技术领域
[0001] 本
发明属于发电技术领域，尤其涉及一种基于人体动能的电磁式发电装置。
背景技术
[0002] 近年来，随着诸如掌上电脑、微型摄像机等民用微型
电子设备及显示头盔、红外成像、无线通讯等军用装备的迅速发展，这些电子设备的供电问题也逐渐引起了国内外科研工作者的关注。传统化学
蓄电池存在储存电量少、使用寿命短等
缺陷，在一定程度上已经不能够满足现代电子设备要求。特别是在部队现代化建设过程中，现代化电子设备大幅度发展和装备，而这些设备都需要稳定持续的电源供电，若利用传统化学电池供电，这些为设备供电的电池将是士兵的沉重负担。此外，传统化学电池存在着明显的缺陷：第一、其存储
能量和供电寿命的有限性，使其在使用期限后需要更换，造成环境污染和回收难题；其二，传统电池体积较大，制约了用电装备的微型化和集成化。因而，对光、热、
风、波浪、
潮汐能等新
能源的采集和利用越来越受到人们的关注，然而上述能源的利用受到地域、时间等诸多条件限制。人体行走过程中的肢体运动蕴藏着丰富的能量，而且便于采集和利用。在不影响人类正常活动的情况下，研究一种能量采集装置，将人体运动中源源不断的能量转化为稳定的
电能为这些电子设备提供电源，将为未来生活带来极大便利。目前，通过
能量收集技术实现振动能的转换是一个非常前沿的课题。针对振动能量采集的研究主要有电磁式、压电式、静电式、
磁致伸缩式、摩擦起电式、复合式等采能原理，其中压电式能量采集方式在微型振动能量采集中得到了极大的研究应用，但压电材料容易发生脆性断裂，使得其应用受到限制，而电磁式振动能量采集方式具有无需驱动电源、环境适应性强、采集
频率段广、输出
电流较大等优点。电磁式能量采集方式的研究是实现振动能量转化的重要方法，其研究较为成熟。早在2003年，香港中文大学研制了一种AA电池微型发电装置，发出1.44V的峰-峰
电压和20μW的功率输出，然而其微小的输出功率对后处理
电路的功率损耗要求较高、且实际应用中微小的功率无法为大多数用电设备提供充足的电能。王佩红等人研究了一种三明治电磁能量采集器可产生125mV的最大
输出电压，但其电压无法达到
二极管的开启电压值，故而需要微启动电压后处理电路，极大地提高了成本。Duffy和Carroll提出了一种放置于
鞋底内的收集人行走能量的滑动磁
铁发
电机可提供1mW的输出功率。目前电磁式能量采集器的输出电压大都处于毫伏级、输出功率只有数毫瓦。针对电磁式能量采集器输出电压、功率低的问题，研究如何提高输出电压和功率以达到可实用化的
水平具有重要的现实意义。
[0003] 综上所述，
现有技术存在的问题是：电磁式人体动能采集装置输出电压、功率低。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于人体动能的电磁式发电装置，[0005] 本发明是这样实现的，一种基于人体动能的电磁式发电装置，所述基于人体动能的电磁式发电装置包括以下步骤：
[0006] 步骤一，利用人体运动分析，依据肢体拟布置发电装置的
位置的运动速度、
加速度、振动幅值的相关信息，确定非平衡
转子相关尺寸参数；
[0007] 步骤二，依据在负载状态下线圈的电磁阻尼信息，调整转子线圈的具体参数，保证人体运动部位的振幅能量能驱动非平衡转子持续做圆周旋转运动；
[0008] 步骤三，利用Ansoft Maxwell
软件的Ansoft三维模
块的三维静态、瞬态仿真模块，对模型电压、电流、功率等输出参数进行仿真分析，验证基于人体动能的电磁式发电装置。
[0009] 进一步，所述发电装置的运动方程可为将一个X(t)＝Axsinωt的往复直线振荡施加到发电机的非平衡转子上，其中，Ax为施加到转子上加速度的幅值，ω为施加到转子上加速度的
角频率，得出其水平布置时转子的运动方程：
[0010]
[0011] 当装置垂直布置时，其转子的受
力分析中增加了重力的作用，转子的运动方程表述为：
[0012]
[0013] 式中：m是转子
质量，a是从旋
转轴线到转子质心的距离，Ax为输入加速度幅值，J为惯性矩，θ为转子的旋转角，ω为所施加振荡运动的角频率，Ce为机
电阻尼。
[0014] 进一步，所述转子自激励旋转的初始条件为：
[0015]
[0016]
[0017] 进一步，所述发电机的开路电动势的值与线圈的有效长度的关系为：
[0018]
[0019]
[0020] 式中：VTem为发电机输出的开路电压，B为线圈有效长度所在位置的剩余
磁场，leff为线圈的有效长度，lr为转子的半径，lw为线圈的实际长度；
[0021] 线圈螺线的总长度约为：
[0022]
[0023] 公式中，NT为线圈总
匝数，定义为每层的线圈匝数乘以线圈层数，D0为线圈的外径，Di为线圈的内径；
[0024] 距离磁体z处的磁场计算为：
[0025]
[0026] 式中tm表示磁体的厚度，r1表示磁体的半径。
[0027] 进一步，传递到负载电阻的功率表示为：
[0028]
[0029] 式中，RL表示发电机外部负载电阻，RTint表示发电机内部线圈的电阻；
[0030] 发电机内部线圈电阻由
导线的电阻公式计算求得：
[0031]
[0032] 其中，ρ为线圈导线的
电阻率，lw为线圈导线长度，Nc表示线圈数量，A为导线的横截面积；
[0033] 电磁阻尼表示为：
[0034]
[0035] 发电机的电磁阻尼取决于动能采集装置的负载电阻，并且与负载电阻成反比。
[0036] 本发明的另一目的在于提供一种所述基于人体动能的电磁式发电装置，所述基于人体动能的电磁式发电装置的
定子永磁体镶嵌在定子
基座上，定子永磁体上方布置转子基座，转子基座上镶嵌线圈铁芯，线圈铁芯上环绕线圈绕组。
[0037] 进一步，所述基于人体动能的电磁式发电装置综合选择和设计其基本尺寸为中心角120度、转子半径为50mm、高度为20mm，转子由四组直径为0.15mm
铜导线并以
正交环形绕线方式环绕首尾
串联形成单相输出。
[0038] 本发明的优点及积极效果为：基于人体动能的电磁式发电装置具有体积小、重量轻、易于与人体身体部位结合从而采集人体运动中所产生的能量转化为电能，不需专
门携带。装置为直径100mm、厚度50mm的圆柱体，体积较小，其总质量约仅有390g，相较于阿富汗美军平均每5天88节AA电池约重2640g的携带量而言，具有极大的轻便性。电磁式发电技术具有结构简单、材料易于得到。与现有的环境振动能量采集装置相比，人体动能发电装置采集人体动能转化为电能，能量分布广泛且不受地域、
气候、时间、环境等因素的影响，能量的来源较为稳定和丰富。相对于同类研究成果，动能采集与转换装置的输出电压和功率均有大幅度提升，不需要微功耗、微启动电压的高成本后处理电路的配合，可直接供给用电设备或者经普通整流滤波电路模块完成交直流转换后为
蓄电池充电，装备仅由环
氧树脂、铜导线、铁芯等价格低廉的材料制成，结构简单易得，与现有高昂的电池价格相比较，用电成本较低。
附图说明
[0039] 图1是本发明
实施例提供的基于人体动能的电磁式发电装置
流程图；
[0040] 图2是本发明实施例提供的Ansoft三维模块的结构示意图；
[0041] 图中：1、定子永磁体；2、定子基座；3、线圈铁芯；4、线圈绕组；5、转子基座。
[0042] 图3是本发明实施例提供的人步行时水平前后方向加
速度曲线示意图。
[0043] 图4是本发明实施例提供的两名不同测试者在正常步速行走中所测脚部加速度的步态特征
信号波形图；其中横轴单位为ms，纵轴单位为
重力加速度；
[0044] 图中：(a)垂直方向加速度；(b)水平方向加速度。
[0045] 图5是本发明实施例提供的线圈非平衡转子模型的磁场分布示意图；
[0046] 图中：(a)转子线圈以及转子铁芯中磁场的分布情况；(b)磁场在定子永磁体中的分布情况。
[0047] 图6是本发明实施例提供的线圈磁通量随时间的变化关系示意图。
[0048] 图7是本发明实施例提供的开路电压随时间的变化关系示意图。
[0049] 图8是本发明实施例提供的输出功率随电阻值变化示意图。
[0050] 图9是本发明实施例提供的输出电压随时间变化示意图。
[0051] 图10是本发明实施例提供的输出电流随时间变化示意图。
具体实施方式
[0052] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
[0053] 下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
[0054] 如图1所示，本发明实施例提供的基于人体动能的电磁式发电装置包括以下步骤：
[0055] S101：利用人体运动分析，依据肢体拟布置发电装置的位置的运动速度、加速度、振动幅值的相关信息，确定非平衡转子相关尺寸参数；
[0056] S102：依据在负载状态下线圈的电磁阻尼信息，调整转子线圈的具体参数，保证人体运动部位的振幅能量能驱动非平衡转子持续做圆周旋转运动；
[0057] S103：利用Ansoft Maxwell软件的Ansoft三维模块的三维静态、瞬态仿真模块，对模型电压、电流、功率等输出参数进行仿真分析，验证基于人体动能的电磁式发电装置。
[0058] 如图2所示，发电装置三维模型包括定子永磁体1镶嵌在定子基座2上，定子永磁体1上方镶嵌转子基座5，转子基座5上镶嵌线圈铁芯3，线圈铁芯3上环绕线圈绕组4。
[0059] 下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
[0060] 本发明所设计的装备的非平衡转子为半径为50mm的扇形体，
重心位置为距圆心38mm的位置，具体分析如下：该发电装置的工作是基于非平衡转子的能量收集和
电磁感应的电能转化原理。
[0061] 图3所示为人日常步行时脚踝水平方向的加速度曲线。图中G点到A点为步行中脚着地停留在地面上的阶段，加速度为零，且幅度变化几乎为零；A点为脚着地进入
支撑阶段后，脚后跟离地抬起的阶段，此时脚前掌还没有离地，A点到B点的加速度为一个反向缓慢增加的过程；而后B点到C点加速度开始迅速正方向增大，C点为脚后跟抬起后，脚前掌抬起，脚将要开始摆动的时刻，加速度迅速正向增大。C点到E点为脚部往前摆动阶段，加速度正向减小，并反向增大；E点为步态周期摆动阶段结束的时刻，脚后跟开始
接触地面，E点加速度发生突变，并在到达F点后加速度变化趋于稳定。
[0062] 人在步行中脚踝的加速度施加到非平衡转子上，导致非平衡转子旋转，装置采集人体运动中的动能并将直线运动转化为非平衡转子的旋转，转子旋转的动能通过永磁体、气隙、线圈、铁芯的磁通路径形成气隙磁场的耦合，在转子旋转过程中造成线圈磁通量的改变，进而由法拉第电磁感应定理 可知，线圈形成电动势并产生电能输出，从而将人体动能转换为电能。
[0063] 本发明提出并设计的新型非平衡转子式人体动能采集与转换装置主要被气隙分隔成定子和转子两个部分，两者之间存在着气隙磁场的耦合。装置总体设计为圆柱体结构，直径为100mm、高50mm。在转子结构设计中，根据对人体腿部运动特点的分析和研究，依据下文理论分析中的运动方程的计算，考虑在一定负载下电能转换装置的电磁阻尼对转子旋转的影响，在保证转子能够在人体正常行走下连续运转的基本性能要求下，综合选择和设计其基本尺寸为中心角120度、转子半径为50mm、高度为20mm，转子由四组直径为0.15mm铜导线并以正交环形绕线方式环绕首尾串联形成单相输出。
[0064] 图4所示为两名不同测试者在正常步速行走中所测脚部加速度的步态特征信号波形图，其中横轴单位为ms，纵轴单位为重力加速度gn。
[0065] 依据图中分析，发电装置的运动方程可近似为将一个X(t)＝Axsinωt的往复直线振荡施加到发电机的非平衡转子上，其中，Ax为施加到转子上加速度的幅值，ω为施加到转子上加速度的角频率，得出其水平布置时转子的运动方程：
[0066]
[0067] 当装置垂直布置时，其转子的受力分析中增加了重力的作用，故而转子的运动方程可表述为：
[0068]
[0069] 式中：m是转子质量，a是从
旋转轴线到转子质心的距离，Ax为输入加速度幅值，J为惯性矩，θ为转子的旋转角，ω为所施加振荡运动的角频率，Ce为机电阻尼。
[0070] 转子自激励旋转的初始条件为：
[0071]
[0072]
[0073] 不等式(3)表明，为了具有连续的自激旋转，转子需要具有大于所施加的振荡角频率的初始
角速度。
[0074] 不等式(4)表明，太大的电磁阻尼将造成非平衡转子无法自激励旋转。
[0075] 发电机的开路电动势的值与线圈的有效长度的关系为：
[0076]
[0077]
[0078] 式中：VTem为发电机输出的开路电压，B为线圈有效长度所在位置的剩余磁场，leff为线圈的有效长度，lr为转子的半径，lw为线圈的实际长度。
[0079] 线圈螺线的总长度约为：
[0080]
[0081] 公式中，NT为线圈总匝数，定义为每层的线圈匝数乘以线圈层数，D0为线圈的外径，Di为线圈的内径。
[0082] 因为永磁体旋转过程中会远离线圈，故而必须重新计算线圈的剩磁，距离磁体z处的磁场可计算为：
[0083]
[0084] 式中tm表示磁体的厚度，r1表示磁体的半径。
[0085] 因为线圈都串联在一起，故而，电机的内阻为4个单独
电阻器的串联。由于每一时刻只有4块有效
磁铁，故而电压可被视为串联的四个电压源，因而，传递到负载电阻的功率可表示为：
[0086]
[0087] 式中，RL表示发电机外部负载电阻，RTint表示发电机内部线圈的电阻。
[0088] 发电机内部线圈电阻由导线的电阻公式可计算求得：
[0089]
[0090] 其中，ρ为线圈导线的电阻率，lw为线圈导线长度，Nc表示线圈数量，A为导线的横截面积。
[0091] 依据上述分析，可以看出，最大功率输出值产生在最佳负载电阻处，而最佳负载电阻值等于电机的线圈内电阻值。还可以得出，电磁阻尼的大小将取决于负载电阻的大小。因而，输出功率可以依据电磁阻尼来定义，为了找到电磁阻尼值，需首先找到由线圈和磁体之间的电磁力而引起的
扭矩。
[0092] 根据式(2)，电磁转矩被定义为：
[0093]
[0094] 由于扭矩也可以定义为角频率上的功率，因此，由电磁阻尼引起的转矩可以定义为：
[0095]
[0096] 令式11与式12分别相等，则电磁阻尼可表示为：
[0097]
[0098] 上式表明，发电机的电磁阻尼取决于动能采集装置的负载电阻，并且与负载电阻成反比。
[0099] 依据公式(4) 可确定电磁阻尼的值，进而根据公式(13)确定线圈内电阻值和外电阻的和。根据内电阻和外电阻相等数值时的输出功率达到最大值，从而分别得到内电阻和外电阻的值。依据内电阻的数值和线圈导线的横截面积即可得到线圈的尺寸，并依据电磁阻尼值和线圈与铁芯横截面积的相对大小进行线圈参数调整。
[0100] 最后得到的装置尺寸为：装置总高度为50mm；定转子之间气隙间距为5mm；定子高度为25mm，直径为100mm；定子沿距定子圆心38mm的内侧圆周为圆心开槽布置16组永磁体，永磁体是直径为18mm、高为7.5mm的圆柱体；转子为圆心角120度、半径为50mm的扇形柱体；转子沿距扇形圆心距离38mm的圆弧为圆心开槽布置4组线圈和铁芯，铁芯为直径6mm、高
20mm的圆柱体，线圈为漆包线绕铁芯形成直径为18mm、高20mm的圆柱体，转子上每组线圈各占扇形中心角40度、两组线圈之间间距为2度中心角、两边上转子距转子侧边1度中心角。
[0101] 如图5所示，通过静磁场的仿真分析，得出装置模型的磁场分布，(a)图中显示了转子线圈以及转子铁芯中磁场的分布情况，可以看出，转子铁芯中的磁密较大，线圈中磁密相应地减小，但线圈中磁密较为均匀，说明铁芯的存在增强了线圈中的磁场。(b)图中显示了磁场在定子永磁体中的分布情况，靠近磁铁中心处的磁密较小，磁场由中心向外缘增大的趋势。
[0102] 在瞬态场仿真设定中，以人体正常行走的2Hz步速设定为转子的转速，为简化程序设定，将人体行走中带动非平衡转子的旋转假设为匀速旋转。通过瞬态仿真实验，得到模型的输出参数。图6为随着转子的旋转，穿过线圈的磁通量随时间的变化关系，图7为线圈转子开路电压随时间的变化曲线。
[0103] 可以看出，线圈中磁通量随着转子的旋转产生良好的
正弦波形，峰值磁通量可达约为0.475Wb；随着转子的旋转，开路电压做正弦变化，最大峰值电压可达到38V，其开路电压波形正弦性较好。
[0104] 发电装置模型在电阻负载状态下，转子旋转导致定子永磁体相对旋转，形成旋转磁场，通过转子线圈的磁链发生交变，从而在线圈两端形成电势差，通过外电阻电路形成的闭合回路输出电能。在仿真中，进行了负载电阻的值从10Ω到310Ω以10Ω为差值的等间隔参数化扫描运算，随电阻的变化模型的输出功率不断改变，其具体关系如图8所示。
[0105] 从装置外接电
阻变量参数化扫描结果分析得知，在接入阻值为230Ω的负载电阻时输出功率约达到最大值，此时输出功率有效值约为1.6W。
[0106] 依据瞬态仿真结果，在负载电阻为230Ω时，该模型的输出电压和电流分别描述为图9和图10所示。
[0107] 可以看出，负载电压的波形输出为良好的正弦波，其峰值电压为24.2V；负载电流的波形为正弦波，其峰值电流约为0.0964A，装置可得到的最大输出功率为1.6W。
[0108] 以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单
修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
