CN108023457B - 形变式鞋履能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种形变式鞋履能量收集装置，底座内侧底部安装两个完全相同的下磁轭，下磁轭固定于底座的下底和侧壁，下磁轭各有两个圆柱形的安装轴；下磁轭的每个安装轴上安装一个漆包铜线圈，其中一对两线圈作为收集电能的引出端，两引出端连接能量收集电路；永磁体两端有圆孔，两永磁体上的圆孔装入下磁轭的安装轴，永磁体位于线圈之上；两个下磁轭与底座共同形成的槽中嵌入非磁性的形变胶垫，形变胶垫上部有矩形盲孔，矩形盲孔底部有凸起的条纹；形变胶垫上部的矩形盲孔中安装有一个上磁轭，上磁轭与形变胶垫矩形盲孔底部的凸起条纹接触。本发明能量转换效率较高、结构经凑可靠、安装简便。

Description

形变式鞋履能量收集装置

技术领域

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 SecondIEEE International Conference on Wearable Computing(ISWC),IEEE ComputerSociety 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。

发明内容

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、结构经凑可靠、安装简便的形变式鞋履能量收集装置；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：

一种形变式鞋履能量收集装置，包括底座、两个下磁轭和两个永磁体，所述底座为非磁性材质底座，所述底座内侧底部安装两个完全相同的下磁轭，所述下磁轭固定于底座的下底和侧壁，所述下磁轭各有两个圆柱形的安装轴；下磁轭的每个安装轴上安装一个漆包铜线圈，其中一对线圈作为收集电能的引出端，两引出端连接能量收集电路；所述永磁体两端有圆孔，两永磁体上的圆孔装入下磁轭的安装轴，所述永磁体位于线圈之上；

两个下磁轭与底座共同形成的槽中嵌入非磁性的形变胶垫，所述形变胶垫上部有矩形盲孔，所述矩形盲孔底部有凸起的条纹；当形变胶垫处于安装位置时，所述凸起的条纹高于下磁轭的上表面；所述形变胶垫上部的矩形盲孔中安装有一个上磁轭，所述上磁轭与形变胶垫矩形盲孔底部的凸起条纹接触，当上磁轭处于安装位置时，上磁轭的下表面高于下磁轭的上表面。

进一步，安装于同一下磁轭的两线圈选一对异名端相接；选两个位于不同下磁轭上的线圈，将尚未连接的一对异名端相接；剩余一对线圈上的异名端作为收集电能的引出端。该方案中，线圈通过合理串接提高获得的感应电动势。

再进一步，所述下磁轭为“工”字形下磁轭。

更进一步，两个所述永磁体的N极端均装入同一个下磁轭的安装轴，两个永磁体的S极端均装入另一个下磁轭的安装轴。

两个下磁轭与底座共同形成的“十”字槽中嵌入形变胶垫，形变胶垫底部有对应的“十”字凸起结构。

所述上磁轭为长方体。

所述能量收集装置还包括非磁性上盖，所述上盖套于底座之上，所述上盖的内侧上表面直接压于上磁轭的上表面。

所述底座为方形底座，所述上盖为方形上盖。

所述方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。“工”字形下磁轭通过粘接方式固定于底座的下底和侧壁，下磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。

两个永磁体，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。永磁体两端有圆孔，从永磁体长度方向看，充磁范围仅限于两轴线之间；长度方向上两轴线之外的两个半圆环部分不充磁。

两个下磁轭与底座形成共同形成的“十”字槽中嵌入形变胶垫，形变胶垫底部有对应的“十”字凸起结构。形变胶垫上部有矩形盲孔，盲孔底部有凸起的条纹。当形变胶垫处于安装位置时，上述凸起的条纹仅仅略高于下磁轭的上表面。形变胶垫为非磁性的，不导磁，并要求有较好的弹性、韧性和耐磨性，其刚度因远小于下磁轭。

所述上磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能，同时，上磁轭有较高刚度，至少远高于形变胶垫。该上磁轭为长方体，直接与形变胶垫矩形盲孔底部的凸起条纹接触，所以，当上磁轭处于安装位置时，上磁轭的下表面仅仅略高于下磁轭的上表面。

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，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖，上盖压迫上磁轭，上磁轭压迫形变胶垫。形变胶垫发生形变，尤其形变胶垫矩形盲孔内的凸起条纹处因相对薄弱形变更大，被压缩得极薄，从而上磁轭与下磁轭的距离相当近。形成两永磁体N极，永磁体N极所在下磁轭，形变胶垫，上磁轭，形变胶垫，永磁体S极所在下磁轭，永磁体S极的闭合磁路，该磁路中只有两处穿越非磁材料形变胶垫时，磁阻相对大，磁路其余处均处于软磁材料，磁阻很小。同时，此时上磁轭与下磁轭的距离相当近，其间的磁阻也不大。故磁路中磁阻不大，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。

第二，当脚离地，地面和脚对鞋底形成挤压消失。形变胶垫尤其是形变胶垫矩形盲孔内的凸起条纹处形变大幅减少，从而上磁轭与下磁轭的距离也恢复，达到第一种情况下的数倍，相应地，磁路中的两处穿越形变胶垫的磁阻也为第一种情况的数倍，磁路总磁阻也为第一种情况的数倍，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，行走过程中，随脚的落地和抬起，装置中4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4个线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。

本发明的有益效果主要表现在：第一，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；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为装置去除上盖、永磁体和上磁轭图。

图3为装置去除上盖、永磁体、上磁轭和形变胶垫图。

图4为形变胶垫图。

图5为下磁轭图。

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7，一种形变式鞋履能量收集装置，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：

本装置有一方形底座1，见图1、图2、图3、图6，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，底座内侧底部安装两个完全相同的“工”字形下磁轭2，见图1、图2、图3、图5，下磁轭通过粘接方式固定于底座的下底和侧壁，下磁轭各有两个圆柱形的安装轴。下磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能。

进一步，下磁轭的每个安装轴上安装一个漆包铜线圈3，共有4个线圈，见图1、图2、图3。线圈需的合理串接，可提高获得的感应电动势。具体来说，安装于同一下磁轭的两线圈选一对异名端相接；选两个位于不同下磁轭上的线圈，将尚未连接的一对异名端相接；剩余一对线圈上的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，本装置有两个永磁体4，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。永磁体两端有圆孔，从永磁体长度方向看，充磁范围仅限于两轴线之间；长度方向上两轴线之外的两个半圆环部分不充磁。两永磁体上的圆孔装入下磁轭的安装轴，位于线圈之上。安装时，两个永磁体的N极端均装入同一个下磁轭的安装轴，两个永磁体的S极端均装入另一个下磁轭的安装轴。

进一步，两个下磁轭与底座形成共同形成的“十”字槽中嵌入形变胶垫5，见图1、图2、图4，形变胶垫底部有对应的“十”字凸起结构。形变胶垫上部有矩形盲孔，盲孔底部有凸起的条纹。当形变胶垫处于安装位置时，上述凸起的条纹仅仅略高于下磁轭的上表面。形变胶垫为非磁性的，不导磁，并要求有较好的弹性、韧性和耐磨性，其刚度因远小于下磁轭。

进一步，形变胶垫上部的矩形盲孔中安装有一个上磁轭6，见图1，上磁轭由软磁材料制成，要求具有良好的导磁性能，同时，上磁轭有较高刚度，至少远高于形变胶垫。该上磁轭为长方体，直接与形变胶垫矩形盲孔底部的凸起条纹接触，所以，当上磁轭处于安装位置时，上磁轭的下表面仅仅略高于下磁轭的上表面。

进一步，装置有方形上盖7，见图6，套与底座之上，其内侧上表面直接与压于上磁轭的上表面。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19mm×19mm×8mm，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，当脚落地，地面和脚对鞋底形成挤压时。鞋垫压迫装置的上盖，上盖压迫上磁轭，上磁轭压迫形变胶垫。形变胶垫发生形变，尤其形变胶垫矩形盲孔内的凸起条纹处因相对薄弱形变更大，被压缩得极薄，从而上磁轭与下磁轭的距离相当近。形成两永磁体N极，永磁体N极所在下磁轭，形变胶垫，上磁轭，形变胶垫，永磁体S极所在下磁轭，永磁体S极的闭合磁路，该磁路中只有两处穿越非磁材料形变胶垫时，磁阻相对大，磁路其余处均处于软磁材料，磁阻很小。同时，此时上磁轭与下磁轭的距离相当近，其间的磁阻也不大。故磁路中磁阻不大，磁感应强度高，磁路磁通大，通过线圈的磁链同样也大。

第二，当脚离地，地面和脚对鞋底形成挤压消失。形变胶垫尤其是形变胶垫矩形盲孔内的凸起条纹处形变大幅减少，从而上磁轭与下磁轭的距离也恢复，达到第一种情况下的数倍，相应地，磁路中的两处穿越形变胶垫的磁阻也为第一种情况的数倍，磁路总磁阻也为第一种情况的数倍，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，行走过程中，随脚的落地和抬起，装置中4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4个线圈的引出端获取此电动势，达到能量收集的目的。

Claims (7)

1.一种形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：所述收集装置包括底座、两个下磁轭和两个永磁体，所述底座为非磁性材质底座，所述底座内侧底部安装两个完全相同的下磁轭，所述下磁轭固定于底座的下底和侧壁，所述下磁轭各有两个圆柱形的安装轴；下磁轭的每个安装轴上安装一个漆包铜线圈，安装于同一下磁轭的两线圈选一对异名端相接；选两个位于不同下磁轭上的线圈，将尚未连接的一对异名端相接；剩余一对线圈上的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；所述永磁体两端有圆孔，两永磁体上的圆孔装入下磁轭的安装轴，所述永磁体位于线圈之上；

两个下磁轭与底座共同形成的槽中嵌入非磁性的形变胶垫，所述形变胶垫上部有矩形盲孔，所述矩形盲孔底部有凸起的条纹；当形变胶垫处于安装位置时，所述凸起的条纹高于下磁轭的上表面；所述形变胶垫上部的矩形盲孔中安装有一个上磁轭，所述上磁轭与形变胶垫矩形盲孔底部的凸起条纹接触，当上磁轭处于安装位置时，上磁轭的下表面高于下磁轭的上表面。

2.如权利要求1所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：所述下磁轭为“工”字形下磁轭。

3.如权利要求1所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：两个所述永磁体的N极端均装入同一个下磁轭的安装轴，两个永磁体的S极端均装入另一个下磁轭的安装轴。

4.如权利要求1所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：两个下磁轭与底座共同形成的“十”字槽中嵌入形变胶垫，形变胶垫底部有对应的“十”字凸起结构。

5.如权利要求1所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：所述上磁轭为长方体。

6.如权利要求1所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：所述能量收集装置还包括非磁性上盖，所述上盖套于底座之上，所述上盖的内侧上表面直接压于上磁轭的上表面。

7.如权利要求6所述的形变式鞋履能量收集装置，其特征在于：所述底座为方形底座，所述上盖为方形上盖。