自发电采暖鞋的设计

李 立

( 大连工业大学 艺术设计学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

由于防寒的需求,当前市场上出现了小灵猫、热力士、爱心暖脚王等几种采暖鞋,也称为发热鞋。从国内外的市场和专利看,发热鞋的设计可以大致分为四类。第一类是电热鞋,即采用外接电源或内置电池,将电能转变为热能进行取暖。第二类是化学能发热鞋,即在鞋内设置发热袋,利用物质缓慢地燃烧(氧化过程)释放的热量来取暖。第三类是物理作用式发热鞋[1-2],将人体行走的机械能直接转变为热能。第四类是自发电式发热鞋,即将人体行走的机械能转变为电能,再转换为热能。这四类发热鞋各有特点,但也都存在一些不足，要么经常充电或更换发热袋而带来使用的不便，要么结构复杂、成本较高、影响鞋使用寿命的因素增多等。因此客观上需要一种更合理的发热鞋设计。本设计采用电磁感应的方法,将行走的机械能直接转换为电能,进而转换为热能,设计出具有简单结构的自发电电热鞋。

1 设计依据及要求

任何设计都应该是市场、消费者、环境及社会发展的统一,从这一角度出发,发热鞋的设计,不能只以发热为设计目的,在满足发热要求的同时,应考虑以下问题:

(1)从人体工程学的角度,新设计的鞋应穿着舒适,鞋底柔软而有弹性,行走应该省力,鞋内温度不因过高或过低而感到不适,即温度应可调,温度在鞋内的分布应该均匀。

(2)使用应该方便,应有广泛的适应性。

(3)要考虑使用的安全性,应该无毒、无污染。

(4)发热装置应该尽量简化,加工简单、成本低廉,减少影响使用寿命的因素,还要提高能量的转化效率。

(5)应满足低碳经济的要求。

2 设计的技术分析

2.1 行走时的人体工程学分析

人在行走时,两腿交替迈步,向前迈动的脚跟着地后,在后脚掌蹬地的推动力作用下,身体一边前移,一边因前腿由倾斜到直立而使身体向上运动,起伏的幅度约4.4 cm[3],同时前脚逐渐增大对地面的接触,并过渡到脚掌着地而脚跟抬起,又使另一条腿前移,两腿这样反复交替使身体前行。在这个过程中,脚底的压力有两个峰值,一个是脚跟着地时的压力,另一个是脚掌蹬地时的压力。使身体向上并向前移动的力来自后脚掌蹬地的力,这是由人的体力完成的。而前脚跟着地的力,是人体向上运动时蓄积的位能在下落时借助地心的引力转化为动能,对地面形成冲击力。这部分能量最后转化为热量被地面吸收并散失掉。回收这部分能量,不会格外消耗人体的能量。如果在脚跟部分设有弹性体,可以吸收脚跟的冲击力,不仅可以减轻冲击造成的大脑震动,有利于健康,而且由于弹性变形时蓄积了一部分人体下行的动能,在脚跟抬起时弹性体的回弹能量,可以减少脚跟抬起所需要的能量,从而减少前脚掌蹬地消耗的能量,有利于节省体力。对于鞋的前掌部分,为了有效发挥脚掌蹬地的作用,不应有过大的变形性,为了保持一定的柔软性,前掌可以有一定的弹性,但不能有塑性变形,以防消耗体力。

2.2 发热方法的选择

影响上述设计原则的关键因素,是能否选择一个合理的发热方法。从使用方便和适应性广考虑,普通的电热鞋和化学能发热鞋因受电源限制或经常充电及更换发热袋等原因,都不能作为首选。至于物理作用式发热鞋,当前已有的设计,也存在一定的问题。

因此,自发电式电热鞋可以考虑成为首选。这种电热鞋不需要另置电源,有广泛的实用性和使用的方便性；可以实现安全、无毒、无污染,也符合低碳经济的要求。本设计选用了线圈-永磁铁芯电磁感应系统来发电,这种方法不需要传动机构,脚跟的压力直接推动永磁铁芯在线圈中往复运动而发电,从而可以有效克服微型发电机发电方式的缺点。

2.3 对线圈-永磁铁芯电磁感应型发电系统可行性的分析

经上述分析选择的电磁感应型发电系统是否能满足发热鞋的要求,必须作进一步的论证。图1是磁圈-磁铁电磁感应系统的工作原理示意图。

图1 线圈-磁铁电磁感应

图1中N、S分别是永磁铁的北极和南极,当磁铁向下运动接近线圈A时,由线圈上的导线所围成的面积内,其磁通量将发生变化,根据法拉第定律,线圈导线内将产生感应电流。又根据楞次定律,感应电流的方向是使由该电流所产生的磁场去抵消磁铁移近所造成的磁通量增加。图1中带箭头的实线是永磁铁产生的磁力线,带箭头的虚线是感应电流产生的磁力线,二者的方向相反。产生的电流可由电流表G的指针偏移得到证实。

线圈中感应电流I的大小取决于线圈中感应电动势E及线圈的电阻R,即:

I=E/R

线圈的电阻是已知的,感应电动势E可用下式求得:

E=NΔφ/Δt

式中,N为线圈的匝数;Δφ为磁通量的变化量;Δt为与磁通量变化所对应的时间。

已知钕铁硼N35永磁铁的磁通量0.4～0.7 Wb/m2,普通人在正常行走时,其步频是0.8～1.2步/s。因此要达到一定的电动势和电流的要求,可以改变线圈的面积和线圈的匝数来满足,其中线圈的面积受鞋跟部面积的限制,调整的幅度有限,而线圈可以多层缠绕,取值范围是较广的。因此要获得必要的电能参数,电磁感应系统本身是没有问题的,问题是人行走时脚跟的推动力,能否产生足够的能量满足鞋内的取暖。

一个普通的成年人,体重多为50～70 kg,可取其低值,即取体重50 kg。行走的特点是两脚不会同时离地,那么在前脚跟着地时,后脚的脚尖尚未离地,体重是由两脚共同负担的,即脚跟的下压重力为25 kg,约250 N。由上述可知,人体行走时上下起伏的幅度为4.4 cm,考虑复位弹簧必须蓄积复位所需的能量,加上电磁感应的阻尼效应,假定这个起伏量有30%行程能有效用于推动永磁铁芯向下运动而做功,即移动量1.32 cm,则地球重力做功为0.013 2 m×250 N=3.3 J。在脚跟抬起时,复位弹簧的蓄积能量也将做同样大小的功,即行走一步可做功3.3 J×2=6.6 J。为了计算方便,取步频为1步/s,则行走时一只脚的脚跟可发出的功率约为6.6 W,由于系统没有机械损失,只有线圈本身有一点热损失,按能量转化率90%计,有效功率约为6 W,与当前的市售的小灵猫发热鞋(内置电源式)配制的电源总功率(6 W 和4.5 W两种)相当或更高,因此人行走自身能量的回收,完全可以满足发热鞋使用。

3 设计结果及说明

图2是本设计的具体设计方案。除了鞋体以外,整个发热系统由发电机构、操纵和温控机构、发热体及电路系统组成。

1 电磁室底板; 2 弹簧钢片; 3 鞋底革层; 4 发热体; 5 鞋内衬; 6 上十字底板; 7 下十字底板; 8 永磁铁芯; 9 线圈; 10 电源插座; 11 锂电池; 12 导线通孔; 13 套筒; 14 自发电电源接头; 15 二极管整流电路; 16 温控开关; 17 手动开关; 18 电路板; 19 复位弹簧

图2 自发电采暖鞋设计方案示意图

Fig.2 Sketch schematic design of self-generated electricity heating shoes

发电机构的主体由固定在鞋跟电磁室中下十字底板7上的线圈9和固定在上十字底板6上的永磁铁芯8组成,在上下十字底板间支撑着装在套筒13中的复位弹簧19,这样可以保证随着行走时脚跟的起落,永磁铁芯在线圈中做上下往复运动而产生感应电流。电流经电路板18(电路图见图2左)的二极管整流电路15变为直流电,通向布置在鞋底表面和鞋帮中的碳纤维制成的发热体4。

操作和温控机构由温控开关16和手动开关17组成。当鞋内温度超过30 ℃时,双金属片构成的温控开关由左向右,停止向发热体供电,接通锂电池充电线路,将多余的电量储存于锂电池中,以保持鞋内温度适中。温度低于30 ℃后,温控开关复位,恢复向发热体供电。在停止行走或坐位工作时,自发电机构停止工作,可用手控开关17接通锂电池供电线路,像发热体供电。也可以经外接电源插座10接通外电源向锂电池充电,或向发热体供电。

发热体可以采用碳纤维混抄的电热纸、碳纤维制造的无纺布,或由电阻丝编织而成。

4 结 语

(1)选择线圈-永磁铁芯发电机构,不用另置电源,且结构较简单,没有机械传动装置。不仅解决了方便性和广泛实用性,保证安全、无毒、无污染,满足低碳经济的要求,而且能量转化的效率高,几乎没有易损件,有利于提高使用寿命,降低成本。

(2)从人体工程学的角度出发,合理利用脚跟下压的能量,并采用弹性元件蓄积部分下压能量,回弹时可推动脚跟抬起,减少行走的体力消耗；弹簧钢片2的前端置于脚趾和脚掌关节的后方,以保证不影响脚掌蹬地时鞋底应有的柔软性；温控机构保证了鞋内温度适中。发热体不仅分布于鞋底,也部分分布于鞋帮,保证鞋内温度分布均匀。

(3)在方便性和实用性方面,设置手动开关控制锂电池供电线路,利用鞋内超温时蓄积的能量供不行走时取暖,甚至备有外接电源以应对特殊情况,比如坐位工作或行动不便人员,大大扩大了方便性和实用性。

[1] 许长根. 自发热取暖鞋:中国, CN90212024.7[P]. 1990-08-29.

[2] 张正凤. 一种自动发热鞋:中国, CN97108189.1[P]. 1999-02-10.

[3] 吴剑,李建设. 人体行走时步态的生物力学研究进展[J]. 中国运动医学杂志, 2002, 21(3):305-307.