一种基于人体运动的发电装置研究与设计

王 超，杨 静，李 昊，刘宇航，陈 岭，3，刘航宇

(1.中国人民解放军后勤工程学院， 重庆 401311；2.中国人民解放军61906部队， 河北 廊坊 065000；3.中国人民解放军68064部队， 青海 湟源 812199)



一种基于人体运动的发电装置研究与设计

王 超1，杨 静1，李 昊1，刘宇航1，陈 岭1，3，刘航宇2

(1.中国人民解放军后勤工程学院， 重庆 401311；2.中国人民解放军61906部队， 河北 廊坊 065000；3.中国人民解放军68064部队， 青海 湟源 812199)

针对传统电池具有容量小、质量大、续航时间短等缺点，根据人体运动的特点，研究和设计了一种基于单兵人体运动的便携式发电装置,提出了一种基于非平衡转子的人体动能采集与转换装置。为提高输出电压值以达到实际可用的电能输出，设计了一种以多极永磁体作为转子、多组线圈作为定子的发电机，进行了相应的理论分析和Ansoft实验仿真。结果表明：在2 Hz的人体正常步行频率下，该装置的开路输出峰值电压可达18 V，为实现电能的实际利用奠定了基础。

发电装置；非平衡转子；人体动能；输出电压

现代战争需要依靠大量信息化装备来提高士兵自身的作战能力，这些电子装备在提高单兵对战场态势感知能力的同时，也带来电能消耗量大的突出问题[1]。电池在军事设备中有很多应用，如美国士兵配备的GPS、夜视仪、红外成像仪、显示头盔、武器瞄具及无线通信装备等[2]都离不开电池。目前，常用的蓄电池存在容量小、质量大、续航时间短等不足，战士不得不携带更多电池。在行军打仗中，这些为电子装备供电的电池在战士的负重中占很大比重[3]，这不仅增加了单兵的负荷，也给后勤补给增加了压力。据有关统计[4]，美军在阿富汗战场上，一名士兵执行为期5天的任务平均消耗88节AA电池，一名美国陆军士兵每年消耗电池的费用高达6.5万美元。沉重的单兵负载和高昂的后勤补给费用使西方国家日益重视单兵电源装备。尽管各国军方在研制新型便携式电源上已经投入了大量的时间和经费，但目前绝大多数研究成果并不满意[5]。因此，研制新型的能够稳定、随时供装备使用的便携式单兵电源势在必行。

相较于单兵电能的短缺，环境中的能量分布无处不在。因此，众多学者考虑通过能量收集技术，将环境中的能量转换为电能，为蓄电池或用电设备供电。然而，环境能量密度受环境条件变化的影响很大，无疑增加了能量收集器的设计难度，影响能量收集的效率和稳定性[6]。相关研究结果表明：振动能(如人正常行走时双臂大幅运动的功率为60 W、双腿的摆动为67 W[7])能量密度更稳定，可以作为能量采集装置的可靠输入。振动能量收集技术的研究为该领域的发展提供了一个非常好的思路。目前，如何利用能量收集技术实现振动能的转换是一个很有应用前景的课题[8]。

当前国内外针对振动能的研究主要有电磁式、静电式、压电式3种利用形式。静电式能量采集器存在制作过程复杂、成本高、输出阻抗大及输出电流小等缺点，在实际应用过程中受到了极大的限制[9-12]。压电式能量采集装置受到结构限制、外围转换电路消耗大以及压电材料性能缺陷等诸多问题的影响而效率较低。此外，在高频周期的载荷作用下，压电陶瓷很容易疲劳而产生裂纹，进而产生脆性断裂，限制了其的实际应用[13]。电磁式人体能量收集器的研究较为广泛，其中电磁传动式发电装置的模型较为成熟，有较高的能量密度，其微型化和高效率方面的研究是未来主要研究方向。目前，微型化的电磁集能器受限于线圈匝数、平面磁铁性能、振动幅度小等因素，使其难以制作和应用，而且电磁式发电装置能量转换的体积受到弹簧的限制，产生的输出功率较低。此外，电磁式集能器虽然有较大的输出电流，但其输出电压很低(一般都小于1V)，大多仅限于毫伏级。王佩红等[14]研究了一种三明治型电磁能量采集器。该能量采集器由上线圈、下线圈、中间平面弹簧和永磁体组成。实验结果表明：上下线圈串联可产生一个125 mV的最大输出电压。Duff和Carroll对一个滑动磁铁的6线圈发电机在2 Hz的工作频率下进行了测试，在设计了一种整流电路[15]升压的条件下也仅得到了一个4 V的输出电压。在能量收集方式上，大多数都集中在以机械转动的方式进行能量收集，而对以非平衡转子作为动能收集方式的研究非常少。文献[7]经升压电路升压后得到3.3 V的输出电压，文献[16]通过电磁式电能转换方式得到的峰值电压也仅为2 V，为后续电能的有效利用带来了极大的不便。

鉴于以上背景，本文设计了一种利用人体运动能量发电的便携式电源装置，能够为单兵信息化装备稳定、持续地供电，为保障士兵的作战能力提供了支撑。

1 人体动能发电装置结构设计

本文提出并设计的新型非平衡转子式人体动能采集与转换装置的整体结构如图1所示。该能量采集与转换装置主要被气隙分隔成定子和转子2个部分，两者之间存在着气隙磁场的耦合。装置总体设计为圆柱体结构，直径为100 mm、高50 mm，总质量约仅有390 g，相较于阿富汗美军平均每5天88节AA电池约重2 640 g的携带量而言，显然具有极大的优越性。该装置可置于人体脚踝部位，随着人体脚步的运动，非平衡转子通过采集人体运动的能量而发生旋转运动，经过中间气隙与定子绕组的磁场耦合从而将转子的旋转动能转化为线圈中的电能输出。

图1 新型非平衡转子式人体动能采集与转换装置的整体结构

与传统的振动能量采集装置相比，该能量采集转换装置体积、质量较小，能够与人体进行很好的结合，输出较高的、可实际应用的电压。在不影响人体正常运动下采集人体运动浪费掉的部分能量并转化为电能输出，从而实现了用电设备的供电和蓄电池的储能。

1.1 定子结构设计

该装置的定子由12组线圈和12组铁芯以及基座组成。线圈绕铁芯缠绕并相锲在基座中，具体形式如图2所示。12组线圈首尾串联形成单项输出，导线直径选取0.15 mm铜导线并以正交环形绕线方式环绕。基座的直径为100 mm、高25 mm。基座上开挖有线圈槽并将线圈绕组和铁芯置于其内。

图2 定子结构示意图

在定子相关尺寸的设计中，主要考虑在其放置于人体踝关节处时应尽量减少对人正常行走和跑步运动的影响，并且使输出电能质量尽可能高。

1.2 转子结构设计

在转子结构设计中，根据对人体腿部运动特点的分析和研究，考虑在一定负载下电能转换装置的电磁阻尼对转子旋转的影响，在满足转子在人体正常行走下连续运转的基本性能要求下，综合选择和设计其基本尺寸为：中心角为120°，转子半径为50 mm，转子高度为20 mm，转子由4块尺寸为16 mm×16 mm×20 mm的永磁体和环氧树脂组成，具体结构如图3所示。

图3 转子结构示意图

2 装置运行参数分析

动能发电装置的运动方程可通过非平衡转子得到。将线性振荡运动X(t)=Axsinωt施加到发电机上，可得发电机垂直布置时转子的运动方程[16]为

mgacosθ

(1)

式中：m是转子的质量；a是从旋转轴线到转子质心的距离；Ax为输入加速度的幅值；J为惯性矩；θ为转子的旋转角；ω为所施加的振荡运动的角频率；Ce是由通过线圈的电流引起的机电阻尼。

转子自激励旋转的初始条件为：

( 2)

(3)

式(2)表明：为了具有连续的自激旋转，转子需要具有大于所施加的振荡角频率的初始角速度。

式(3)表明：太大的电磁阻尼将造成非平衡转子无法自激励旋转。

发电机的开路电动势的值与线圈的有效长度的关系为

(4)

(5)

式中：VTem为发电机输出的开路电压；B为线圈有效长度所在位置的剩余磁场；leff为线圈的有效长度；lr为转子的半径；lw为线圈的实际长度。

线圈螺线的总长度约为

(6)

式中：NT为线圈总匝数，定义为每层的线圈匝数乘以线圈层数；D0为线圈的外径；Di为线圈的内径。

因为永磁体在旋转过程中会远离线圈，故而必须重新计算线圈的剩磁。距离磁体z处的磁场为[17]

(7)

式中：tm表示磁体的厚度；r1表示磁体的半径。

因为线圈都串联在一起，故而电机的内阻为12个单独电阻器的串联电阻。由于只有4块磁铁，因此电压可被视为串联的4个电压源，所以传递到负载电阻的功率可表示为

( 8)

式中：RL表示发电机外部负载电阻；RTint表示发电机内部线圈的电阻。

发电机内部线圈电阻由导线电阻计算求得：

( 9)

式中： ρ为线圈导线的电阻率；lw为线圈导线长度；Nc表示线圈数量；A为导线的横截面积。

据上述分析可见：最大功率输出值产生在最佳负载电阻处，而最佳负载电阻值等于电机的线圈内电阻值；电磁阻尼的大小取决于负载电阻的大小。因而，输出功率可依据电磁阻尼来定义。为了找到电磁阻尼值，需首先找到由线圈和磁体之间的电磁力而引起的扭矩。

根据式(1)，电磁转矩被定义为

(10)

由于扭矩也可以定义为角频率上的功率，因此由电磁阻尼引起的转矩可以定义为

(11)

令式(10)与(11)分别相等，则电磁阻尼可表示为

(12)

式(12)表明：发电机的电磁阻尼取决于动能采集装置的负载电阻，并且与负载电阻成反比。

3 电机有限元仿真实验

基于上述装置模型和运动参数的求解，利用Ansoft电磁场有限元仿真软件对该发电装置模型进行了参数设置和材料的添加。

通过静磁场的仿真分析，得出该模型的磁场分布，如图4所示。图4(a)显示了转子永磁体中磁场的分布情况，可见靠近磁铁中心处的磁密较小，磁场由中心向外缘增大的趋势。图4(b)显示了磁场在定子线圈以及定子铁芯中的分布情况，可以看出：定子铁芯中的磁密较大，线圈中磁密相应地减小，但线圈中磁密较为均匀，说明铁芯的存在增强了线圈中的磁场。

图4 线圈和铁芯及永磁体的磁场分布

在瞬态场仿真设定中，将人体正常行走的2 Hz步速设定为转子的转速。为简化程序设定，将人体行走中带动非平衡转子的旋转假设为匀速旋转。通过瞬态仿真运行数据处理分析得到线圈的磁通变化(图5)以及开路条件下输出电压的波形随时间的变化(图6)。

图5 线圈磁通量随时间的变化关系

图6 开路电压随时间的变化关系

从图5中可以看出：线圈中磁通量随着转子的旋转产生良好的正弦变换，峰值磁通量可达0.226 V·S。图6中显示：随着转子的旋转，开路电压做近似正弦变化，最大峰值电压可达18 V，相对于前期类似研究大多处于毫伏级的峰值有了极大的提升，为后续电能的利用奠定了良好的基础。根据计算分析可知：当外接负载电阻与线圈内电阻的阻值相等时输出功率取得最大值，即当阻值为64.7 Ω的外接负载直接接入时可得到约1.25 W的输出功率，可以作为可靠的电源。

4 结束语

本文研究和设计了一种基于人体运动的非平衡转子发电装置，提出了一种能够与人体很好结合、并采集人体运动浪费掉的动能转化为电能输出的发电模型，用以缓解单兵或野营人员的微型用电设备的用电需求。本文设计的发电装置直径为10 cm，高度为5 cm，体积较小，适合放置于人体踝关节处进行能量的采集。仿真结果表明：输出开路最大峰值电压可达18 V，相较于以前的微型发电装置的研究在体积与开路电压参数上有了极大的提升。在后续的研究中，有必要对永磁体尺寸、线圈的匝数与直径、铁芯的直径等参数进行优化，对发电装置的输出参数做进一步的提升。本文没有对发电装置在带负载条件下的输出参数以及不同负载下的输出变化进行研究，有待于在后续工作中进一步探讨与实验。

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(责任编辑 刘 舸)

Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion

WANG Chao1, YANG Jing1, LI Hao1, LIU Yu-hang1, CHEN Ling1，3, LIU Hang-yu2

(1.Logistical Engineering College, Chongqing 401311, China；2.The No. 61906thTroop of PLA，Langfang 065000, China；3.The No. 68064thTroop of PLA，Huangyuan 812199, China)

To replace traditional battery shortages such as small capacity, large weight, and short life and so on, a portable generating set is searched and developed based on human motion. According to body motion characteristics, this paper introduces an idea about an unbalanced rotor power generation, which can realize gathering and conversion of human kinetic power. This paper also creatively designs such a generator which uses multi-polar permanent magnets as rotor and a plurality of coils as stator to get usable output. Corresponding theory analysis and Ansoft simulation experiments are as well carried through. The results show that the peak output voltage of this device is up to 18 V when people walk in normal frequency of 2Hz, laying a foundation for use of electric energy. Summary of this topic and expectation of the future work are made in the conclusion part.

power generation device；unbalanced rotor；human kinetic energy；output voltage

2017-01-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61603407)

王超(1993—)，男，山西人，硕士，主要从事移动电源与军用多能源发电技术研究，E-mail：766008532@qq.com；通讯作者 杨静(1973—)，女，重庆永川人，博士，副教授，主要从事移动电源与多能源发电技术研究，E-mail：yj7329@163.com。

王超，杨静，李昊，等.一种基于人体运动的发电装置研究与设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(5):137-142.

format：WANG Chao, YANG Jing, LI Hao, et al.Research and Design of a Power Generation Device Based on Human Body Motion[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):137-142.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.023

TM341；TM351

A

1674-8425(2017)05-0137-06