一种可用于锁业的环保机械电池的制作方法

1.本发明涉及能源与环保领域，属于机电设备领域。具体而言，是一种适用于锁业的环保机械电池。


背景技术：

2.随着时代科技的进步和社会对安全的重视，使用电子技术的智能锁已经在日常生活中日趋广泛，智能锁的操作便利度，破解难度，生活场景的适应度远高于传统的机械锁。
3.传统机械锁使用钥匙与锁槽间物理形状匹配的低加密手段达成可控锁死的目的，这一方式极易被复制破解。而采用电子技术的智能锁，可以从人体生理特征的独一性结合电子信息加解密算法（如rsa,3des,aes,椭圆曲线加密算法等）的高强度防破解能力达成可控锁死的目的。电子信息加密是信息时代的安全基石，守护着远超（百万倍于）个体家庭资产总价值的庞大信息资产，是一种极其可靠的可控锁死技术。
4.然而，电子技术的缺陷也显而易见。传统机械锁使用力学结构，无须外部能量供应，仅使用者对钥匙加力即可开门。而电子锁采用电子技术，需要外部电能供应，由此产生一系列的传统机械锁没有的硬性缺陷与环境伤害，如：1） 电量焦虑问题：供电不足（如电源断电，电池欠压）时，电子设备失效导致电子锁瘫痪。2） 电器老化问题：电路长时不断电运行，导致电子元器件的使用寿命相对机械产品而言极短。3） 电池污染问题：针对锁业而言的供电装置如电池等，其生产，使用，报废对环境伤害极大。
5.近一个世纪以来，酸雨，雾霾，气候变暖，极冠融化，河道坏死，土地沙化，森林枯死，动物剧减，癌症高发等极端现象频繁显现，高度发达的工业逐步瘫痪了自然环境的自净能力，也间接影响了人类的身体健康。环保是工业与人和自然形成良性平衡的可持续发展战略，也是当下迫在眉睫的时代需求。
6.在当前特定的时代背景下，如何有效降低各行各业的环境污染成为全球，全社会的普遍共识。因此，兼顾电子加密技术的高防破能力与高便利性，克服智能锁体中因使用电子器件而导致的硬性缺陷，同时，降低其对环境的伤害，必将成为低碳时代，锁业极其核心的问题。
7.

技术实现要素：

8.为了在满足锁类智能电子化的同时，至少解决上述的问题，本发明提供一种绿色环保的短时长供电电池方案。其供电特征为，发生扭矩输入时，提供短时长稳压直流电。其组成包括：输力机构，单向传力机构，行程放大机构，微型发电机构，变压稳压电路，蓄电器件。
9.本发明使用的技术原理是：基于物理学能量转换原理，将输入扭矩做功的机械能直接转换为电能。通过单向传力机构使输入扭矩在单一方向有效（简称做功行程），其反向空转（简称复位行程）用于输入装置复位。输力机构的输入扭矩在做功行程中，通过齿轮配
合传递给行程放大机构，行程放大机构将低速扭矩转换为高速扭矩并作用于微型发电机，微型发电机通过电磁感应原理产生电能，电能经由变压稳压电路转换为稳压直流电，电路产生2路输出，电能输出1供外部电路使用，电能输出2接蓄电器件。电能输出1与电能输出2是并联关系。
10.【本发明解决电量焦虑问题的对应特征】 针对电量焦虑问题，受限于锁体安装时的物理空间限制与适用改造难度，现有智能锁绝大多数采用电池供电方式，为对应电量焦虑问题，采用降低电路待机功耗的方式，使用具有超低功耗待机供能的芯片，延长干电池或充电电池的供电时长，在一定程度缓解了电量焦虑问题。但并未完整解决电量不足的边界失效问题，即：亏电且错过欠电警告的充电期，进而导致门锁无法开启。部分厂商采用外置充电接口或者内含传统开锁结构的方式，解决边界失效问题。这些解决方案一定程度缓解了电量焦虑。然而，受限于解决方案的缺陷，智能锁的应用目前仅局限于电能供应充足且配件充足的应用场景中，例如家庭，商业门店等。
11.基于本发明采用机械能转电能的物理原理这一前提，本发明对应电量焦虑的特征为：1)改变供电原理：以能源转换设备取代基于电化学反应的蓄电设备，且能源转换设备的输入为极易从使用者获取的机械能，无传统电池的电化学性能随时间自然降低的缺陷，2)结合优化的结构设计改变电池电量衰减的特征，电量衰减与使用次数有关，基本不随时间发生变化，进而延长安全使用年限，3)结合优化的结构设计，发生电量衰减时，无须接触电池进行改造，增加做功行程即可抵消电量衰减，进而延长安全使用年限。
12.具体而言，对于本发明的电池，电量衰减与两个因素相关：1).发电机永磁体发生消磁导致电磁效应产生的电量不足; 2). 机械磨损导致行程放大机构的放大比例减小，进而导致做功行程不足。
13.对于第一个因素消磁问题而言，永磁体耐寒惧热，不会发生自然退磁现象，仅在以下4种特殊情况下易发生消磁现象。相关情况及其对应的解决方法如下：1）高温退磁：由于本发明的机械电池，其输入是低速大力的扭矩，与外界的连接部分为输力机构，作为隔离对象的永磁体，与内部结构件（发电机转子外壳）采用耐高温的粘合剂粘合的方式，故而外部的温度通过结构连接件对永磁体产生的温度影响极低，而通过空气介质传递的温度，可通过永磁体表面涂刷抗高温介质降低温度传递2）高频撞击退磁：由于本发明的电池外部受力特征为低速大扭力。固定本发明的电池时，使用耐高温柔性垫片可有效抵抗高频撞击，固定方式不限定于四角凹型空腔固定（不使用螺丝）等。如外部机构本身已具备抗高频撞击的能力，可直接采用螺丝固定的方式使用本发明的电池3）高磁场退磁：由于本发明的电池外壳拟采用导磁良好的金属材料结构件密封，密封导磁体在磁场中具备良好的封磁性，外部强磁场作用于本发明的电池时，绝大部分磁场线从外壳通过，故而无法对内部的发电机永磁体形成具有消磁效果的高磁场4）杂质过多退磁：对于磁体的杂质问题，可采用热压热变形，粉末冶金等现代工艺生产合金永磁体，确保加工过程在真空环境中进行，同时成品表面电镀以防止使用过程中因氧化问题导致的杂质逐渐增多的问题同时，由于本发明的应用领域对永磁体的使用特征为：短时使用，长时间歇的低频
间歇式应用。在这一前提下不存在导致消磁的高温，高磁场，高频撞击，故消磁问题不是电量衰减的主要原因。
14.对第二个因素做功行程不足，这一问题可以通过增加做功行程解决，具体而言，借助蓄电器件蓄积电能，发生电量衰减时，采用增加做功行程的方式弥补电池的衰减导致的电能不足，进而提供足够的电能驱动电路工作。对于本发明而言，增加做功行程有两种方式（为描述方便，假定顺时针方向为做功行程方向，逆时针方向为复位行程方向）：a)顺时针方向加大扭转角度，可以增加做功行程;b)在输入角度固定有限的场景下且假定最大行程角度a，按类似[顺时针a度,逆时针a度,顺时针a度,逆时针a度
…
]的规律输入扭矩，可增加做功行程。
[0015]
对本发明而言，在正常使用环境中，机械磨损是导致电量衰减的主要原因，由于本发明的电池本体中采用例如不锈钢等的合金钢作为制造材料，故而机械磨损的衰减周期极长（机械磨损的周期可参照汽车零部件，可参考相关行业标准），且机械磨损的衰减程度与使用次数密切相关，与产品的使用时长无强对应关系（密封件内的金属腐蚀周期极长）。
[0016]
【本发明解决电器老化问题的对应特征】作为一个新兴产品的智能锁，真正进入市场至今大约二十年，相对于机械锁近千年的历史（以汉代铜制三簧锁为起点）而言极其短暂。就安全使用年限而言，有收藏记录证证明的铜锁历经百年依然可以正常使用。而智能锁的安全使用年限约10年左右（厂家理论评估值的均值）。
[0017]
由于目前智能锁市场占比低，应用年限少，所以电器老化问题并未成为制约智能锁发展的主要因素。然而，随着智能锁的普及，使用寿命短将是其发展过程中不可忽视的路障。
[0018]
就电路使用寿命短而言，现有的智能锁产品因各种各样的原因，无一例外采用不断电电路运行模式，这加速了电路的老化，堪称影响使用寿命的主因。而且，电器产品的更新换代快，这进一步缩减了其使用寿命。产生的后果是，应用周期长的场景中鲜有智能锁的身影。换言之，在设计寿命超过10年的设备/装备中尚未发现智能锁的应用。
[0019]
针对电路老化问题，从电气工程的角度讲，除“内含液态挥发性化学物质”的电子元器件（例如电解电容）会发生性能自然衰减甚至失效外，其他电子元器件或电路板主要因以下原因导致电器老化：1)电流通过导体使其发热，致使金属氧化加快导致导体形变而改变电阻2)金属材料在电接触处形成表面膜，使得电阻变化甚至绝缘(这一原因对弱电系统影响极大)3)金属氧化物在通电状态发生电化学反应(例铜锡氧化物)，加快元件氧化，致使电阻变化甚至绝缘为应对电器老化问题，延长智能锁电路的使用寿命，本发明采用按需供电的方式，减少电路运行时间。无输入扭矩时，电路处于断电停止状态。简而言之，本发明对应电器老化问题的特征为：按需供电，无扭矩输入时不提供电能。以下计算示例简述传统不间歇供电与本发明的按需供电之间的差异。
[0020]
以产品使用1周为测试周期，以同一电路主板为测试对象，传统供电与本发明供电的差异如下：
1） 采用传统供电(7*24不间歇供电)模式的电路负载时间为：to = 7天 * 24小时 * 3600秒 = 604,800(秒)2） 采用本发明（按需供电模式）的电路负载时间为：tn = 7天 * 10000次 * 1秒 = 70,000(秒)其中，10000次为每天开门的次数，1秒为每次开门时电路工作的时间3） 两者比例大约为：s = to / tn = 8.628（倍）即：采用本发明的供电方式与传统供电方式相比，电子零器件的工作时长缩短约8.63倍，工作寿命理论上可延长约8.63倍。
[0021]
显而易见，采用按需供电的方式，智能锁电路只需避开电解电容类元件的使用，即可获得极长的安全使用年限。
[0022]
【本发明对环境保护问题的对应特征】电池污染问题实质是一个环保问题。为解决当下时代关注的环保问题，大量智能锁产品使用充电锂电池，以期降低碳排放，减少使用过程的环境污染，同时，通过延长电池的使用年限，降低报废次数以减少废弃污染。在实际供电体系的原材料占比结构并未发生实质性改变的前提下，特别是火力发电高占比的当下，充电方式并未达到预期的环保期望，这一改变只是间接的解决自身产品中电池使用期间的环保问题，将环保压力转移至供电机构，并未真实解决环境影响。并且，充电电池并未解决废弃时的环境污染问题。
[0023]
为切实直面环境影响，本发明对应环境保护的特征为：1).使用无污染易回收原材料替换不易回收原材料；2).使用基于物理原理的供电方式替换基于电化学反应的供电方式；3).使用长安全使用年限设计替换短安全使用年限设计。
[0024]
具体对环境的保护效果，使用量化模拟估算方法，可参考如下：1） 全国13亿人口，假定共3亿家庭，共3亿把门锁。（暂不考虑商铺门，车辆门，防盗柜门等）2） 统一按8节干电池（12v）供电模式，电池每年更换一次。（火力发电高占比下，充电电池的污染高于干电池）3） 智能锁的普适度按30%计算，约1亿把智能锁，年损耗约8亿颗干电池4） 电路平均寿命参照不断电电器（电冰箱）的安全年限，暂定传统智能锁安全年限为12年。采用本电池后，智能锁使用年限约为100年（12年 * 8.36倍），结合现实应用场景暂定安全年限为70年5） 采用本发明的电池，最低每年节省8亿颗干电池的制造材料，加工污染，废弃污染6） 以建筑的产权年限70年为评价周期，一个周期内免去560亿颗干电池的污染，假定12年更换一次门锁，70年内共免更换5次，即减少5亿块电路板的生产使用，在一个周期的结束后，遗留一亿块可回收的全金属制品。
[0025]
【有益效果】本发明的有益效果是，安全可靠可用于极端环境，按需供电可延长内外部电路使用寿命，长效供电利于内封闭一体化设计，电能充沛不断电，制作工艺简单，使用寿命长，废弃回收方便可二次利用，可极大程度降低智能锁的整体环境污染，可减少智能电子锁的应
用盲区。
[0026]
需要补充的是，本发明的电池可减少智能锁的应用盲区，可为电能紧缺，物质缺乏，应用年限长的极端应用场景提供使用寿命极长的电源，进而为这些场景中的锁智能化提供实现基础。其核心的特征是：电能从使用者处按需获取，供电年限长，使用限制少。具体而言，优选的可扩展应用场景如下：1） 应用于集装箱门的智能电子锁2） 应用于车辆关键部位的智能电子锁3） 应用于远航船体的智能电子锁4） 应用于太空设备的智能电子锁5） 应用于深海隧道，荒野电站，沙漠远洋，极地深山等不易抵达地点的智能电子锁6） 应用于防盗柜，档案柜等高保密特种设备的智能电子锁
附图说明
图1，图2是实施例结构原理图。
[0027]
图3是实施例中输力机构的结构分解说明。
[0028]
图4是实施例中变压稳压电路的电路图。
[0029]
其中，1001是输力机构的空心轴套，1002是输力机构的空心齿轮柱，1003是输力机构的空心轴套。
[0030]
2001是高载荷单向传力机构的固定轴，2002是高载荷单向传力机构的固定导向轴，2003是高载荷单向传力机构的上固定班，2004是高载荷单向传力机构的下固定盖板，2005是高载荷单向传力机构的传动齿轮，2006是高载荷单向传力机构的传动齿轮轴导轨槽，2007是高载荷单向传力机构的卡簧，2008是高载荷单向传力机构的旋转轴。
[0031]
3001是行程放大机构的变速齿轮组合，3002是行程放大机构的传动齿轮。
[0032]
4001是微型发电机的机体，4002是微型发电机的齿轮。
[0033]
5002是变压稳压电路，5002
‑
01是变压稳压电路的输入正极，5002
‑
02是变压稳压电路的输入负极，5002
‑
03是变压稳压电路的输出正极，5002
‑
04是变压稳压电路的输出负极。
[0034]
具体实施方式
[0035]
优选的以内嵌组件的方式适配6068标准门锁锁体为例，电池形状为长方体结构，空间尺寸约合（小于）4节5号电池的圆柱端面以田字形贴合组装后形成的长方体大小。应用于其他尺寸的锁体机构时，可通过等比例放大或缩小零件尺寸的方式适配，个别适应场景可适当变化零件组成结构。
[0036]
下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。
[0037]
【输力机构】输力机构又称三段异步传力机构，由空心轴套1001，空心齿轮柱1002，空心轴套1003组成，三个零件的空心部分均为大小一致的正四方孔，各轴套凹槽内端面与空心齿轮
柱的上下端面贴合。转动期间，轴向无外力，由扭力驱动空心齿轮柱旋转。其特征在于：1),三段式设计有利于采用不同材质的材料，使输力机构同时具备耐磨和扭矩大的特性。2),本发明的电池作为内嵌构件时，有益于前锁柄施力与后锁柄施力产生差异性输出效果。
[0038] 【单向传力机构】单向传力机构由固定轴2001，固定导向轴2002，上固定板2003，下固定板2004，传动齿轮2005，传动齿轮轴导轨槽2006，卡簧2007，旋转轴2008组成，其中，传动齿轮2005与空心齿轮柱1002是齿轮配合，用于单向传递输入扭矩。固定板2003和固定板2004与固定轴2001是孔轴紧配，与固定导向轴2002是孔轴紧配，与旋转轴2008是孔轴松配。传动齿轮2005与固定导向轴2002是孔轴松配。其特征在于：1）高载荷，2）单向传力，3）熔断保护。
[0039]
具体的原理是，空心齿轮柱1002在做功行程施力时，对传动齿轮2005的作用力的分力使其紧密贴合于空心齿轮柱1002，两者间进入自锁贴紧状态。复位行程施力时，传动齿轮2005的轴（2002）围绕旋转轴2008沿传动齿轮轴导轨槽2006远离空心齿轮柱1002，进而使两者的齿轮配合脱离失效。
[0040]
单向传力机构作为扭矩输入机构与行程放大机构之间的连接枢纽，其具体作用在于：1） 单向传力机构有益于输力装置复位。不存在本机构时，由于行程放大机构输出末端的高速旋转直接作用于微型发电机的转子，发电机转子具有相对较大的质量，进而因其高速惯性转矩导致做功行程与复位程切换时，产生极大的临界冲击力，致使输力装置无法复位。且由于复位行程中并未截断扭矩的传递，因而导致复位行程需施加较大外力。而存在本机构时，在复位行程中，由于输入机构处于无负载空转状态，只需较小的弹力即可使输力装置复位2） 单向传力机构用于自毁保护。人手对力矩的控制无法做到匀速线性，且在使用过程中，难免出现暴力旋转，甚至破坏性高速暴力输入，此处高载荷单向传力机构选用一定硬度的金属（例如铜），兼顾传力的高载荷能力的同时，在遭遇破坏性输入时，用自身损坏（断齿）保护其他相对价值较高的机械及电池组件不受破坏的影响，对整体器件具有极好的防爆保护作用。为达成这一保护目的，扭矩输入机构的齿轮1002，高载荷单向传力机构的齿轮2005，行程放大机构的输入齿轮3001
‑
01这三者间假定采用（钢齿：铜齿：钢齿）的材质配合。当扭矩输入机构高速暴力旋转时，铜齿因材质硬度原因导致断齿，其下级的行程放大机构的输入齿轮不受这一损伤的影响，进而起到类似于电路保险丝的“熔断”保护作用除上述的优选实施例之外，作为次优选的实施方法，在组成结构上，可使用单向轴承（又称超越离合）替换上述结构中，除固定导向轴2002和传动齿轮2005之外的其他部件。简化后，单向传力机构由固定导向轴2002，单向轴承，承力齿轮，传动齿轮2005组成。单向轴承内圆柱面与固定导向轴2002是孔轴紧配，单向轴承外圆柱面与承力齿轮是孔轴紧配，承力齿轮与空心齿轮柱1002是齿轮配合，传动齿轮2005与固定导向轴2002是孔轴紧配。
[0041]
【行程放大机构】行程放大机构在本发明方案中具有极其重要的意义，其传动比例位于1:40和1:60之间，相应地，在实施例的结构内参与行程放大的所有组件（输力机构，单向传力机构，行程放大机构，发电机齿轮）形成1:120至1:180的大比例加速齿轮组合。在这一比值范围内，本发明的电池具备最佳的旋转施力体验。小于1:120时，扭力旋转角度超过90度；大于1:180
时，需成年人加力开启。
[0042]
行程放大机构由变速齿轮组合3001与传动齿轮3002组成，其中齿轮加速箱的输入齿轮3001
‑
01与旋转轴2008是孔轴松配，变速齿轮组合3001的传动比设计值在1:40至1:60内时，其特点在于：1)具备舒适的施力体验，2)具有合理的施力时间（针对相同行程），3)具有平滑的施力的强弱变化，4）具有优质的旋转角度。
[0043]
次优选的，齿轮加速箱内可使用行星齿轮结构承载更大的扭矩。
[0044]
【微型发电机构】微型发电机构由发电机4001与齿轮4002组成，齿轮4002与发电机转子中心轴是孔轴紧配。齿轮4002与传动齿轮3002是齿轮配合。传动齿轮3002的旋转驱动齿轮4002旋转，齿轮4002带动发电机转子同步旋转，在电磁感应的作用下产生电动势。
[0045]
本发明使用的微型发电机采用3相6级9槽发电机，其优势在于：1)三相6级9槽电机的各槽抗磁力对转子的合力矩在旋转时相对平稳均匀,2)制造工艺成熟，且性能稳定，输出功率高。3)无碳刷结构，使用过程无电火花。
[0046]
【变压稳压电路】变压稳压模块由三相整流模块，dc
‑
dc降压稳压模块5002组成，三相整流模块采用在售三相整流模块，微型发电机的三相输出与三相整流桥的三相输入连接，三相整流桥的正负级输出与dc
‑
dc降压稳压模块5002的输入正极(5002
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01)，输入负极(5002
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02)相连。降压模块5002的输出正极5002
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03与输出负极5002
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04连接外部负载的正负极。
[0047]
本发明使用的变压稳压电路包括三相桥式整流电路和dc
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dc降压稳压电路，其特征在于：1）输入电压自适应且电压安全区间宽（5~50v），2）输出电压稳定，3）转换过程的功率损耗小【蓄电器件】本发明使用的蓄电器件采用法拉电容，其正极与降压模块5002的输出正极5002
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03相连，负极与输出负极5002
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04相连，其特征在于：1)延长旋转锁柄做功的输出时间，简而言之，可实现0.5秒的锁柄旋转做功，1至3秒的平稳电路运行，2)延长电池的使用寿命，在电池进入衰减期后，采用增加做功行程的方式，为外部负载电路提供充沛的电能。
[0048]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。