采用磁铁和线圈进行振动能量采集的智能运动鞋的制作方法

本发明专利涉及一种智能运动鞋，尤其涉及一种采用磁铁和线圈进行振动能量采集的智能运动鞋。

背景技术：

简单低能耗传感器系统不断引领着可穿戴系统的发展，人们希望能够通过所穿运动鞋来检测日常运动量，以及人走路时的速度和加速度等。然而其中检测装置的能量供给是一个亟待解决的问题。随着科技的进步，能量采集技术为其能量供给提供了一种无需外部能源的方式。目前，研究人员通过研究人类步法，提出了多种集能方式。例如，利用人走路时运动鞋的摇摆和脚后跟与地面的碰击设计的能量采集装置。然而，随着小型化低能耗的不断发展，人们希望将能量采集装置集成到运动鞋里面。

目前已有很多种类型吸收足部振动能量发电的运动鞋，一般可分为机械齿轮传动式、压电式和电磁式三种。公开号为CN102475371A的中国专利“发电鞋”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。但工作过程中齿轮和传动装置一直处于摩擦状态，齿槽效应力矩较大，齿轮等装置很容易损坏，且影响运动鞋的舒适性。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。公开号为CN2762591的中国专利“发电鞋”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。但目前压电材料强度较差，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，所以该发明对压电材料要求较高。公开号为CN102334772A的中国专利“多功能磁力发电鞋”提出一种应用在足部的电磁式发电装置，该装置通过人体行走时的挤压，使永磁铁发生上下运动，从而使附近线圈内的软磁体不断改变磁极来切割磁感线，形成磁力发电装置。但该装置由于足部垂直位移小，改变软磁体磁极的效果并不明显。目前还有一些研究人员设计了一种采用模块化单元嵌入式的机械式能量采集装置的智能鞋，这种结构将永磁式发电结构和电极感应式发电结构结合为一体，采用轴向极性相对的永磁铁排列方式以及导电液滴将相邻两永磁铁隔开；此能量采集装置通过电磁感应和电极感应来收集能量。但其尚存在局限性，由于发电装置采用两种的结合增加了其空间尺寸，并且采用永磁铁排列方式为轴向不同极性相对，其单边磁场效应相对较弱，磁能密度较低，而电磁感应主要就是依赖其单边磁场，因此这种结构导致永磁铁磁场的利用率较低，发电效率低，降低了智能鞋的性能。同时模块化单元嵌入式的机械式能量采集装置的智能鞋中能量采集装置的齿槽效应力矩较大,影响鞋子的舒适性。

基于此，有必要提出一种采用磁铁和线圈进行振动能量采集的智能运动鞋，该智能运动鞋中的能量采集装置采用高能密磁阵列磁铁布置的永磁铁组来增强智能运动鞋的单边磁场效应，即增加磁能密度，实现对振动机械能的高效采集；同时配合使用四相线圈绕组设计，大大提高了发电效率和发电功率，也缩小了其空间尺寸；另外，高能密磁阵列布置的磁铁组可以得到在空间按理想正弦分布的磁场，可大大减弱智能运动鞋中的能量采集装置的齿槽效应力矩，提高智能运动鞋的舒适度。

技术实现要素：

为了克服背景技术所述智能运动鞋中的能量采集装置体积大、磁能密度低、发电效率低的问题及满足能量回收装置的实际使用要求，本发明提供一种采用磁铁和线圈进行振动能量采集的智能运动鞋。该智能运动鞋能量采集装置通过两个紧固片将4个不同极性方向的永磁铁固定安装在紧固销上，形成高能密磁阵列永磁铁组；缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈由4个独立线圈组成；当有外部压力时，管道内的液流体就会受到压力向某一方向来回流动，流动的流体推动永磁铁组作往复直线运动；在磁场的作用下，缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈中将会产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成单相直流电，从而可直接用于其他毫瓦级无线传感器等设备供电；另外，转换后的直流电也可储存在储能电路中，从而真正实现依靠人类运动的振动能量采集。本发明智能运动鞋将能量采集装置内置于运动鞋鞋底中，结构简单，空间利用合理；高能密磁阵列布置的磁铁组可以得到按理想正弦分布的空间磁场，可大大减弱智能运动鞋中的能量采集装置的齿槽效应力矩，提高智能运动鞋的舒适度；另外永磁铁组布置成高能密磁阵列，可以有效提高永磁铁组的磁场利用率，进而提高智能运动鞋能量采集效率和发电功率，满足对内置于运动鞋内的能量采集装置的空间尺寸和能量采集的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：连接头I(1)、能量采集装置(2)、连接头II(3)、液流体(14)、液力弹簧(15)、回复式吸振驱动器I(101)、连接头III(102)、管道I(103)、弹性线I(104)、弹性线II(105)、管道II(106)、连接头IV(107)、回复式吸振驱动器II(108)、智能运动鞋(109)；回复式吸振驱动器I(101)安装在智能运动鞋(109)的后脚跟，回复式吸振驱动器II(108)安装在智能运动鞋(109)的前脚掌；回复式吸振驱动器I(101)外表面和回复式吸振驱动器II(108)外表面分别安装有液力弹簧(15)；回复式吸振驱动器I(101)前端面底部水平方向加工有螺纹孔，并与连接头III(102)的一端螺纹连接；连接头III(102)的另一端与管道I(103)的一端固定连接；管道I(103)的另一端与连接头I(1)固定连接；能量采集装置(2)两端分别加工有外螺纹，连接头I(1)和连接头II(3)分别与能量采集装置(2)螺纹固定连接；回复式吸振驱动器II(108)的后端面底部水平方向加工有螺纹孔，并与连接头IV(107)的一端螺纹连接；连接头IV(107)的另一端与管道II(106)的一端固定连接；管道II(106)的另一端与连接头II(3)固定连接；所述能量采集装置(2)由外套筒(4)、感应线圈(5)、感应线圈绕线架(6)、永磁铁组(7)、螺钉I(8)、紧固片I(9)、紧固销(10)、紧固片II(11)、螺钉II(12)及方形安装盒(13)组成；紧固销(10)的上下端部分别加工有外螺纹，紧固片I(9)和紧固片II(11)分别加工有螺纹通孔，紧固片II(11)与紧固销(10)下端部通过螺纹固定连接；永磁铁组(7)由永磁铁I、永磁铁II、永磁铁III、永磁铁IV4个不同极性的永磁铁组成；4个永磁铁中间分别加工有圆形通孔，永磁铁组(7)圆形通孔的内表面与紧固销(10)的外表面过渡配合；永磁铁组(7)按序安装在紧固销(10)上，并通过紧固片I(9)轴向固定；其中，永磁铁(IV)下端面和紧固片II(11)上端面紧密结合，永磁铁(III)的下端面与永磁铁(IV)上端面紧密结合，永磁铁(II)的下端面与永磁铁(III)的上端面紧密结合，永磁铁(I)的下端面与永磁铁(II)的上端面紧密结合；感应线圈绕线架(6)中间加工有圆形通孔，感应线圈绕线架(6)圆形通孔内表面分别与永磁铁组(7)外表面、紧固片I(9)和紧固片II(11)外表面间隙配合；感应线圈绕线架(6)外表面加工有4个绕线槽，感应线圈(5)由4个独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架(6)绕线槽内；4个独立线圈引线A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄、B₄分别从绕线槽①、②、③、④引出，进入感应线圈绕线架(6)的上端部引线槽，由外套筒(4)上的引线孔引出；感应线圈(5)采用四相绕组结构设计，可有效增加感应线圈(5)发电功率，提高智能运动鞋(109)发电效率；感应线圈绕线架(6)和外套筒(4)下端部分别加工有台阶，两者轴向固定；感应线圈绕线架(6)两端加工有外螺纹，可分别与连接头I(1)和连接头II(3)螺纹连接；方形安装盒(13)水平安置于鞋底内，且开口朝鞋子上部，用于轴向固定感应线圈绕线架(6)和外套筒(4)；紧固销(10)的两端部轴向分别加工有螺纹孔，并分别与螺钉I(8)和螺钉II(12)固定连接；所述螺钉I(8)和螺钉II(12)的顶部分别加工有耳环，螺钉I(8)上的耳环与弹性线II(105)固定连接；弹性线II(105)依次穿过管道II(106)和连接头IV(107)，并与回复式吸振驱动器II(108)固定连接；螺钉II(12)上的耳环与弹性线I(104)固定连接，弹性线I(104)依次穿过管道I(103)和连接头III(102)，并与回复式吸振驱动器I(101)固定连接；所述能量采集装置(2)中的永磁铁组(7)采用高能密磁阵列布置方式，可使永磁铁组(7)产生高密度磁力线；磁力线走向分为三部分，首先，永磁铁I的N极进入感应线圈绕线架(6)和感应线圈(5)，到达外套筒(4)，再通过感应线圈绕线架(6)进入永磁铁紧固片I(9)，最后回到永磁铁I的S极，形成闭合磁路；其次，永磁铁III的N极与永磁铁II的S极相接，永磁铁II的N极与永磁铁I的S极相接，永磁铁I的N极进入感应线圈绕线架(6)和感应线圈(5)，到达外套筒(4)，再通过感应线圈绕线架(6)返回到永磁铁III的S极，形成闭合磁路；最后，永磁铁III的N极与永磁铁IV的S极相接，永磁铁IV的N极进入永磁铁紧固片II(11)，再进入感应线圈绕线架(6)和感应线圈(5)，到达外套筒(4)，然后通过感应线圈绕线架(6)返回到永磁铁III的S极，形成闭合磁路；所述能量采集装置(2)内置高能密磁阵列布置的永磁铁组(7)和感应线圈(5)，使智能运动鞋(109)能够在人行走时对振动能量进行采集；人行走时后脚跟和前脚掌不同时着地，当后脚跟着地时，回复式吸振驱动器I(101)内部的液流体(14)就会推动永磁铁组(7)向前运动，永磁铁组(7)与感应线圈绕线架(6)沿轴向做相对运动；当前脚掌着地时，回复式吸振驱动器II(108)内部的液流体(14)就会推动永磁铁组(7)向后运动，永磁铁组(7)相对与感应线圈绕线架(6)沿轴向同样做相对运动；在永磁铁组(7)往复运动作用下，缠绕在感应线圈绕线架(6)中的感应线圈(5)切割磁感线，产生交流电，整流后可直接供电于一些毫瓦级无线传感器等检测装置，同时转换后的直流电也可储存在储能电路中。回复式吸振驱动器II(108)、管道II(106)和能量采集装置(2)围成封闭容腔A；回复式吸振驱动器I(101)、管道I(103)和能量采集装置(2)围成封闭容腔B；封闭容腔A和B内充满液流体(14)；当有外部压力时，封闭容腔A和B内的液流体(14)就会分别推动永磁铁组(7)沿轴向方向作往复直线运动。外套筒(4)、感应线圈(5)、永磁铁组(7)、紧固片I(9)、紧固片II(11)分别由导磁材料制成，其余由不导磁材料制成，通过对能量采集装置(2)零件材料的优选配置，可以避免或减少常规漏磁，提高智能运动鞋的发电效率。

本发明技术与背景技术相比，具有的有益效果是：

（1）本发明能量采集装置通过两个紧固片将4个不同极性方向的永磁铁固定安装在紧固销上，形成高能密磁阵列永磁铁组，可以大幅提高永磁铁的磁场利用率；缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈由4个独立线圈组成，采用四相线圈绕组设计来提高发电效率和功率；当有外部压力时，管道内的液流体就会受到压力向某一方向来回流动，流动的流体推动永磁铁组作往复直线运动；在磁场的作用下，缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈中将会产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成单相直流电，从而可直接用于其他毫瓦级无线传感器等设备供电；另外，转换后的直流电也可储存在储能电路中，从而真正实现依靠人类运动的振动能量采集。

（2）本发明将能量采集装置内置于运动鞋鞋底中，结构简单，空间利用合理；高能密磁阵列布置的永磁铁组可以得到按理想正弦分布的空间磁场，可大大减弱智能运动鞋中的能量采集装置的齿槽效应力矩，提高智能运动鞋的舒适度；另外，永磁铁组布置成高能密磁阵列，可以有效提高永磁铁组的磁场利用率，进而提高智能运动鞋能量采集效率和发电功率，满足对内置于智能运动鞋内能量采集装置的空间尺寸和能量采集的要求。

附图说明

图1是本发明仰视图。

图2是本发明主视图。

图3是本发明能量采集装置结构示意图。

图4是本发明能量采集装置中永磁铁组结构示意图。

图5是本发明能量采集装置中感应线圈引线示意图。

图6是本发明能量采集装置中液体流动示意图。

图7是本发明能量采集装置磁力线分布示意图。

图8是本发明能量采集原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1所示是本发明仰视图，图2所示是本发明主视图，主要包括连接头I1、能量采集装置2、连接头II3、回复式吸振驱动器I101、连接头III102、管道I103、弹性线I104、弹性线II105、管道II106、连接头IV107、回复式吸振驱动器II108、智能运动鞋109、液流体14和液力弹簧15。

图3所示是本发明能量采集装置结构示意图，主要包括外套筒4、感应线圈5、感应线圈绕线架6、永磁铁组7、螺钉I8、紧固片I9、紧固销10、紧固片II11、螺钉II12和方形安装盒13。

图4所示是本发明能量采集装置中永磁铁组结构示意图。永磁铁组7由永磁铁I、永磁铁II、永磁铁III和永磁铁IV组成；永磁铁I径向由内到外S极-N极布置，永磁铁II轴向由上到下N极-S极布置，永磁铁III径向由内到外N极-S极布置，永磁铁IV轴向由上到下S极-N极布置；4个永磁铁按照上述顺序依次安装在紧固销10上，并通过紧固片I9和紧固片II11压紧。

图5所示是本发明能量采集装置中感应线圈引线示意图，感应线圈5由4个独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架6绕线槽内；4个独立线圈引线A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄、B₄分别从绕线槽①、②、③、④引出，进入感应线圈绕线架6的上端部引线槽，由外套筒4上的引线孔引出；感应线圈5采用四相绕组结构设计，可有效增加感应线圈5发电功率，提高智能运动鞋109发电效率。

图6所示是本发明能量采集装置中液体流动示意图。回复式吸振驱动器II(108)、管道II(106)和能量采集装置(2)围成封闭容腔A；回复式吸振驱动器I(101)、管道I(103)和能量采集装置(2)围成封闭容腔B；封闭容腔A和B内充满液流体14；当有外部压力时，封闭容腔A和B内的液流体14就会分别推动永磁铁组7沿轴向方向作往复直线运动。

图7所示是本发明能量采集装置磁力线分布示意图。磁力线走向分为三部分，首先，永磁铁I的N极进入感应线圈绕线架6和感应线圈5，到达外套筒4，再通过感应线圈绕线架6进入永磁铁紧固片I9，最后回到永磁铁I的S极，形成闭合磁路；其次，永磁铁III的N极与永磁铁II的S极相接，永磁铁II的N极与永磁铁I的S极相接，永磁铁I的N极进入感应线圈绕线架6和感应线圈5，到达外套筒4，再通过感应线圈绕线架6返回到永磁铁III的S极，形成闭合磁路；最后，永磁铁III的N极与永磁铁IV的S极相接，永磁铁IV的N极进入永磁铁紧固片II11，再进入感应线圈绕线架6和感应线圈5，到达外套筒4，然后通过感应线圈绕线架6返回到永磁铁III的S极，形成闭合磁路。

图8所示为本发明能量采集原理图。人行走时的振动导致能量采集装置2中的永磁铁组7和感应线圈5产生相对运动，使智能运动鞋109发电，可直接供电于一些传感器等检测装置，同时转换后的直流电也可储存在储能电路中。产生的交流电通过交直流转换器进行转换，交直流转换器包括整流电路、滤波电路以及稳压电路。其中，整流电路将升压变压器输出的交流电进行整流处理，从而把大小和方向都随时间变化的交流电变换为方向不变、大小随时间变化的单相直流电。其次，滤波电路将整流电路输出的单相直流电中残余的交流分量滤除，从而得到相对比较稳定的直流电；最后，稳压电路将滤波电路输出直流电进一步进行稳压处理，得到恒定的电压。具体地，整流电路滤波电路和稳压电路的具体电路器件和参数可根据需要进行灵活地设计；另外上述储能元件可以灵活选用锂电池、镍氢电池、超级电容等元件，只要能够实现储能目的即可。

本发明工作原理如下：

智能运动鞋109的后脚跟安装有回复式吸振驱动器I101，前脚掌安装有回复式吸振驱动器II108，由于人走路时后脚跟和前脚掌不同时着地，因此当后脚跟着地时回复式吸振驱动器I101受到外部压力时，其内部的液流体14就会在压力的作用下通过连接头III102进入管道I103内，管道I103内的液流体14受到挤压进入连接头I1，进而推动能量采集装置2内的永磁铁组7向前运动，永磁铁组7沿轴向相对与感应线圈绕线架6做相对运动；反之，当前脚掌着地时，回复式吸振驱动器II108受到外部压力时，其内部的液流体14就会在压力的作用下通过连接头IV107进入管道II106内，管道II106内的液流体14受到挤压进入连接头II2，进而推动液体会推动能量采集装置2内的永磁铁组7向后运动，永磁铁组7与感应线圈绕线架6做相对运动。在永磁铁组7往复直线运动作用下，缠绕在感应线圈绕线架6中的感应线圈5切割磁感线，产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成直流电，从而用于毫瓦级无线传感器等设备使用，另外也可以将转换后的电能储存在储能元件中。