一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备
阅读说明：本技术 一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备 (Individual soldier wearable power generation equipment based on cylindrical generator ) 是由 周继文 唐晓川 李健 陈颖 徐文国 王建锋 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备,属于单兵发电技术领域。利用人体运动时重心高度不断变化产生的重力势能,设计了一套可穿戴的液压式能量传递和转化系统,整套系统分为左右两部分,分别穿戴在左腿和右腿上,人在行走时总是一条腿伸直支撑,另一条腿弯曲迈进,作为支撑腿的脚底水囊受压变形,体积缩小,脚底水囊中的水经过膝部水囊和大腿水囊的传递后进入发电机的一侧腔室,产生的高压推动发电机动子向另一侧移动,此后当支撑腿随着人体的运动变为弯曲腿时,对应的脚底水囊在弹垫的作用下体积增大产生负压,原发电机高压腔室内的液体经由原路返回,重新回流到脚底水囊中,如此重复动作,发电机便可在人体行走时产生源源不断的电能。(An individual soldier wearable power generation device based on a cylindrical generator belongs to the technical field of individual soldier power generation. A set of wearable hydraulic energy transmission and conversion system is designed by utilizing the gravitational potential energy generated by the continuous change of the gravity center height during the movement of a human body, the whole set of system is divided into a left part and a right part which are respectively worn on a left leg and a right leg, when a person walks, one leg always extends to support, the other leg moves forward in a bending way, a sole water bag as a supporting leg is pressed to deform, the volume is reduced, water in the sole water bag enters a cavity at one side of a generator after being transmitted by a knee water bag and a thigh water bag, the generated high pressure pushes a rotor of the generator to move to the other side, and then when the supporting leg changes into a bending leg along with the movement of the human body, the corresponding sole water sac increases the volume under the action of the elastic cushion to generate negative pressure, the liquid in the high-pressure cavity of the original generator returns through the original path and flows back to the sole water sac again, and the generator can generate continuous electric energy when a human body walks by repeating the action.)
技术领域
本发明涉及单兵发电技术领域，具体地说是一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备。
背景技术
现代社会是一个高速发展的社会，高科技电子产品越来越普及，特别是在军队中，高科技信息化的装备越来越全面，为的是能够利用这些信息化装备来提高士兵的战斗力，使得战争越来越多样化。但是信息装备的使用是必须有电源来为其供电，现在士兵在的负荷中有三分之一的重量来自于为这些设备提供电能的电池，因此本发明的目的是设置一种装置能够持续不断地提供电能为信息化装备供电，从而减轻士兵在行军作战中的负荷。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备。
本发明的核心技术思想是：利用人体运动时重心高度不断变化产生的重力势能，设计了一套可穿戴的液压式能量传递和转化系统，整套系统分为左右两部分，分别穿戴在左腿和右腿上，人在行走时总是一条腿伸直支撑，另一条腿弯曲迈进，作为支撑腿的脚底水囊受压变形，体积缩小，脚底水囊中的水经过膝部水囊和大腿水囊的传递后进入发电机的一侧腔室，产生的高压推动发电机动子向另一侧移动，此后当支撑腿随着人体的运动变为弯曲腿时，对应的脚底水囊在弹垫的作用下体积增大产生负压，发电机高压腔室内的液体经由原路返回，重新回流到脚底水囊中，如此重复动作，发电机便可在人体行走时产生源源不断的电能。
同时，当膝盖弯曲液体回流的过程中，护膝和人体膝盖之间的空间变小，位于护膝内部的水囊受到挤压产生次级高压，在单向阀的作用下，膝部水囊的水被加压连通从发电机回流的水重新回到脚底水囊。
圆筒型发电机在发电过程中产生的热量能够随着水循环流遍使用者的下肢和足部，在寒冷的环境中能够加热使用者身体，起到保温的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备，包括发电机壳体，发电机壳体为圆柱体，圆柱体内插入由定子和动子组成的电磁机构，定子包括定子硅钢和线圈，定子硅钢为分体式结构，由多组截面呈″E″字型的硅钢组成，相邻的两组硅钢之间有空隙，线圈为圆环形并通过定子硅钢之间的空隙进行接线并最终连接接线端子，定子硅钢为10槽结构，槽内安装8个线圈，定子硅钢的两侧各空置一槽，动子包括永磁体和轴，永磁体为圆环形并按照N、S、N…的顺序排列，相邻的永磁体之间安装隔磁环，轴的两端加工螺纹并通过锁紧螺母和套筒安装渐开线型板弹簧，渐开线型板弹簧为圆板型弹性金属片，圆板表面加工渐开线型槽，轴的两端安装第一活塞和第二活塞；定子硅钢的两端有第一端盖和第二端盖，发电机壳体的一端安装密封端盖。
发电机壳体的两侧分别安装第一冷却套和第二冷却套，第一冷却套与发电机壳体组成第一液压室，第二冷却套与发电机壳体组成第二液压室，第一冷却套和第二冷却套上安装进液阀和出液阀。
进液阀和出液阀通过软管与大腿水囊连接，大腿水囊内包含毛细水管、大腿进水管和海绵层三部分，毛细水管的进水口安装单向阀，大腿水囊的两侧有绑带，毛细水管与出液阀连通，大腿进水管与进液阀连通。
大腿水囊通过软管与膝部第一水囊和膝部第二水囊连接，膝部第一水囊和膝部第二水囊之间有水囊隔层，水囊的内侧面有海绵层，水囊的外侧面有护膝，护膝上有护板，护板上有绑带，膝部第一水囊与毛细水管连通，膝部第二水囊与大腿进水管连通。
大腿水囊通过软管与足底水囊连接，足底水囊位于鞋垫和鞋底之间，内部安装PVC弹垫。
接线端子连接交直转换电路，交直转换电路包括整流电路、滤波稳压电路和降压电路三部分；
整流电路为全波桥式整流电路，由四个二极管D1、D2、D5和D6先两两串联后再并联组成，接线端子的零线和火线接到二极管串联电路中间；
滤波稳压电路包括C1、C4和D3，C1为100uF电容，C4为0.1uF电容，D3为二极管；
降压电路使用LM2596S降压芯片，芯片输出端经过D4和C3滤波后进入电池。
本发明的一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备与现有技术相比所产生的有益效果是：
(1)圆筒型直线发电机的定子结构采用分体式硅钢材料经过连接件和导向件固定而成，各槽的电枢绕组可通过硅钢块之间的间隙角空间进行连接，不占用气隙空间，相比于传统的圆环式定子机构而言，本发明在保证电机磁导率的情况下，降低了涡流损耗，降低了电机的轴向高度和制造成本。
(2)利用人体在运动过程中产生的重力势能发电，提高了单兵的持续作战能力，同时安装在鞋底的水囊既能够作为动力元件为发电机提供高压水溶液，又能够起到缓冲作用，有助于节省单兵体能。
(3)设计的水流循环系统能够将发电机工作过程中产生热量传递到使用者的下肢和足底，在寒冷的环境中为使用者提供了保温效果。
附图说明
附图1是本发明结构发电机主视剖面图；
附图2是本发明结构发电机左视剖面图；
附图3是本发明结构动子定子装配三维图；
附图4是本发明结构大腿水囊剖视图；
附图5是本发明结构板弹簧主视图；
附图6是本发明结构护膝主视图；
附图7是本发明结构护膝左视剖面图；
附图8是本发明结构小腿水袋主视图；
附图9是本发明结构足底水囊剖面图；
附图10是本发明结构人体佩戴主视图；
附图11是本发明结构人体佩戴左视图；
图中，1、第一冷却套，2、发电机壳体，3、第二冷却套，4、密封端盖，501、第一液压室，502、第二液压室，6、进液阀，7、出液阀，8、接线端子，9、渐开线型板弹簧，901、渐开线型槽，101、第一活塞，102、第二活塞，11、锁紧螺母，12、套筒，13、定子，14、第一端盖，15、第二端盖，161、定子硅钢，162、线圈、17、动子，171、永磁体，172、轴，18、足底水囊，19、PVC弹垫，21、大腿水囊，211、毛细出水管，212、大腿进水管，213、海绵层，22、护膝，23、膝部第一水囊，24、膝部第二水囊，25、单向阀，26、护板，27、水囊隔层，28、小腿水袋，29、绑带
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例的作以下详细说明。
一种基于圆筒型发电机的单兵穿戴式发电设备，包括发电机壳体2，发电机壳体2为圆柱体，圆柱体内插入由定子13和动子17组成的电磁机构，定子13包括定子硅钢161和线圈162，定子硅钢161为分体式结构，由多组截面呈″E″字型的硅钢组成，相邻的两组硅钢之间有空隙，线圈162为圆环形并通过定子硅钢161之间的空隙进行接线并最终连接接线端子8，定子硅钢161为10槽结构，槽内安装8个线圈162，定子硅钢161的两侧各空置一槽，动子17包括永磁体171和轴172，永磁体171为圆环形并按照N、S、N…的顺序排列，相邻的永磁体之间安装隔磁环，轴172的两端加工螺纹并通过锁紧螺母11和套筒12安装渐开线型板弹簧9，渐开线型板弹簧9为圆板型弹性金属片，圆板表面加工渐开线型槽901，轴172的两端安装第一活塞101和第二活塞102；定子硅钢161的两端有第一端盖14和第二端盖15，发电机壳体2的一端安装密封端盖4。
作为本发明的第一实施例，在斯特林直线发电系统中，发电机的动子与斯特林发动机的动力活塞固连，做小幅高频振动。
作为本发明的第一实施例，永磁体171采用轴向充磁工艺，材料为烧结钕铁硼。
作为本发明的第一实施例，发电机结构在设计的过程中，应保证在发电机双边活塞受力均等的情况下，将定子中间齿正对法向磁感线处作为振动中心。
作为本发明的第一实施例，当活塞为简谐运动时，需要产生正弦波形的电势时，即在运动行程内磁链V随位移X为线性变化。由于正弦函数在零点附近接近线性变化，因此若将振动区间选取在曲线零点附近，则可在简谐振动条件下产生近似正弦的感应电势，又由于三相型的相绕组无法同时处于合适的运动区间，因此本发明设计的电机采用单相型绕组。
作为本发明的第一实施例，本发明设计的结构采用分数槽结构，减小定位力，降低样机制作的难度。
作为本发明的第一实施例，对于直线发电机，整距结构的功率密度更大，但相应的定位力也很大，如果合理使用高刚度的板弹簧，则可以在抵消定位力的基础上，产生设计需要的回复力。因此本发明采用了高功率密度的整距结构，并配合使用板弹簧以抵消较大的定位力。
作为本发明的第一实施例，电枢线圈缠绕在线轴上，然后嵌入铁心的槽中。铁心由E形硅钢片组成：每片厚度为0.5mm，10片组成1段，通过两端的通孔由绝缘螺栓螺母紧固，6段硅钢块沿圆周均布。除边端齿以外，主体齿紧密排列，围成一个正6边形，该正6边形的内切圆即为气隙空间的外边界，内切圆直径略大于动子套筒的外径。
作为本发明的第一实施例，第一端盖14和第二端盖15用于定子硅钢的周向定位，其特点是在小圆台上铣6个槽，槽宽略大于硅钢块的厚度，槽深等于小圆台高度(等于边端齿的宽度)。将硅钢块的端部插入端面卡环的槽中，即可实现周向与轴向定位。
作为本发明的实施例，要在E形硅钢片的槽中安置线圈，并且使相邻槽中的线圈相连，有两种方案：一是分别安装各个槽的线圈，再进行焊接：二是用一根连续导线绕制所有的线圈，再将线圈整体装入铁心的槽中。
作为本发明的第一实施例，动子在装配时首先将定位管装入套筒一端，并用螺栓或圆柱销定位，然后放入垫圈，再将永磁体与导磁圆柱依次装入套筒，装入另一端的垫圈及定位管。
发电机壳体2的两侧分别安装第一冷却套1和第二冷却套3，第一冷却套1与发电机壳体2组成第一液压室501，第二冷却套3与发电机壳体2组成第二液压室502，第一冷却套1和第二冷却套3上安装进液阀6和出液阀7。
进液阀6和出液阀7通过软管与大腿水囊21连接，大腿水囊21内包含毛细水管211、大腿进水管212和海绵层213，毛细水管211的进水口安装单向阀25，大腿水囊21的两侧有绑带29，毛细水管211与出液阀7连通，大腿进水管212与进液阀6连通。
作为本发明的第一实施例，毛细水管211通过接口与主管连接，由发电机高压腔室回流至大腿水囊21的温水经由毛细水管211将整个大腿水囊21加热。
大腿水囊21通过软管与膝部第一水囊23和膝部第二水囊24连接，膝部第一水囊23和膝部第二水囊24之间有水囊隔层27，水囊的内侧面有海绵层，水囊的外侧面有护膝22，护膝22上有护板26，护板26上有绑带29，膝部第一水囊23与毛细水管211连通，膝部第二水囊24与大腿进水管212连通。
大腿水囊21通过软管与足底水囊18连接，足底水囊18位于鞋垫和鞋底之间，内部安装PVC弹垫19。
作为本发明的第一实施例，大腿水囊21、第一水囊23、膝部第二水囊24和足底水囊18的进液管路和回液管路相互独立，且水囊上安装单向阀，保证水流在外部压力作用下只能够单向流动而不能回流。
接线端子8连接交直转换电路，交直转换电路包括整流电路、滤波稳压电路和降压电路三部分；
整流电路为全波桥式整流电路，由四个二极管D1、D2、D5和D6先两两串联后再并联组成，接线端子8的零线和火线接到二极管串联电路中间；
滤波稳压电路包括C1、C4和D3，C1为100uF电容，C4为0.1uF电容，D3为二极管；
降压电路使用LM2596S降压芯片，芯片输出端经过D4和C3滤波后进入电池。
交直流转换电路的功能是把由电磁感应产生的交流电，经过整流电路，滤波及稳压电路把交流电变为稳定的直流电，再通过LM2596S降压芯片降压到5V，便于后续电路为电池充电使用。
整流电路是用单向导电性的二极管，把正负变化的交流转化为单向脉动的直流。全波桥式使用四个二极管，负载上取到波形和电压数值跟全波整流完全相同。
经过整流后的直流电脉动还是比较大的，一般是不能直接使用，要再经过滤波清除里面所包含的脉动部分，得到电压较高的带负载能力较强的平滑的直流电。滤波通常选取无源元件如电容或电感，利用这些无源元件的储能特性最终实现滤波的目的。
作为本发明的第一实施例，本发明使用稳压管并联稳压电路作为滤波电路。最简单的是负载和一个稳压管并联，其中的电阻式限流电阻，输出电流小，输出与稳压管的稳定值正好相等的电压。
作为本发明的第二实施例，本发明使用串联型稳压电路作为滤波电路。含负反馈放大的功能，它设定一个固定值，从取样输出电路中检测出电压的变动与该值比较，经处理再加到调整管上，这样调整管电压跟着变化。输出电压下降，调整管压降也随之降低，输出的电压从而被提升，反之亦然，其结果就是得到的输出电压变化不大。
作为本发明的第三实施例，本发明使用开关型稳压电路作为滤波电路。取样电压是从取样电路中被检测出，后经过比较放大再去控制一个矩形波发生器，用输出控制调整管的开关时间。
作为本发明的第四实施例，本发明使用集成化稳压电路作为滤波电路。只有三个输出端，大功率调整管以及保护电路等全部都已在芯片内集成，加上散热片放到整流滤波电路后使用。
由电磁感应产生的40V电压到电池充电的5V电压，需用降压电路把电压降低。降压电路的作用是把电磁感应产生的电，经整流滤波稳压变成平稳直流电，由降压电路把电压降到适合直接给锂电池充电的电压。此电路中选用LM2596S降压芯片。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域技术人员可以在本发明的指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。
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