宋雷震 呂東芳

(1淮南聯(lián)合大學(xué)智能制造學(xué)院；2淮南聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院 安徽淮南 232001)

根據(jù)人類行走時所做的功，人體的行走特點(diǎn)，設(shè)計一套發(fā)電系統(tǒng)，并對系統(tǒng)各個組成部分進(jìn)行具體的設(shè)計，根據(jù)理論計算分析各個部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過小型實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的可行性，并對國內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研，設(shè)計創(chuàng)新出有效、可行的設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計方案，實(shí)際制造小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)，測得各個部分運(yùn)行的特性及最佳的運(yùn)行行程、方案布局、發(fā)電機(jī)設(shè)計等，與設(shè)計方案理論數(shù)據(jù)相對比，進(jìn)而證明該系統(tǒng)是創(chuàng)新、有效、可行的設(shè)計。最后等比例實(shí)物制造[1]，在試用中發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)設(shè)計，為該系統(tǒng)的推廣奠定基礎(chǔ)。

1研制背景及意義

隨著人類對電能的大量需求的同時，人們也發(fā)現(xiàn)要利用太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能、地?zé)崮艿刃滦湍茉磥頊p少甚至代替不可再生資源的利用。但人類自己產(chǎn)生的機(jī)械能，例如行走，白白將產(chǎn)生的機(jī)械能通過摩擦力、熱能等形式浪費(fèi)掉了。人們每次上下樓梯時都會克服自身重力來消耗機(jī)械能，而國內(nèi)樓梯一般設(shè)計規(guī)范是樓梯踏步寬度應(yīng)≥260mm，踏步高度≤175mm。假設(shè)一個體重60kg的人住在不配備電梯的小區(qū)三樓，小區(qū)每節(jié)樓梯約10級臺階，因此一次上下樓共踩了80個臺階，那么消耗了約3 600J的機(jī)械能。現(xiàn)在也有通過壓電陶瓷或發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能的地板，但是效率都不高，并不適用于樓梯。該設(shè)計為樓梯發(fā)電裝置，在很大程度上回收行人平常上下樓梯消耗的機(jī)械能，該設(shè)計樓梯采用寬300mm，高150mm的臺階，一級臺階兩個發(fā)電機(jī)組，一個發(fā)電機(jī)組擁有6個直線發(fā)電機(jī)，兩塊壓電元件(見圖1)。行人上下樓梯時能踩下12個電機(jī)、四塊壓電元件工作，而直線發(fā)電機(jī)一個來回約產(chǎn)生10瓦的電能，壓電元件的瞬時形變也可產(chǎn)生約0.3瓦的電能。經(jīng)計算當(dāng)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的齒條下沉1cm時經(jīng)過增速齒輪帶動后一個電機(jī)約能產(chǎn)生25瓦的電能，即一個發(fā)電機(jī)組約產(chǎn)生360瓦電能，因此行人一步能產(chǎn)生約722瓦的電能。設(shè)天橋的一級臺階每天有100人走過，及每天一級臺階可產(chǎn)生72 200瓦的電能。假設(shè)行人踩踏到發(fā)電機(jī)工作的過程時間為2s，這約能產(chǎn)生12度電。因此該設(shè)計有著很大的潛在價值。此裝置在環(huán)保的同時能根據(jù)每天行人的數(shù)量和步數(shù)來產(chǎn)生相應(yīng)的電能供路邊的電子設(shè)備使用。這一定程度上節(jié)省了給電子設(shè)備供電的能源并使行人步行時的能量得以回收，且可以不同的方式回收，以達(dá)到回收效率最大化。此裝置安裝方便快捷適用于多種地形，具有較好的研究意義和實(shí)用價值，詳見圖1。

受力前

受力后

1-踏板； 2-發(fā)電機(jī)組外殼邊緣；3-支撐頂邊緣

圖1 設(shè)計方案圖示

2系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

2.1整體結(jié)構(gòu)

由地板、圓筒型直線發(fā)電機(jī)、齒輪組、壓電元件、空氣彈簧及全橋電路、蓄電池、固定裝置構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 樓梯設(shè)計圖

根據(jù)臺階寬度、高度等限制，通常一級臺階可集成了兩個發(fā)電裝置，該裝置分兩部分來實(shí)現(xiàn)復(fù)合發(fā)電，第一部分由發(fā)電機(jī)組發(fā)電：當(dāng)受力時，齒條會向下移動，經(jīng)過齒輪間的二級加速來帶動齒輪的連桿使發(fā)電機(jī)(為一種直線發(fā)電機(jī)，內(nèi)部由動子、定子組成，如圖1)運(yùn)動，導(dǎo)致中間的動子上下運(yùn)動被定子繞組切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電壓發(fā)電；第二部分由壓電元件發(fā)電，當(dāng)踏板受力下陷后，地板下端的壓電元件便會受到形變而發(fā)電[2]，見圖3。

圖3 整體結(jié)構(gòu)

2.2分部結(jié)構(gòu)-圓筒型直線發(fā)電機(jī)

2.2.1圓筒型直線發(fā)電機(jī) 圓筒型直線發(fā)電機(jī)如圖4所示。

圖4 圓筒型直線發(fā)電機(jī)

(1)定子：由定子鐵芯和定子線圈(見圖5)構(gòu)成。鐵芯呈圓筒形，由硅鋼制成，硅鋼片導(dǎo)磁性好以便減少齒槽效應(yīng)和減少渦流損耗，保證電機(jī)的效率達(dá)到最高。圓筒內(nèi)圓柱面有多個圓環(huán)形槽和定子槽齒，這些槽用來嵌裝定子線圈，齒來引導(dǎo)磁力線，降低磁阻。定子線圈為環(huán)形結(jié)構(gòu)，線圈所在的平面與定子軸線垂直，線圈中間約和動子磁鐵有1mm的距離來產(chǎn)生氣隙磁場，也保證動子正常進(jìn)行上下往返運(yùn)動，以達(dá)到線圈切割磁力線的作用。該電機(jī)設(shè)計了6個環(huán)形槽及擁有5個槽齒，來對應(yīng)動子的4個永磁體，并用5個隔磁材料隔開,并優(yōu)化了槽和槽齒的寬度，以達(dá)到電機(jī)發(fā)電最理想的狀態(tài)[3]。

(2)動子：由永磁鐵(圖5中的5、6)、固定軸(圖5中的3)和隔磁材料(圖5中的4)構(gòu)成。通過利用永磁的材料來產(chǎn)生磁場，因?yàn)橛来朋w本身具有磁性，無需額外裝置，靠本身就可以在周圍產(chǎn)生磁場，因此優(yōu)于用勵磁線圈來產(chǎn)生磁場。構(gòu)成動子磁極的永磁體磁通方向都是垂直與電機(jī)軸線的，也就是徑向發(fā)出磁通。設(shè)定2個藍(lán)色磁極的磁通方向背離軸線的，2個紅色磁極的磁通方向是朝向軸線的，且兩個顏色不同的磁體間隔排列，為保證兩磁體磁通的正確走向，在兩磁體間用和線圈同寬的隔磁材料(白)阻隔。假設(shè)藍(lán)色為N-S極，紅色為S-N極，白色為隔磁材料(見圖6)。磁通進(jìn)入有導(dǎo)磁作用的鐵芯后，便沿著槽齒流向相鄰的槽齒，再回歸S極。此時形成了一個閉合回路。通過磁通的流動方向可知，磁通流動形成平面與該發(fā)電機(jī)的定子繞組形成的平面是相互垂直的[4]，符合直線發(fā)電機(jī)的特性。

圖5 斷面圖示

圖6 斷面圖和整體圖

2.2.2增速度齒輪箱 增速度齒輪箱如圖7和圖8所示。齒輪組由齒條、驅(qū)動軸、驅(qū)動齒、單向軸承、傳動齒、增速齒、連動齒構(gòu)成。驅(qū)動齒、傳動齒、增速齒1、增速齒2和連動齒的半徑比為1：6：1：4：3。雙面齒條的上端與支撐體固定連接，固定軸3上有驅(qū)動齒、單向軸承(見圖9)和傳動齒，且驅(qū)動齒和固定軸不固定，而單向軸承和傳動齒與固定軸固定。齒條與驅(qū)動齒嚙合，驅(qū)動齒和單向軸承外圈固定，單向軸承內(nèi)圈和固定軸固定，傳動齒和增速齒1嚙合(增速齒由驅(qū)動軸6固定)，增速齒2和擁有連桿結(jié)構(gòu)的齒輪嚙合，連桿和連接電機(jī)動子的輕板連接。因?yàn)辇X條為兩面，因此齒條另一面和該面結(jié)構(gòu)相同，來增加裝置的效率。當(dāng)齒條受力向下運(yùn)動時，齒條帶動驅(qū)動齒運(yùn)動，驅(qū)動齒帶動單向軸承咬合后，帶動固定軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動傳動輪動，然后帶動增速齒1運(yùn)動，導(dǎo)致增速齒2帶動連桿齒輪運(yùn)動，使發(fā)電機(jī)動子上下往復(fù)運(yùn)動來發(fā)電，齒條另一面相同動作。當(dāng)人離開踏板后，齒輪條下端被空氣彈簧頂起，使齒條向上運(yùn)動，帶動驅(qū)動齒反向運(yùn)動，但因?yàn)槭褂昧藛蜗螨X輪，后面齒輪不會隨著驅(qū)動齒運(yùn)動而運(yùn)動，使電機(jī)依然隨著慣性繼續(xù)運(yùn)動，從而繼續(xù)發(fā)電。

圖7 增速齒輪組

圖8 齒輪組斷面圖

圖9 (圖8中的5局部)單向軸承

2.2.3壓電結(jié)構(gòu) 壓電結(jié)構(gòu)如圖10中的壓電元件所示。該設(shè)計選用PVDF和樹脂復(fù)合的壓電元件，這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具備壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。盡管如此，仍將壓電片固定在彈簧片上，運(yùn)動過程中使彈簧片受力形變從而帶動壓電片形變進(jìn)而發(fā)電。將彈簧片以懸梁臂的形式固定在發(fā)電機(jī)組外殼的頂端，并伸出一部分與發(fā)電機(jī)組外殼頂端距離約2cm左右，而壓電片固定在彈簧片下端。當(dāng)齒條下沉約1cm時，彈簧片也隨之下沉1cm時形變，但壓電片的形變卻很小，這樣在不影響壓電片發(fā)電的同時也保證了壓電片不會被損壞。因?yàn)橐患墭翘萦?個發(fā)電機(jī)組，因此有四塊壓電元件。每塊壓電片瞬間能產(chǎn)生約0.3瓦的電能，因此當(dāng)行人踩下踏板的瞬間，每組發(fā)電機(jī)組能約能產(chǎn)生1.2瓦的電能。

圖10 發(fā)電機(jī)組外殼

2.2.4三相整流 因?yàn)樵撛O(shè)計的發(fā)電需外界壓力做功，做功時間隨機(jī)性較強(qiáng)，產(chǎn)生電能不恒定，因此需要對產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流儲存，目的將發(fā)電裝置發(fā)出交流電轉(zhuǎn)換成直流電，保證了蓄電池穩(wěn)定充電，見圖11所示。

圖11 三相整流橋式電路圖

3創(chuàng)新點(diǎn)

(1)該系統(tǒng)是通過人類每天的上下樓梯所產(chǎn)生的機(jī)械能結(jié)合自身的重量，來產(chǎn)生相應(yīng)的電能。這樣人們在平時走路、爬樓等不知不覺的行動中，產(chǎn)生不連續(xù)的電能并通過儲能收集起來，在需要的時候進(jìn)行供電、照明?，F(xiàn)在生活中經(jīng)常看到樓梯如住宅樓房、戶外天橋或?qū)W校到處都有樓梯，如果把每個樓梯的踏步都改裝為本作品以產(chǎn)生電能，可減少公共施設(shè)用電，相當(dāng)于減少因生產(chǎn)電能對環(huán)境的污染。

(2)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以很好的嵌入到樓梯的踏步內(nèi)，在被踩下短短的1cm，可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行增速，帶動直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行最大化的做功發(fā)電。

(3)傳統(tǒng)的發(fā)電地板只適用于平路，且安裝麻煩，成本偏高。該設(shè)計以單獨(dú)的發(fā)電組為整體，使得適用于多種環(huán)境，不只安裝樓梯還可以安裝平地，有安裝方便、便捷且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)行人踏下樓梯踏板時，踏板的垂直位移將人體的自身重力勢能通過齒輪組帶動直線發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)為電能、部分轉(zhuǎn)化為空氣彈簧的彈性勢能，當(dāng)人體離開后，空氣彈簧向上推動齒條恢復(fù)初始位置，而齒輪組通過單向齒輪的作用脫離開齒條，在慣性的作用下繼續(xù)帶發(fā)電機(jī)做功。

4應(yīng)用前景

文章針對傳統(tǒng)樓梯進(jìn)行調(diào)研、分析，對其進(jìn)行改裝，在不破壞樓梯主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將作品嵌入至樓梯內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)踩踏發(fā)電。該系統(tǒng)設(shè)計可應(yīng)用于人流量較大的室內(nèi)外樓梯(自身產(chǎn)生電能可通過數(shù)碼屏向使用者展示，提示為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，使節(jié)能減排更加深入人心)，如天橋、寢室樓、住宅樓、學(xué)校樓房等處的樓梯，也可用于平面地面，在行人行走的過程中即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電。將產(chǎn)生電能應(yīng)用于公用設(shè)施，還可減少電纜鋪設(shè)及生產(chǎn)電能帶來的污染，達(dá)到節(jié)能減排的作用。該裝置安裝簡單，應(yīng)用前景非常廣闊。