阅读说明：本技术 人体动能收集装置及其转换方法 (Human body kinetic energy collecting device and conversion method thereof ) 是由 廖维新 蔡明京 汪家华 于 2019-02-01 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于嵌入可穿戴式电子设备的人体动能收集装置。该装置可包括底座；设置为圆环状并与底座连接的第一转子,该第一转子可相对于底座周向旋转,其中,在第一转子的表面可设置多对第一永磁体；与第一转子同轴心地固定在第一转子上的重锤；设置为圆环状并与第一转子同轴心地连接至底座的第二转子,该第二转子可相对于底座周向旋转,其中,在第二转子的表面可设置多对第二永磁体；在第一转子与第二转子之间与第一转子同轴心地固定至底座的调制环；以及在第二转子的与第一转子相对的一侧与第一转子同轴心地固定至底座的定子,其中在该定子上布置有线圈。(A human body kinetic energy collecting apparatus for embedding a wearable electronic device is provided. The apparatus may include a base; the first rotor is arranged in a ring shape and connected with the base, and can rotate circumferentially relative to the base, wherein a plurality of pairs of first permanent magnets can be arranged on the surface of the first rotor; a weight fixed coaxially with the first rotor; a second rotor provided in a ring shape and concentrically connected to the base with the first rotor, the second rotor being circumferentially rotatable with respect to the base, wherein a plurality of pairs of second permanent magnets may be provided on a surface of the second rotor; a modulation ring fixed to the base coaxially with the first rotor between the first rotor and the second rotor; and a stator fixed to the base concentrically with the first rotor on a side of the second rotor opposite to the first rotor, wherein a coil is arranged on the stator.)

人体动能收集装置及其转换方法

技术领域

本申请涉及一种人体动能收集装置，更具体地，涉及一种可嵌入可穿戴式电子设备的人体动能收集装置。此外，本申请还涉及一种可用于嵌入穿戴式电子设备的人体动能转换方法。

背景技术

随着科技的日益发展，诸如手机、智能手表、智能手环、虚拟现实眼镜、可穿戴健康监测设备等各种便携式、可穿戴式智能电子设备在人们的生活和工作中的作用越来越重要。目前，这些设备主要依赖电池供电。然而由于现有技术的限制，电池的容量有限，而电子设备所需的功率却越来越大，加上人们对电子设备体积的要求愈加苛刻，导致电池续航时间也越来越短。同时，现有的利用惯性轮发电的方法通常具有较大的厚度和体积，难以嵌入到可穿戴电子设备中。此外，利用传统机械传动的方法存在传动机构受冲击力时容易损坏的缺点。因此，寻求一种可嵌入穿戴式电子设备的薄型化电源来为电子设备供电，同时避免传动机构受冲击而损坏是必要且有意义的。

发明内容

本申请提出了一种了可嵌入可穿戴式电子设备的人体动能收集装置，该装置结构简单，体积较小、重量较轻，从而实现了电池的薄型化和轻量化。根据本申请的人体动能收集装置可以嵌入可穿戴式电子设备上，利用人在正常活动时肢体的摆动，将人体运动的生物机械能转换为电能。本申请的人体动能收集装置利用磁力传动代替机械传动，因此没有机械摩擦，从而提高了转换效率。此外，由于利用磁力传动代替机械传动，因此该人体动能收集装置还可以避免因人的肢体突然运动带来的冲击力损坏传动机构。

根据本申请的一个方面，提供了一种可用于嵌入可穿戴式电子设备的人体动能收集装置。该人体动能收集装置可包括底座、第一转子、重锤、第二转子、调制环和定子。第一转子可设置为圆环状并可与所述底座连接。所述第一转子可相对于所述底座周向旋转。在所述第一转子的表面上可设置多对第一永磁体。所述重锤与所述第一转子同轴心地固定在所述第一转子上。所述第二转子可设置为圆环状并可与所述第一转子同轴心地连接至所述底座。所述第二转子可相对于所述底座周向旋转。在所述第二转子的表面可设置有多对第二永磁体。所述调制环可在所述第一转子与所述第二转子之间与所述第一转子同轴心地固定至所述底座。在所述第二转子的与所述第一转子相对的一侧，所述定子与所述第一转子同轴心地固定至所述底座。在所述定子上可布置有线圈。

根据本申请的示例性实施方式，所述重锤例如可设置为圆心角小于180°的环。

根据本申请的示例性实施方式，所述调制环可包括多个导磁块。所述多个导磁块可沿所述同一圆周布置成环状。所述多个导磁块例如可采用数控加工、线切割、粉末冶金或3D打印方法一体地形成。

根据本申请的示例性实施方式，所述第一转子可以为低速转子，以及所述第二转子可以为高速转子。

根据本申请的示例性实施方式，所述多个导磁块例如可分块制造，并可使用硬质材料进行填充以加强机械强度。所述多个导磁块也可设置为使导磁块的中轴线相对于底座的轴线倾斜布置，以降低齿槽力矩。

根据本申请的示例性实施方式，所述重锤、所述第一转子、所述调制环、所述第二转子以及所述定子可布置为延轴向方向同轴心地布置。

根据本申请的另一示例性实施方式，所述重锤、所述第一转子、所述调制环、所述第二转子以及所述定子可布置为延径向方向同轴心地布置。

根据本申请的示例性实施方式，所述第一转子上可设置有同轴心的第一导槽，以及所述第二转子上可设置有与所述第二转子同轴心的第二导槽。所述底座上可设置有与所述第一导槽配合的第一配合导槽以及与所述第二导槽配合的第二配合导槽。所述第一转子可包括诸如滚珠的第一滑动件，第一滑动件布置在由所述第一导槽与所述第一导槽配合限定的第一空间中，以使得所述第一转子相对于所述定子周向旋转。所述第二转子可包括诸如滚珠的第二滑动件，所述第二滑动件可布置在由所述第二导槽与所述第二导槽配合限定的第二空间中，以使得所述第二转子相对于所述定子周向旋转。

根据本申请的示例性实施方式，所述第一滑动件和所述第二滑动件例如可以由诸如陶瓷等低摩擦材料制成。

根据本申请的另一示例性实施方式，所述第一转子上可设置有与所述第一转子同轴心的第一导槽，以及所述第二转子上可设置有与所述第二转子同轴心的第二导槽。所述人体动能收集装置还可包括第一静止环和第二静止环。所述第一静止环可固定在所述底座上并且可设置有与所述第一导槽配合的第一配合导槽。所述第一转子可经由所述第一静止环相对于所述底座周向旋转。所述第二静止环可固定在所述底座上并且可设置有与所述第二导槽配合的第二配合导槽。所述第二转子可经由所述第二静止环相对于所述底座周向旋转。

根据本申请的示例性实施方式，所述第一转子可包括诸如滚珠的第一滑动件。所述第一滑动件可布置在由所述第一导槽与所述第一导槽配合限定的第一空间中，以使得所述第一转子相对于所述定子周向旋转。所述第二转子可包括诸如滚珠的第二滑动件。所述第二滑动件可布置在由所述第二导槽与所述第二导槽配合限定的第二空间中，以使得所述第二转子相对于所述定子周向旋转。

根据本申请的示例性实施方式，所述第二永磁体可布置为单列永磁体或双列永磁体。

当布置为单列永磁体时，所述单列永磁体的对数小于所述第一永磁体的对数。当布置为双列永磁体时，所述双列永磁体中的第一列永磁体与所述双列永磁体中的第二列永磁体之间布置有磁场屏蔽环，并且所述第一列永磁体与所述第二转子配合。所述第一列永磁体的对数小于所述第一永磁体的对数。

根据本申请的示例性实施方式，所述第一列永磁体例如可设置为在径向方向上充磁，以及所述第二列永磁体例如可设置为在轴向方向上充磁。

根据本申请的另一示例性实施方式，所述第一列永磁体和所述第二列永磁体例如可设置为均在径向方向上充磁。

根据本申请的示例性实施方式，在所述定子上例如可设置有齿槽，所述线圈可绕制在所述齿槽中。

根据本申请的另一示例性实施方式，所述线圈例如可通过印刷电路设置在所述定子上。

根据本申请的一个方面，提供了一种可用于嵌入穿戴式电子设备的人体动能转换方法。该方法可包括：获取施加在所述电子设备上的第一动能；利用所述动能生成低频磁场；对所述低频磁场进行高频调制以生成高频磁场；利用所述高频磁场获取第二动能；以及利用所述第二动能生成感应电流。所生成的感应电流可存储在各种便携式、可穿戴式智能电子设备的电池中或者直接为智能电子设备供电。

根据本申请的示例性实施方式，当佩戴电子设备的肢体摆动时通过重锤获取肢体摆动的机械能。重锤带动低速转子转动，从而利用低速转子上的永磁体将肢体摆动的机械能转换成低频磁场的能量。利用调制环对所产生的低频磁场进行高频调制从而生成高频磁场。该高频磁场驱动高速转子上的永磁体转动，进而带动高速转子转动。高速转子上的永磁体的转动使得定子上的绕组线圈产生磁通量变化，从而将人体肢体摆动的机械能转换为电能。

根据本申请的一个方面，提供了包括根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置的可穿戴式电子设备以及便携式电子设备。所述可穿戴式电子设备例如可以为智能手环、智能眼镜、智能手表、可穿戴健康监测设备等。所述便携式电子设备例如可以为移动电话、平板电脑、个人数字助理等。

附图说明

以下结合附图，通过描述本申请的非限制性实施方式来解释本发明构思的原理。应当理解，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。其中，附图用于提供对本申请发明构思的进一步理解，并且并入说明书中构成本说明书的一部分。附图中相同的附图标记表示相同的特征。在附图中：

图1示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置的分解结构的剖视示意图；

图2A至图2C示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置的永磁体在高速转子上的布置方式的示意图；

图3示出了根据本申请的另一示例性实施方式的人体动能收集装置的分解结构的剖视示意图；

图4示出了根据本申请的又一示例性实施方式的人体动能收集装置的分解结构的剖视示意图；

图5示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置嵌入智能手表的示意图；以及

图6示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置嵌入智能手环的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，下文将参考附图所示的示例性实施方式对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书和权利要求书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，文中讨论的第一转子、第一导槽也可被称作第二转子、第二导槽，反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了各部件的厚度、尺寸和形状。因此，附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

应当理解的是，表述“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所列举的特征、元件、部件和/或步骤，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、元件、部件、步骤和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，表述“示例性的”旨在指代实施方式的示例或对实施方式进行举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过度正式意义来解释，除非本文中明确如此限定。

本申请涉及的便携式或可穿戴式电子设备可包括但不限于移动电话、平板电脑、个人数字助理、智能手环、智能眼镜、智能手表、可穿戴健康监测设备等。

以下参考附图结合具体实施方式对本申请的各个方面进行更详细的说明，但是本申请的实施方式不限于此。

如图1所示，可嵌入可穿戴式电子设备的人体动能收集装置10可包括固定的底座106、可关于底座106周向转动地连接至底座106的低速转子102和高速转子110、以及在高速转子110的与低速转子102相对的一侧固定至底座106的定子108。定子108固定至底座106，由此低速转子102和高速转子110可相对于定子108周向转动。

重锤112固定地连接至低速转子102，以在其由于重力作用而来回摆动时带动转子102相对于定子108转动。

重锤112例如可设计为圆心角小于180°的环，但是应理解重锤也可以设计为能够带动低速转子102转动的其他形状。为了增加惯性力矩，可使用诸如钨合金、金合金等等高密度材料制造重锤112。在示例性实施方式中，重锤112与低速转子102同轴心地固定至低速转子102。重锤112也可以与低速转子102一体成型。

低速转子102可设置为圆环状，其内表面可附接较多对数的永磁体111，并且其外表面可设置光滑导槽115。低速转子102可同时作为低速轴承的转动圈，其和同样具有光滑导槽116的低速轴承静止环104同轴配合。低速轴承静止环104固定在底座106上。可移动装置103，例如滚珠103，在低速转子102的光滑导槽和低速轴承静止环104的光滑导槽限定的空间内滚动以减小机械摩擦。

高速转子110例如可设计为圆环状，可在高速转子110的表面附接多个永磁体109。永磁体109可布置为单列永磁体或者双列永磁体。当高速转子110的永磁体仅布置为单列时，与低速转子102的永磁体相比，高速转子110的该列永磁体的对数较少，其可以同时作为与低速转子102耦合的传动机构以及与定子108耦合的机电转换机构。当高速转子的永磁体109布置为双列时，其中与低速转子耦合的一列永磁体的对数相对于低速转子102的永磁体较少，而另一列永磁体具有若干对数。两列永磁体之间通过磁场屏蔽材料隔开。

永磁体109和永磁体111例如可由稀土永磁材料(钕铁硼Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)或铁氧体永磁材料等制成，但本申请并不限制于此。

在低速转子102与高速转子110之间设置有调制环105。调制环105例如可由均匀分布于同一圆周的多个导磁性块形成，从而在低速转子102与高速转子110之间以环形形状固定在底座106上，以用于调制磁场。调制环105的导磁性块可以例如采用数控加工、线切割、粉末冶金或者3D打印等方法一体式制造或者分块制造。导磁性块例如可由纯铁、纯铁(DT1)、纯铁(DT2)、纯铁(DT3)、硅钢(热扎)、硅钢(冷扎晶粒取向)、45坡莫合金、78坡莫合金、超坡莫合金、超导合金、超导化合物等材料制成。可使用硬质材料填充调制环105的导磁性块以加强机械强度，或者可以使导磁性块的中轴线相对于底座的轴线倾斜一定角度以降低齿槽力矩。

根据本申请的示例性实施方式，重锤112、低速转子102、调制环105、高速转子110和定子108同轴心地布置在底座106上。

图2A至图2C示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置的永磁体在高速转子上的布置方式的示意图。具体地，图2A示出了可用于本申请的人体动能收集装置的高速转子上的单列永磁体布置方式。如图2A所示，单列布置的永磁体211安装在高速转子212上，其同时作为与低速转子耦合的传动机构以及与定子耦合的机电转换机构。图2B示出了可用于本申请的人体动能收集装置的高速转子上的双列永磁体布置方式。如图2B所示，第一列永磁体221、磁场屏蔽环222和第二列永磁体223安装在高速转子224上。第一列永磁体221和第二列永磁体223均在径向方向上充磁。第一列永磁体211可作为与低速转子耦合的传动机构，而第二列永磁体233可作为与定子耦合的机电转换机构。图2C示出了可用于本申请的人体动能收集装置的高速转子上的另一双列永磁体布置方式。如图2C所示，第一列永磁体231、磁场屏蔽环232和第二列永磁体233安装在高速转子234上。与图2B不同的是，第二列永磁体233沿着轴向方向充磁。

高速转子110的另一表面可设置有光滑导槽117。在图1所示的示例性实施方式中，高速转子110可同时作为高速轴承的转动圈，它与同样具有光滑导槽118的高速轴承静止环101同轴配合。高速轴承静止环101固定在底座106上，可在高速转子110的光滑导槽117与高速轴承静止环101的光滑导槽118之间限定的空间中设置滚珠119以使滚珠119在其间滚动，从而减小机械摩擦。

低速转子102、调制环105和高速转子110组成的传动机构可以视为单级加速传动机构。本领域技术人员应当理解，根据具体应用的需求，该机构还可基于相同的原理设计成多级加速传动机构，从而进一步提高加速比。

定子108固定地安装在底座106上并设置有线圈107。在示例性实施方式中，例如，定子可以设置为具有齿槽的结构，以便于将线圈绕制在定子的齿槽中。在替代性实施方式中，定子也可以设置为不具有齿槽结构，线圈可例如通过印刷电路或自粘线圈的方法制造并固定在定子上。

应当理解，上述各个部件均可以根据不同应用的需要，沿着径向方向或者轴向方向同轴心安装。永磁体可根据装置的布置方式沿径向方向或轴向方向充磁。

上文通过示例性实施方式对重锤、低速转子、调制环、高速转子和定子作了具体说明。接下来从整体上对根据本申请的人体动能收集装置进行说明。

图3示出了根据本申请的另一示例性实施方式的人体动能收集装置30的分解结构的剖视示意图。在该实施方式中，高速转子312上布置有第一列永磁体309和第二列永磁体311。该两列永磁体309和311以及磁场屏蔽环310固定在高速转子312上。第一列永磁体309用作与低速转子302耦合的传动机构，第二列永磁体311用作与定子308耦合的机电转换机构。如图3所示。重锤314、低速转子302、调制环305、高速转子312和定子308沿着径向方向依次同轴心布置。该示例性实施方式的定子308可采用具有齿槽的结构。线圈307可绕制在该齿槽结构中。由于各部件沿着径向方向同轴心布置，因此整个人体动能收集装置30的厚度很薄。此外，在该实施方式中，由于各个部件沿着径向方向布置，轴向尺寸可以很小，从而实现了人体动能收集装置30在轴向方向的薄型化。根据该实施方式的人体动能收集装置30例如适于嵌入外形扁平的可穿戴式电子设备中。

图4示出了根据本申请的又一示例性实施方式的人体动能收集装置40的分解结构的剖视示意图。图4所示的人体动能收集装置40沿轴向方向同轴心地布置各个部件。具体地，重锤406、低速转子404、调制环407、高速转子408和定子409依次沿着轴向同轴心安装。在该示例中，高速转子408上布置有单列永磁体401。定子409可采用无齿槽结构。线圈410例如可采用印刷电路安装在定子409上。该实施方式由于各个部件沿着轴向方向布置，因此整个装置在径向方向的厚度很小，从而实现了人体动能收集装置40在径向方向的薄型化。根据该实施方式的人体动能收集装置40例如适合嵌入外形为环状的可穿戴式电子设备。

图5示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置504嵌入智能手表500的示意图。如图5所示，根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置504在径向方向同轴心布置并且被嵌入到智能手表500的外壳505中。由于智能手表500通常要求较薄的轴向厚度，根据本申请的人体动能收集装置504可采用径向布置的方式，以满足该应用的要求。例如人体动能收集装置504可采用图3所示的实施方式。

此处结合图3所示的实施方式对人体动能收集装置的工作方式进行详细描述。

由于人在正常活动中会不时地摆动手臂，由此手臂和重锤314形成了双摆结构。在惯性力的驱动下，重锤314绕着底座306的轴心进行转动，同时驱动与之相连的低速转子302转动。固定在低速转子302的表面的永磁体313的阵列随着低速转子302旋转时，在调制环305的作用下调制出高频磁场，进而驱动表面固定有永磁体311的高速转子312转动。由于低速转子302上的永磁体313的对数相对于高速转子312表面上的永磁体311的对数较多，高速转子312的旋转被加速，从而获得了更高的转速。转动时，高速转子312上的永磁体309同时使定子308上的绕组线圈307发生磁通量变化，从而将人体肢体摆动的机械能转换为电能。产生的电能经过与智能手表电路连接的电路503整流调压后，可为智能手表500的应用501直接供电或者被储存到电池502中。

图6示出了根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置602嵌入智能手环600的示意图。如图6所示，根据本申请的示例性实施方式的人体动能收集装置602在轴向方向同轴心布置并被嵌入到智能手环600的外壳601中。由于智能手环通常要求较薄的径向厚度，人体动能收集装置602可采用轴向布置的方式以满足该应用的径向超薄化要求。例如用于智能手环600的人体动能收集装置可采用图4所示的实施方式。

下文结合图4所示的实施方式对用于智能手环600的人体动能收集装置的工作方式进行详细描述。

当甩动手臂时，在惯性力的驱动下，人体动能收集装置40的重锤406绕底座402的轴心进行转动，同时驱动与之相连的低速转子404转动。当固定在低速转子404表面的永磁体405的阵列旋转时，在调制环407的作用下调制出高频磁场，从而驱动表面固定有永磁体401的高速转子408转动。由于低速转子404上的永磁体405的对数相对于高速转子408的表面上的永磁体401的对数较多，因此高速转子408的旋转被加速，从而获得了更高的转速。转动时，高速转子408上的永磁体401使定子409上的绕组线圈410产生磁通量变化，从而将人体肢体摆动的机械转换为电能。产生的电能被接入到智能手环的电路603中，并且在经过整流调压后，可为智能手环600的应用604直接供电或者将所产生的电能储存到电池(图中未示出)中。

由此，根据本申请的可嵌入智能电子设备的人体动能收集装置可通过以下步骤生成用于向智能电子设备的应用直接供电或者存储在电池中的电能：当佩戴电子设备的肢体摆动时通过重锤获取肢体摆动的机械能；重锤带动低速转子转动，从而使低速转子上的永磁体切割磁力线而将肢体摆动的机械能转换成第一感应电流；利用调制环对所产生的第一感应电流进行高频调制以生成高频磁场；该高频磁场驱动高速转子上的永磁体转动，进而带动高速转子转动；高速转子上的永磁体的转动使得定子上的绕组线圈产生磁通量变化，从而将人体肢体摆动的机械转换为电能。

以上参照附图对本申请的示例性实施方式进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方式仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来限制本申请的范围。本申请的范围应由所附权利要求及其等同物限定。凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。