自发电的夜跑安全指示灯的设计

论文总字数：17135字

目 录

1绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2研究现状 1

1.2.1夜跑安全指示灯 1

1.2.2人体动能 2

1.3 能量采集技术 3

1.4 总结 6

2能量采集装置的结构设计与优化 6

2.1 能量采集装置的结构及工作原理 6

2.2能量采集装置的结构优化 8

2.2.1 尺寸设计 8

2.2.2仿真步骤 9

2.2.3 结构优化 12

3夜跑安全指示灯的加工与测试 15

3.1 能量采集装置的加工 15

3.2 能量采集装置的测试 17

3.2.1实验一 17

3.2.2 实验二 20

3.3 夜跑安全指示灯的加工 21

3.4 夜跑安全指示灯的测试 21

4总结 24

参考文献 25

致谢 27

自发电的夜跑安全指示灯的设计

薛玉洁 20131341065

, China

Abstract：The collection of human kinetic energy for power generation technology can continuously charge for portable equipment .Based on the analysis of the research status of energy collection technology and human body kinetic energy power generation, this paper proposes to use the human body kinetic energy to power the lamp light, and use the principle of simple pendulum and the electromagnetic induction principle to transform human body vibration energy into electrical energy .In order to obtain the optimized structural parameters, Ansoft Maxwell was used to simulate the transient electromagnetic simulation, and the fun run safety indicator of human was designed and the performance test was carried out. The results show that 10 led lamps can be driven to flicker in normal walking state. This simple and reproducible energy technology is expected to be used for wearable mobile electronic equipment, and the development prospect is huge.

Key words：Human body kinetic energy collection ; Electromagnetic induction ; Fun run lamp ; Ansoft Maxwell

1绪论

1.1研究目的及意义

很多运动爱好者都有晚上跑步的习惯，当夜间照明受限时，为了夜跑者的安全起见，夜跑时在身上挂个指示灯是很好的选择，这种指示灯应具有便携、体积小、质量轻等特点。随着此类便携式电子设备的种类及功能不断增多，其供电电源的供电问题正亟待解。传统化学电池暴露出越来越多问题，积极开发能源和提高能源利用效率，是解决世界能源问题的重要方法。

现有的便携式电子设备的耗电量普遍较低，而人体能量供给连续不断，若是能在不影响人们日常活动的条件下，采取合适的能量采集装置，辅以高效的电源管理，来给安全指示灯充电，可以说是行之有效的方法。

本设计利用人体动能为便携式夜跑安全指示灯供电，其能量收集装置具有结构原理简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带，普及可行性比较高等优点，对未来研究电子设备永久性充电问题具有重要的意义。

1.2研究现状

1.2.1夜跑安全指示灯

图1-1 常见的夜跑灯

跑步是目前大众运动中非常受欢迎的一项运动，不仅各个年龄阶段的人群都能参加，而且有不分场合，不论是学习了一整天的学生还是工作之后的上班族，亦或是上了年纪的退休人员，都可以通过跑步来锻炼身体。越来越多的跑步爱好者选择夜跑，据不完全统计，全国有超过5500万的跑步爱好者，其中就有超过3000万的夜跑爱好者^[1]。而在夜跑时，放置一个安全指示灯不失为明智的选择，既能为夜跑者照明，又能向过往人员警示。然而现在市场上的夜跑灯（如图1-1）几乎都使用纽扣电池为指示灯供电，可持续使用时间不超过36小时，不能为使用者提供持续有效的安全保障。

人体运动时能够产生较大的动能，可将其转化为电能为安全指示灯供电。来自北京大学的孟博所创建的LUMEN团队开发的自供电夜跑灯^[2]（如图1-2所示），使夜跑者通过自己的跑动给夜跑灯供电。该装置利用电磁发电技术，通过线圈连接内部铁芯，两个永磁体分别置于铁芯上下部分，两个导磁铁片由弹簧片连接置于线圈上下方，铁片上下运动时切割磁感线以产生感应电动势，从而点亮LED灯，实现夜跑灯的自供电。

图1-2 自发电的夜跑灯及其结构图

1.2.2人体动能

人体在运动时可以产生大量的能量，这些能量大致可分为两类，即化学能与物理能，如图1-3^[3]所示。身体热能、呼吸、血压及身体的运动等都属于物理能，是人体潜在的能量来源，科学家们一直致力于研究怎样把这些能量更好的利用起来。根据能量守恒原则，自然界不同的能之间可以相互转化，这些能包括动能、机械能、电能和热能等。

图1-3人体能源的分类

人在正常的活动中可产生大量的能量，包括热能耗散以及四肢和躯干部位在正常运动时产生的能量，收集身体热能、呼吸、血压及运动等物理能可为USB充电、照明、警示及报警等装置供电，从而取代传统化学电池,为微低功耗的电子系统供电^[4]。

T.Starner^[5]等人计算出人在各项活动中产生的能量消耗，由此制出典型的人体活动能量消耗表^[6]，如表1-1所示。观察下表可知，虽然这些运动所产生的总能量不尽相同，但普遍都比较低。人在运动时四肢产生的能量比较大，适合作为一个能源。

表1-1 典型的人体体力活动能量消耗

实际上，影响能量采集装置收集效率的因素除了能量采集装置核心元件本身的转换效率外，还有结构设计、封装、电路设计、存储以及使用环境等许多因素，以致现有的研究所能产生的电能量远低于预期的结果^[7]。

1.3 能量采集技术

常用的能量采集的方式有光能、热能^[8]、振动能和人体机械能等，每种方式各有优缺点，为评价其为便携式可穿戴设备的适用性，研究人员做了以下评估（如图1-4所示）^[9]。其中，可穿戴性是指能量采集器与用户的衣物或配件整合在一起的性能；能量转化效率是指一个能量转换设备所输出可利用的能量相对其输入能量的比值；绝对功率为所采用的能量采集方法能输出的最大功率；能源稳定性是指能量采集器的计量特性随时间不变化的能力。

分析图1-4可知，尽管采集人体动能的方法可穿戴性一般，但其输出功率很高，能量源稳定，因此可作为便携式可穿戴设备的良好电源^[10] 事实上，作为最重要的能量收集技术之一，人体动能采集技术近年来已经渐渐成为研究热点，越来越多的人体动能收集装置被设计研究出来，普遍应用于人们日常生活、各项科学研究等。

图1-4 各种能量采集方法的评估

人体动能收集技术主要包括压电式、电磁式、静电式、磁致伸缩式等^[11]。下面重点介绍电磁式能量收集技术。

电磁式能量收集技术^[12]是在法拉第电磁感应定律的基础上，将机械振动能转换为电能的能量收集技术。其工作原理是当穿过闭合回路所围成面积的磁通量发生变化时，回路中就会相应的产生感应电动势，从而将自然界中普遍存在的振动能转变为电能。

原理如公式（1）所示

E =N(Δφ/Δt) (1)

其中E是接收器中线圈的感应电压；φ表示通过线圈的磁通量；N表示线圈匝数；Δφ=Δt表示磁通量变化率。

电磁式能量采集器^[13]：该装置一般包括线圈和磁铁，当磁铁运动时，线圈中的磁通量将发生变化，在其两端产生感应电动势，就能把机械能转换为电能。该类能量转换器结构简单、成本低廉、能量转换效率非常高，输出的功率可以满足便携式可穿戴电子设备的需求^[14]。根据磁铁和线圈的运动关系，将电磁式振动能量采集器分为动铁型和动圈型两种。

（1）动铁型

动铁型振动能量采集器，顾名思义，即使线圈保持静止，磁铁在环境振动作用下发生相对于线圈的运动，使得线圈磁通量发生改变，从而在线圈中产生感应电动势和感应电流。

有人研制了一种可穿戴人体膝关节动能能源收集实验装置^[15]如图1-5所示，初步原型装置可提供足够的能量给移动电子和穿戴式设备进行充电。实验人员将该装置穿戴好，以2m/s的速度做均速直线运动，可获得平均值为17.3V 的电压输出，峰值电压可达到20.4V。相同情况下，使用该装置为锂电池充电，测得电流平均值为291mA，峰值达到400mA，输出电压平均值为7.84V，峰值达到9.20V，输出平均功率可达2.3W。

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