调制双稳态摆发电背包的制作方法

调制双稳态摆发电背包
[技术领域]
[0001]
本发明涉及人体能量收集技术领域，具体地说是一种调制双稳态摆发电背包。
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背景技术：
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[0002]
近几十年来，科技的发展使得便携式电子产品的使用越来越普及，人们变得愈发离不开以移动终端为代表的电子设备。伴随着便携式电子设备技术的不断发展，逐渐显现出的一个重要问题就是如何为这些设备供能。由于过去十年电池技术的停滞发展，常规的电池已不再能够满足功率越来越高，续航越来越长的便携式电子设备使用需求。而要实现这种需求，只能携带一定重量和体积的电池。然而，传统电池供能存在着一直为人所诟病的寿命短、环境污染等问题。对于需要在野外长期使用便携电子设备工作的科考人员、救护人员，这更加是种负担。因此，发展环保、轻便、可持续的供能技术具有重要意义。
[0003]
由于人在日常生活中会浪费大量的能量，若能将这部分能量利用起来，则能大大减少不可再生能源的消耗。研究表明，一个平均体重的成年人，一天消耗的能量中有1/3会以热能、势能等各种形式散失。收集人体运动时耗散势能的发电设备在未来有望成为取代传统化学电池为便携式电子设备供电，这之中，发电背包是近年来的热点。但是，目前的发电背包普遍具有输出功率低、体积大、较为笨重的缺点，且多数利用的是人在竖直方向的运动，发电所需要的激励较大，能量利用和转化效率不高。
[

技术实现要素：
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[0004]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种调制双稳态摆发电背包，能够放大并利用人体运动时身体小幅度的左右摆动来发电，同时有着较小的体积和较轻的重量，不影响人运动姿态的同时能以高能量利用率和转化率持续输出电能，避免了目前发电背包输出功率低，能量转化效率不高等缺点。
[0005]
为实现上述目的设计一种调制双稳态摆发电背包，包括背包1和发电单元3，所述背包1与发电单元3通过连接块2连接，所述连接块2一端固定在背包1内侧，所述连接块2另一端与发电单元3固定连接，所述连接块2用于传递背包1的左右摆动，所述发电单元3包括调制双稳态摆组件4、柔性限位组件5、棘爪盘组件6、发电磁铁组件8、线圈嵌入盘9、线圈32，所述调制双稳态摆组件4安装在安装板一10一面上，所述柔性限位组件5布置于调制双稳态摆组件4两侧，所述棘爪盘组件6安装在安装板一10另一面，所述线圈嵌入盘9安装在安装板二11上，所述线圈32嵌于线圈嵌入盘9内并与安装板二11固定连接，所述发电磁铁组件8设于棘爪盘组件6与线圈32之间，并与线圈嵌入盘9对应布置，所述调制双稳态摆组件4摆动后通过棘爪盘组件6带动发电磁铁组件8旋转，所述发电磁铁组件8与线圈32产生相对运动通过电磁感应发电。
[0006]
进一步地，所述调制双稳态摆组件4包括扇形摆齿轮13、换向齿轮14、驱动齿轮一15、驱动齿轮二16，所述扇形摆齿轮13通过主轴12以及轴承安装在安装板一10上，所述连接块2固定连接在扇形摆齿轮13上部，所述扇形摆齿轮13上方与换向齿轮14啮合连接，所述换
向齿轮14右侧与驱动齿轮一15啮合连接，所述扇形摆齿轮13下方与驱动齿轮二16啮合连接，所述扇形摆齿轮13下部固定连接有永磁体20，所述永磁体20左右两侧对称分布有两个调制永磁体21，所述调制永磁体21固定连接在安装板一10上，所述调制永磁体21对永磁体20具有磁吸引作用。
[0007]
进一步地，所述换向齿轮14通过齿轮安装轴一17以及轴承安装在安装板一10上，所述驱动齿轮一15通过齿轮安装轴二18以及轴承安装在安装板一10上，所述驱动齿轮二16通过齿轮安装轴三19以及轴承安装在安装板一10上。
[0008]
进一步地，所述柔性限位组件5对称布置于调制永磁体21上方，所述柔性限位组件5用于限制扇形摆齿轮13的摆动幅度以及复位。
[0009]
进一步地，所述柔性限位组件5由动限位板22、弹簧23、定限位板24组成，所述动限位板22下方固定连接两个弹簧23，所述弹簧23与定限位板24固定连接，所述定限位板24固定于安装板一10上。
[0010]
进一步地，所述发电磁铁组件8包括棘轮28、发电永磁体29、磁体嵌入盘30、基体盘31，所述发电永磁体29环形分布，且磁极交错式嵌入磁体嵌入盘30中，所述磁体嵌入盘30与基体盘31固定连接，所述基体盘31通过轴承安装在主轴12上，所述棘轮28安装在基体盘31另一面中心位置，所述棘轮28在棘爪盘组件6的带动下旋转。
[0011]
进一步地，所述棘爪盘组件6包括大棘爪盘25和小棘爪盘26，所述大棘爪盘25与小棘爪盘26之间啮合连接有棘轮28，所述大棘爪盘25置于棘轮28上方，所述大棘爪盘25固定连接在驱动齿轮一15上，并由驱动齿轮一15驱动旋转，所述小棘爪盘26置于棘轮28下方，所述小棘爪盘26固定连接在驱动齿轮二16上，并由驱动齿轮二16驱动旋转，所述大棘爪盘25、小棘爪盘26四周均匀分布并铰接有棘爪27，每个棘爪27均绕铰接处自由定轴摆动，所述大棘爪盘25、小棘爪盘26旋转时棘爪27拨动棘轮28以带动发电磁铁组件8绕主轴12为中心旋转。
[0012]
进一步地，所述大棘爪盘25通过齿轮安装轴二18以及轴承安装在安装板一10上，所述小棘爪盘26通过齿轮安装轴三19以及轴承安装在安装板一10上。
[0013]
进一步地，所述安装板二11与安装板一10平行布置，所述安装板二11与安装板一10通过安装槽嵌装于架体7内。
[0014]
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
[0015]
(1)本发明通过三个永磁体的分布构造了具有磁力干预作用的调制双稳态非线性系统，使得本发明能够放大并收集人体运动时的小幅度摆动势能，提高了能量的转换率，避免了目前的发电背包能量转换率低，只能收集较大幅度的人体运动势能的缺点；
[0016]
(2)本发明通过换向齿轮、棘轮机构将脉冲式摆动激励转换为高速单向旋转，并且通过柔性限位组件以及调制双稳态非线性系统能够持续收集左右摆动双过程中的势能，解决了目前的发电背包功率较低、可靠性差的问题；
[0017]
(3)本发明通过安装板与架体的嵌入式紧凑安装，以及组件之间的合理布置，减小了整个装置的重量，提高了背包的空间利用率，能有效地减少使用者的负担；
[0018]
(4)本发明通过设计升频和单向旋转机构，可以有效地提高机电转换效率，值得推广应用；
[0019]
综上，本发明能够放大并利用人体运动时身体小幅度的左右摆动来发电，同时有
着较小的体积和较轻的重量，不影响人运动姿态的同时能以高能量利用率和转化率持续输出电能，避免了目前发电背包输出功率低、能量转化效率不高等缺点。
[附图说明]
[0020]
图1是本发明的连接侧面示意图；
[0021]
图2是本发明中发电单元结构示意图；
[0022]
图3是本发明中调制双稳态摆组件的局部放大示意图；
[0023]
图4是本发明中发电单元去除发电线圈组件后的棘爪轮组件与发电磁铁组件工作示意图；
[0024]
图5是本发明发电单元中的发电磁铁组件结构示意图；
[0025]
图6是本发明发电单元中的发电磁铁组件另一面结构示意图；
[0026]
图7a是本发明在背包向右摆动时的工作状态示意图；
[0027]
图7b是本发明在背包向左摆动时的工作状态示意图；
[0028]
图8是本发明在背包正位置时的工作状态示意图；
[0029]
图中：1、背包 2、连接块 3、发电单元 4、调制双稳态摆组件 5、柔性限位组件 6、棘爪盘组件 7、架体 8、发电磁铁组件 9、线圈嵌入盘 10、安装板一 11、安装板二 12、主轴 13、扇形摆齿轮 14、换向齿轮 15、驱动齿轮一 16、驱动齿轮二 17、齿轮安装轴一 18、齿轮安装轴二 19、齿轮安装轴三 20、永磁体 21、调制永磁体 22、动限位板 23、弹簧 24、定限位板 25、大棘爪盘 26、小棘爪盘 27、棘爪 28、棘轮 29、发电永磁体 30、磁体嵌入盘 31、基体盘 32、线圈。
[具体实施方式]
[0030]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
[0031]
如附图1所示，本发明提供了一种调制双稳态摆发电背包，包括背包1和发电单元3，背包1与发电单元3通过连接块2连接，连接块2一端固定在背包1内侧，另一端与发电单元3固定连接，连接块2用于传递背包1的左右摆动。
[0032]
如附图2所示，发电单元3包括调制双稳态摆组件4、柔性限位组件5、棘爪盘组件6、发电磁铁组件8、线圈嵌入盘9、线圈32，连接块2后方的调制双稳态摆组件4安装在安装板一10一面上，柔性限位组件5布置于调制双稳态摆组件4左右两侧，安装板一10另一面安装有棘爪盘组件6，安装板二11与安装板一10平行布置，通过安装槽嵌装于架体7内。线圈嵌入盘9固定安装在安装板二11内侧，线圈32嵌于线圈嵌入盘9内与安装板二11固定连接。发电磁铁组件8置于棘爪盘组件6与线圈32之间，并通过轴承安装在主轴13上；调制双稳态摆组件4摆动后通过棘爪盘组件6带动发电磁铁组件8旋转，发电磁铁组件8与线圈32产生相对运动通过电磁感应发电。
[0033]
如附图3所示，调制双稳态摆组件4包括扇形摆齿轮13、换向齿轮14、驱动齿轮一15、驱动齿轮二16，扇形摆齿轮13通过主轴12以及轴承安装在安装板一10上，扇形摆齿轮上部固定连接有连接块2，用于传递背包1的左右摆动，扇形摆齿轮13上方与换向齿轮14啮合连接，下方同时与驱动齿轮二16啮合连接，换向齿轮14通过齿轮安装轴一17以及轴承安装在安装板一10上，换向齿轮14右侧与驱动齿轮一15啮合连接，驱动齿轮一15通过齿轮安装
轴二18以及轴承安装在安装板一10上，驱动齿轮二16通过齿轮安装轴三19以及轴承安装在安装板一10上，扇形摆齿轮13下部固定连接有永磁体20，永磁体20左右对称分布两个调制永磁体21，调制永磁体21固定连接在安装板一10上，对永磁体20同时具有磁吸引作用。在调制永磁体21上方对称布置了柔性限位组件5，用于限制扇形摆齿轮13的摆动幅度以及复位。柔性限位组件5由动限位板22、弹簧23、定限位板24组成，动限位板22由下方的两个弹簧23与定限位板24相连，定限位板24固定安装于安装板一10上。柔性限位组件5以及调制永磁体21都位于扇形摆齿轮13两侧的内凹处。
[0034]
如附图4所示，棘爪盘组件6包含大棘爪盘25、小棘爪盘26两个棘爪盘，大棘爪盘25与小棘爪盘26之间啮合连接有棘轮28，大棘爪盘25固定连接在驱动齿轮一15上，小棘爪盘26固定连接在驱动齿轮二16上，大棘爪盘25置于棘轮28上方，通过齿轮安装轴二18以及轴承安装在安装板一10上，由驱动齿轮一15驱动旋转，大棘爪盘25四周均匀分布铰接有棘爪27，每个棘爪27均可绕铰接处定轴摆动，在棘爪盘旋转时棘爪27可拨动棘轮28以带动发电磁铁组件8以主轴12为中心，相对线圈32旋转；小棘爪盘26置于棘轮28下方，通过齿轮安装轴三19及轴承安装在安装板一10上，由驱动齿轮二16驱动旋转。小棘爪盘26上的棘爪27布置、安装方式以及工作原理与大棘轮盘25上的棘爪27相同。
[0035]
如附图5和附图6所示，发电磁铁组件8包括棘轮28、发电永磁体29、磁体嵌入盘30、基体盘31，棘轮28固定安装在基体盘31一面的中心位置，基体31另一面固定安装磁体嵌入盘30，发电永磁体29环形分布沿圆周阵列，对应线圈32磁极交错式嵌装于磁体嵌入盘30中，与基体盘31固定连接，发电永磁体29在棘轮28带动下与线圈32产生相对运动。
[0036]
附图7a和附图7b分别为本发明在人体向右、向左摆动时背包的内部工作状态示意，附图8为背包1在竖直正位置时的工作状态示意。
[0037]
本发明的工作原理为：当人背着背包1运动时，人体的细微左右摆动将带动背包1进行左右摆动，与背包1固定连接的连接块2将细微的左右摆动传递给固定连接的扇形摆齿轮13。由于扇形摆齿轮13的扇形特殊结构和受力特点，其本身已经构成了一个双稳态系统，处于不稳定状态下的扇形摆齿轮13容易在扰动下向左或向右摆动以达到稳态。为了使扇形摆齿轮13在连接块2传递的摆动下更加容易从一个稳态(如附图7a所示)摆动到另一个稳态(如附图7b所示)，以收集更多势能用于发电，本发明在扇形摆齿轮13下部布置了永磁体20以及用于调制扇形摆齿轮势能阱的调制永磁体21，同时为了避免摆动幅度过大，设置了柔性限位组件5，既能储存部分冲击势能，又可以促进扇形摆齿轮13的复位，形成往复摆动。
[0038]
当背包1向右摆动时，扇形摆齿轮13向右摆动，此时位于扇形摆齿轮13下部的永磁体20与左侧的调制永磁体21之间的距离减小，磁吸引力迅速增大，使得扇形摆齿轮13的向右摆动幅度增大，直至与右侧柔性限位组件5发生碰撞被弹回。扇形摆齿轮向右摆动过程中会带动上方啮合的换向齿轮14逆时针旋转，换向齿轮14带动啮合的驱动齿轮一15顺时针旋转，与驱动齿轮15一固定连接的大棘爪盘25顺时针旋转，同时位于扇形摆齿轮13下方啮合的驱动齿轮二16逆时针旋转，与驱动齿轮二16固定连接的小棘爪盘26逆时针旋转，顺时针旋转的大棘爪盘25驱动棘轮28旋转，逆时针旋转的小棘爪盘26相对棘轮28滑过；同理，当背包1向左摆动时，下部的永磁体20与右侧的调制永磁体21之间的距离减小，磁吸引力迅速增大，使得扇形摆齿轮13的向左摆动幅度增大，直至与左侧柔性限位组件5发生碰撞被弹回，通过换向齿轮14的换向以及驱动齿轮的驱动，逆时针旋转的大棘爪盘25相对棘轮28滑过，
顺时针旋转的小棘爪盘26驱动棘轮28旋转。
[0039]
由于采用了棘轮28和换向齿轮14，使得背包1的左右摆动都能驱动棘轮28的高速单向旋转，从而使得与棘轮28固定连接的发电磁铁29高速单向旋转，与线圈32产生相对运动，通过电磁感应发电；发电永磁体29磁极交错布置，可以提高磁通量变化率，有利于电磁感应发电；由于圆周阵列多个永磁体，使得发电永磁体29旋转一周可以产生多个磁激励，因此也具有升频效果。
[0040]
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。