闭合磁路鞋履能量收集装置的制作方法

本发明属于鞋履，涉及智能穿戴中的电磁式能量收集装置领域，尤其涉及一种放置鞋底中，通过人类步行对鞋底的挤压收集能量的装置。

背景技术：

人每天都在步行，人体利用自身生物能量做自身运动。健康人的“走路量”每天至少4000步，这个活动量是人基本的运动量，要想达到促进健康，预防各种慢性病的作用，标准要提高到7000步。

人在行走过程中，当鞋着地时，地面与脚对鞋底存在挤压；鞋离地时，挤压消失。因此，采取一定措施，收集此周期性的挤压过程的机械能，转换为电能为一些无线传感器节点等供电成为一个研究和发明的着眼点。例如，国内知名的“李宁”品牌，销售多种于鞋底安装所谓“芯片”的运动鞋，其实是集成了运动传感器的嵌入式系统，专门收集运动员跑动过程中的速度、加速度等数据，无线发送到手机上的分析软件，帮助运动员解析存在的运动技术问题，达到提高成绩的目的。遗憾的是，其供电采用电池，有寿命限制，丢弃后也会有化学污染。如果能利用上述鞋底挤压过程的机械能提供电能，应该会十分有利于环保和“芯片鞋”的推广。

利用足跟挤压鞋底进行能量收集最早可见J.Kymissis,C.Kendall,J.Paradiso,and N.Gershenfeld.Parasitic power harvesting in shoes.In Proc.of the Second IEEE International Conference on Wearable Computing(ISWC),IEEE Computer Society Press,pages pp.132–139,October 1998；近期的有，中国申请号为201610372111.4的发明专利，发明名称为一种多功能发电鞋和中国申请号为201620404994.8的实用新型专利，发明名称为一种带有蓄压充电功能的鞋子。上述3种文件均采用脚底对压电陶瓷片施压的方式进行能量收集，压电方式实现机械能到电能的转换技术上较为简单，但压电装置通常适用于50Hz以上高频振动能量的收集，对于步行这样的1-2Hz的低频往往会因为生成电荷量过低，不如电磁式能量收集装置。

中国申请号为201520569683.2的实用新型专利，发明名称为一种行走发电鞋，中国申请号为201610029877.2的发明专利，发明名称为一种运动发电的鞋底，此二专利都是采用气囊的伸缩来进行发电，当人抬起脚时，空气从大气中进入鞋底的气囊，脚放下时，气囊与大气隔绝而从另一个出口排出，气囊里空气运动的机械能通过电磁装置转化为电能。中国申请号为20162000277.4的实用新型专利，发明名称为板簧压缩发电鞋的专利，此专利利用步行时候弹簧的伸缩改变线圈的位置，从而达到线圈切割磁感线发电的目的。分析上述3种装置共同的缺点是：第一，没有形成闭合磁路，不参与能量收集的漏磁大，因此能量转换效率不高；第二，均存在活动部件，这对在较恶劣环境下工作的鞋来说不够合理，容易发生卡死等意外。对采用气囊的两个装置，由于存在与大气的气体交换，容易吸入异物或者进水发生意外；同时，装置中还存在类似阀门的结构，在较恶劣工作环境下容易故障，较为脆弱。对板簧压缩发电鞋装置，其垂直方向不光有活动部件，行程还偏大，在鞋底安装困难。

技术实现要素：

为了克服已有发电功能的鞋子的能量转换效率不高、结构可靠性较差、安装麻烦的不足,本发明提供了一种能量转换效率较高、结构可靠性、安装简便的闭合磁路鞋履能量收集装置，无活动零部件，仅有弹性形变部件或者微动零部件，仅通过微小的形变和微动获得磁场大幅变化，结构紧凑可靠；实现闭合磁路，通过闭合磁路的通断收集能量，能量转换效率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种闭合磁路鞋履能量收集装置，包括底座、左磁轭、右磁轭、永磁体、左芯臂和右芯臂，所述底座为非磁性材料制成的底座，所述底座上设有压臂和限位卡，所述底座内侧底部安装两个不相同但左右对称的左磁轭和右磁轭，所述左磁轭和右磁轭固定于底座的下底和侧壁，分别与永磁体N极和S极相接，所述左磁轭和右磁轭各有一个安装孔，所述安装孔下有一个漆包铜线圈，安装于两个所述线圈选一对异名端相接，剩余一对异名端作为收集电能的引出端，两引出端连接能量收集电路；

软磁材料制成的左芯臂和右芯臂为两个不相同但左右对称的零件，所述左芯臂和右芯臂上各有一用于安装线圈的安装轴，安装轴的另一端插入左磁轭和右磁轭的安装孔内；左芯臂和右芯臂各有一弧形臂，此二弧形臂的根部卡入底座的限位卡内，两端部相接触，但不固定，接触位置在底座压臂的正下方；所述左芯臂和右芯臂固定于底座上。

进一步，所述能够量收集装置还包括非磁性材料制成的上盖，所述上盖套于底座之上，所述上盖表面有长方孔，所述底座的压臂有一小部分从长方孔中露出。

优选的，所述底座为矩形底座，所述上盖为矩形上盖。

所述矩形底座为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。所述永磁体为铁氧体永磁材料或稀土永磁材料粉末与塑料或橡胶混合塑形而成的，永磁体呈长方体。所述左磁轭和右磁轭，此二磁轭通过粘接方式固定于底座的下底和侧壁，左磁轭和右磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。左磁轭和右磁轭各有一个安装孔。左磁轭和右磁轭的安装孔下各有一个漆包铜线圈，共有2个线圈。线圈需的合理串接，可提高获得的感应电动势。具体来说，安装于此二线圈可选一对异名端相接，剩余一对异名端作为收集电能的引出端。两引出端接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。

左芯臂和右芯臂由软磁材料制成，同时也要求为弹性材料，可由橡胶、塑料混合磁性材料粉末制成的弹性软磁材料充任，为保证装置长期可靠工作，对此二零件材料的韧性、耐磨性也有较高要求。所述上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。

将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹陷内，凹陷的剩余空间留给无线传感器节点的其他部分，如蓄能电容、传感器、嵌入式系统、无线传输模块等。鞋底上应覆盖鞋垫，避免不良脚感。

本发明中，通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过电磁式装置，将人体的些微机械能转化为电能，为鞋底中安装的低功耗无线传感器节点供电。

当人行走时，讨论如下两种情况下，装置的状态：

第一，当脚离地，地面和脚对鞋底不形成挤压，装置的上盖在其正常位置无向下翘曲，由于脚底的压制压臂顶部不再高于上盖上表面，但压臂前方的劈尖不足以插入了左芯臂和右芯臂的弧形臂之间。此时左芯臂和右芯臂的弧形臂之间由于磁力吸引可以确保相互接触，形成永磁体N极，永磁体N极所在左磁轭，左芯臂，右芯臂，永磁体S极所在右磁轭，永磁体S极的闭合磁路，该磁路全部处于软磁材料之中，磁阻非常小，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。

第二，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖向下翘曲，同时也进一步压弯了压臂，从而压臂前方的劈尖插入了左芯臂和右芯臂的弧形臂之间，克服两弧形臂之间的磁力，两弧形臂由于其弹性向上拱起，两弧形臂的接触被断开。前一种情况下的闭合磁路在此处被非磁性材料的压臂介入后，磁路中的磁阻可为较第一种情况的急剧上升数百上千倍，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降，可认为闭合磁路被阻断了。

对比，上述两种情况，在行走过程中，随脚的落地和抬起交替发生，装置中2个线圈的磁链变化剧烈，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在2个线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。

本发明的有益效果表现在：第一，无活动零部件，仅有弹性形变部件，仅通过微小的形变获得磁场大幅变化，结构紧凑可靠；第二，实现闭合磁路，通过闭合磁路的通断收集能量，能量转换效率高。

附图说明

图1为装置去除上盖图。

图2为装置底座图。

图3为永磁体、右磁轭、线圈和右芯臂装配图。

图4为右磁轭图。

图5为右芯臂图。

图6为装置外观图。

图7为装置安装于鞋底的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图7，一种闭合磁路鞋履能量收集装置，通过人步行过程中，脚着地、离地这样周期性的运动，通过电磁式装置，将人体的些微机械能转化为电能，为鞋底中安装的低功耗无线传感器节点供电。下面来阐述其中的具体结构：

本装置有一矩形底座1，见图1和图2，为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。底座上设有压臂1-1和限位卡1-2。

进一步，本装置有一个永磁体2，见图1，为铁氧体永磁材料或稀土永磁材料粉末与塑料或橡胶混合塑形而成的。永磁体呈长方体。

进一步，底座内侧底部安装两个不相同但左右对称的左磁轭7和右磁轭3，见图1、图3和图4，此二磁轭通过粘接方式固定于底座的下底和侧壁，分别与永磁体N极和S极相接。左磁轭和右磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。左磁轭和右磁轭各有一个安装孔。

进一步，左磁轭和右磁轭的安装孔下各有一个漆包铜线圈4，见图1和图3，共有2个线圈。线圈需的合理串接，可提高获得的感应电动势。具体来说，安装于此二线圈可选一对异名端相接，剩余一对异名端作为收集电能的引出端。两引出端接相关能量收集电路，有专门的芯片可实现此功能。

进一步，左芯臂6和右芯臂5为两个不相同但左右对称的零件，见图1、图3和图5，由软磁材料制成，同时也要求为弹性材料，可由橡胶、塑料混合磁性材料粉末制成的弹性软磁材料充任，为保证装置长期可靠工作，对此二零件材料的韧性、耐磨性也有较高要求。左芯臂和右芯臂上各有一安装轴，用于安装上述线圈，安装轴的另一端插入左磁轭和右磁轭的安装孔内。左芯臂和右芯臂各有一弧形臂，此二弧形臂的根部卡入底座的限位卡内，两端部相接触，但不固定，接触位置在底座压臂的正下方。左芯臂和右芯臂还需以粘接方式固定于底座上。

进一步，装置有矩形上盖8，见图6和图7，套于底座之上，上盖表面有长方孔，底座的压臂略有一小部分从长方孔中露出。上盖为非磁性的塑料制成，不导磁，要求有较好韧性和耐磨性。

进一步，将此装置置于鞋底的脚跟部位的矩形凹陷内，见图7，装置的尺寸按设计为22mm×21mm×7mm，凹陷的剩余空间留给无线传感器节点的其他部分，如蓄能电容、传感器、嵌入式系统、无线传输模块等。鞋底上应覆盖鞋垫，避免不良脚感。

当人行走时，讨论如下两种情况下，装置的状态：

第一，当脚离地，地面和脚对鞋底不形成挤压，装置的上盖在其正常位置无向下翘曲，由于脚底的压制压臂顶部不再高于上盖上表面，但压臂前方的劈尖不足以插入了左芯臂和右芯臂的弧形臂之间。此时左芯臂和右芯臂的弧形臂之间由于磁力吸引可以确保相互接触，形成永磁体N极，永磁体N极所在左磁轭，左芯臂，右芯臂，永磁体S极所在右磁轭，永磁体S极的闭合磁路，该磁路全部处于软磁材料之中，磁阻非常小，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。

第二，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖向下翘曲，同时也进一步压弯了压臂，从而压臂前方的劈尖插入了左芯臂和右芯臂的弧形臂之间，克服两弧形臂之间的磁力，两弧形臂由于其弹性向上拱起，两弧形臂的接触被断开。前一种情况下的闭合磁路在此处被非磁性材料的压臂介入后，磁路中的磁阻可为较第一种情况的急剧上升数百上千倍，磁路磁感应强度急剧下降，磁路磁通急剧下降，通过线圈的磁链同样也急剧下降，可认为闭合磁路被阻断了。

对比，上述两种情况，在行走过程中，随脚的落地和抬起交替发生，装置中2个线圈的磁链变化剧烈，依据电磁感应原理，将在线圈中产生感应电动势，并可在2个线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。