪原理，转子2旋转时的原理图如图7所示，转子2旋转时，转轴5两端分别紧贴沟槽上、下表面，在外部扭转力的作用下，沟槽摩擦力对转轴5做功，使转子2高速旋转；传统的振动或晃动的动子设计，运动的频率和幅度与施加力直接相关，而本实施例中，转子设计基于陀螺仪，相比于传统的振动或晃动的动子设计，能够收集更大的做功功率。为了便于使转子2沿转轴5转动，给陀螺仪系统一个初始速度，本实施例中，转子支架3在鼠标壳体1的底板上的安装位置处，设置有开口，便于从外界为陀螺仪系统提供外力。
44.本实施例中，转子2的空间磁通密度模竖直方向分量分布如图8所示，其中，中心面与转轴5重合；由图8可知，转子内部磁感线由s极指向n极，而在转子外，磁通密度模竖直分量主要集中于两极附近，而在分界面处为负值，在转子绕转轴旋转过程中，ns极方向不断调换，使竖直方向上的磁通变化率较大。
45.在有限元软件comsol中对转子2的空间感应电场分布进行仿真，考虑多匝线圈每匝闭合平面均水平，故取磁体ns极连线水平时刻感应电场分布，此时电场方向与线圈绕向相同，满足，其中，为每匝线圈感应电动势，为平均感应电场，r为线圈闭合平面半径，此时线圈电压取到最大值，取转子转速1800转/分，取空间分布纵切面，结果如图9所示。
46.经过实验测试，在现有技术下线圈支架内表面与转子间隔1mm为支架恰好不影响
转子旋转的距离，故本实施例中感应电压场与磁体预留了1mm的间隔。由图9分析可知，感应电场在中心面z=0mm紧贴磁体处取得最大值，向磁体外发散逐渐减小；本实施例中，线圈自中心面向上、下两端排布，即将线圈从感应电场最大处开始，按感应电场从大到小的次序排布，由此能够控制线圈的感应电压与内阻；进一步由等值线可知，线圈在-10mm《z《10mm的排布范围内，发电单元较好的性能，故本实施例中，线圈的排布范围具体为-10mm《z《10mm，以获得较大的发电功率。
47.本实施例中，通过有限元对线圈电压进行仿真，球形线圈电压与时间的关系如图10所示，电压幅值14v，线圈内阻为8.61ω。通过有限元对线圈电压的仿真结果可知，本实施例中采用球形的线圈排布方式，每匝线圈的输出功率较大，提高线圈利用率。
48.本实施例中，整流桥电路和储能元件为将发电单元产生的电能进行整流存储的部分。可选地，本实施例中，整流桥电路例如基于ltc3119，具体的电路拓扑如图11所示。ltc3119是一款集成式降压调节器，该器件可对储能元件（如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容）进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。输入电压源先经过整流桥电路将交流整为直流后输入到ltc3119的输入端，ltc3119芯片提供稳定的dc-dc降压转换，ltc3119的输出端接有储能元件用于储存电能，该芯片可以通过电阻进行编程，可有效提取能量。并在输出端采用了d触发器，通过电容与地相连。同时，ltc3119可以通过编程改变内部电阻从而达到最大功率输出。使用时可以首先测得前级电路在最大功率点时的输出电路，并以此编程ltc3119的工作电压。
49.本实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标，在转子转速为1200转/分条件下，所得到的直流电压波形显示，本实施例所采用倍压整流电路可将发电单元输出的交流电转换为稳定的4-5v空载电压，与现行鼠标的充电功率需求匹配。
50.本实施例提供的基于旋转发电的可拆卸式无线自供电鼠标，其中可拆卸发电单元的设计，通过线圈收集转子旋转的机械能并转化为电能，转子应用外加扭转力的陀螺仪旋转原理可以稳定维持高速旋转，并且，线圈的排布设计经过数学物理优化算法的考量，实现了机械能电能转化率的最大化，这两个因素使得线圈能够产生足够的电能，通过几分钟的发电储能即可满足一天的鼠标电能需求。
51.本实施例中，可通过鼠标壳体1底板上的开口，使转子沿转轴5转动，在此过程中，可对发条8储能；达到预设时间后，释放转子，发条8的弹性是能转化为动子动能，转子获得一定的初速度，与此同时，通过旋转或翻转鼠标等方式，使转子随环形支架沿环形构造旋转，可对转子施加扭转力t，相应的扭矩为r，陀螺仪运动关系如图14所示。在扭矩r作用下，转轴与环形沟槽两面产生摩擦力，使转子绕轴角速度变大，同时获得一个绕过沟槽圆心的竖直轴的角速度。t、ωs与的关系可用描述，其中j为球体转动惯量。当转子转速稳定时，如图7，ωs与有关系式，，其中，r1表示转轴半径，r2表示环形支架半径。
52.转子绕转子轴高速旋转过程中，磁体ns方向周期性变化，使多匝线圈闭合平面内的磁通量周期性变化，从而在线圈中感应出交流电流。感应电流频率，当磁体ns极连线水平时取到电流幅值。感应电流幅值与磁体直径，剩磁大小，线圈匝数，转子角速度ωs正相关，与线圈内阻负相关。
53.在实际应用中，可根据具体的需要，选择采用上述球形或圆柱形的线圈排布方式，并且可根据实际工程需要灵活调整线圈匝数。
54.由于在鼠标的实际使用过程中，可收集的能量较少，无法满足发电功率的要求，本发明将发电过程从鼠标的使用过程中分离出来，通过外加扭转力的方式使转子按照特定的方式旋转，基于陀螺仪原理，可拆卸发电单元将收集到足够的能量并存储到储能元件中，实现对鼠标的持续供电。
55.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。