一种分体式无框架可穿戴自供电装置

1.本实用新型涉及供电设备领域。更具体地说，本实用新型涉及一种分体式无框架可穿戴自供电装置。


背景技术：

2.目前，可穿戴设备正以实时和人机交互的方式提供与人类健康相关的空前信息，因此在学术界和工业界都受到越来越多的关注，这有望推动数字世界的范式转变。为了实现这一转变，为柔性可穿戴设备提供动力的绿色可持续能源技术是瓶颈问题。迄今为止，电化学电池是可穿戴设备的标准电源解决方案，无法满足未来对轻重量，保形和无缝能源解决方案的可穿戴技术的需求。特别地，电池是刚性且笨重的，不符合户外运动，恶劣的工业现场和偏远地区的基础设施监测、部队野外作战等诸多应用场景。此外，电化学电池本身也会引起环境污染问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种无框架的分体式自供电装置，把磁体和线圈分在设置在两个可穿戴的组件上，通过人行动时两个组件之间的相互移动，实现磁体和线圈之间的相对移动，进而产生电能。
4.为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种分体式无框架可穿戴自供电装置，包括第一组件和第二组件，所述第一组件上设有磁带，所述第二组件上设有闭合导电回路和耗电单元，所述闭合导电回路和所述耗电单元电连接，所述第一组件和第二组件分别设置在人体不同位置上，以使人行动时所述闭合导电回路在所述磁带产生的磁场内运动。
5.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述耗电单元包括传感器和与所述传感器电连接的无线传输模块，所述传感器和所述无线传输模块分别与所述闭合导电回路电连接，所述传感器通过所述无线传输模块与外接的数据接收装置通讯连接。
6.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述耗电单元为电能存储单元，所述电能存储单元与所述闭合导电回路电连接，并与外接的用电装置电连接。
7.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第一组件为第一织物载体，所述磁带与所述第一织物载体平织成第一可穿戴织物。
8.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第一可穿戴织物中，其经纱和纬纱分别由所述磁带和所述第一织物载体制成，所述第一可穿戴织物的经纱包括多组并列设置的经纱单元，所述经纱单元包括并列设置的且磁极化n
‑
s方向依次旋转90
°
的第一带状磁条、第二带状磁条、第三带状磁条和第四带状磁条，其中所述第一带状磁条和第三带状磁条的磁极化n
‑
s方向均与所述第一可穿戴织物的纬纱和纬线的方向垂直且二者磁极化方向相反，所述第二带状磁条和第四带状磁条的磁极化n
‑
s方向均与所述第一
可穿戴织物的纬纱的方向平行且二者磁极化方向相反。
9.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第二组件为第二织物载体，所述第二织物载体与所述闭合导电回路编织成第二可穿戴织物，所述耗电单元设置在所述第二可穿戴织物上。
10.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第二织物载体与所述闭合导电回路梭织成第二可穿戴织物，所述第二可穿戴织物中，其经纱和纬纱分别由所述闭合导电回路与所述第二织物载体制成，所述闭合导电回路呈蛇形分布，以形成所述第二可穿戴织物的多根经纱。
11.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述闭合导电回路的导线的材质为金属、二维无机化合物、氮化物和碳氮化物中的任意一种。
12.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第二可穿戴织物由均呈蛇形分布的所述第二织物载体和所述闭合导电回路组成，所述第二织物载体和所述闭合导电回路相互交叉拼接成网状的所述第二可穿戴织物。
13.优选的是，所述的一种分体式无框架可穿戴自供电装置中，所述第二织物载体与所述闭合导电回路采用stockinette结构进行编织成所述第二可穿戴织物。
14.本实用新型的有益效果是：
15.(1)分体设计：
16.第一组件和第二组件分体设置，二者之间的相对运动幅度更大，产生的电量大；
17.把磁体和线圈分在第一组件和第二组件上，多处承担重量，减轻人体负荷；
18.(2)无框架设计：
19.第一组件和第二组件可以设计为柔性，可用于衣物，护膝等，扩大了应用范围和场景；
20.整个自供电装置体积空间大大减小，增加了可穿戴性；
21.自供电装置没有了方向限制，可收集多方向源的能量，扩大了其实用性；
22.(3)可穿戴功能织物的编制方式
23.闭合导电回路和织物载体的编制方式和样式即可形成柔性可穿戴织物，又可以减少闭合导电回路中电流的相互抵消；
24.磁带和织物载体的编制方式和样式既可以形成柔性可穿戴织物，又可以增强组件一一侧表面的磁感线密度和磁场强度，从而增加组件一和组件二相互运动时产生的输出电流和功率。
25.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
26.图1为本实用新型所述的自供电装置的架构图；
27.图2为本实用新型所述的自供电装置的结构示意图；
28.图3为本实用新型所述自供电装置的一种应用场景；
29.图4为本实用新型所述自供电装置的另一种应用场景；
30.图5为本实用新型所述的自供电装置的一种穿戴示意图；
31.图6为本实用新型所述的自供电装置的另一种穿戴示意图；
32.图7为本实用新型所述的自供电装置的另一种穿戴示意图；
33.图8为本实用新型所述的自供电装置的另一种穿戴示意图；
34.图9为本实用新型另一实施例中所述第一可穿戴织物的结构示意图；
35.图10为图9中的a向视图；
36.图11为本实用新型另一实施例中所述的第一织物载体和磁带的布置方式产生的织物外侧磁场增强效果示意图；
37.图12为本实用新型另一实施例中所述第二可穿戴织物的一种结构示意图；
38.图13为本实用新型另一实施例中所述第二可穿戴织物的另一种结构示意图；
39.图14为本实用新型另一实施例中所述第二织物载体和闭合导电回路的图案和编织方式
40.图15为本实用新型所述的自供电装置与普通功能织物的发电功率效果对比。
具体实施方式
41.下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
42.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
43.如图1
‑
图2所示，本实用新型的实施例提供一种分体式无框架可穿戴自供电装置，包括第一组件和第二组件，所述第一组件上设有磁带110，所述第二组件上设有闭合导电回路220和耗电单元210，所述闭合导电回路220和所述耗电单元210电连接，所述第一组件和第二组件分别设置在人体不同位置上，以使人行动时所述闭合导电回路220在所述磁带110产生的磁场内运动。
44.该实施例中，将第一组件和第二组件分别设置在人体的不同位置上，人体在活动时，带动磁带110在闭合导电回路220产生的磁场内运动，切割磁感线从而使得闭合导电回路220产生电流，并将电流传送到耗电单元210。
45.其中，耗电单元210可以是电能存储单元，采用现有的电能存储装置，给手环、手表等设备供电，如图3所示，以第一组件佩戴于人体腰部，第二组件佩戴于人体肘部为例，当人体进行如行走、跑步、跳跃等运动时，人体的肘部会与人体的腰部发生相对运动，位于第一组件上的磁带110会切割位于第二组件上的闭合导电回路220，从而在闭合导电回路220上感应出法拉第电势能和安培环路电流，并通过电能收集、存储装置收集和存储此感应电动势和环路电流，电能存储装置可以直接给手环、手表等设备供电。
46.此外，耗电单元210可以是现有的用于人体数据测量的传感器和与传感器电连接的无线传输模块的组合，传感器和所述无线传输模块分别与闭合导电回路220电连接，传感器通过无线传输模块与外接的数据接收装置通讯连接。当人体的四肢与人体躯干产生相对运动，致使第一组件与第二组件发生相对运动，从而使得位于第一组件上的磁带110会切割
位于第二组件上的闭合导电回路220，产生感应电动势和环路电流，此电动势和电流也可以为独立的传感器和无线传输模块供电，进而传感器探测到的人体状态数据如体温、心率、压力等通过无线传输模块传输至手环、手表等可穿戴设备，从而实现无电池情况下的自供电式人体状态监测，如图4所示。
47.此外，第一组件和第二组件也可以设置在其他位置：
48.例如图5所示，第一组件和第二组件分别设置在人体的躯干和手臂位置。第一组件和第二组件可为护肘、手机臂包，护腰，夹克等，适用于人体在进行行走、跑步、跳跃、跳绳、上肢健身运动如划船、攀岩、推拉、瑜伽等。
49.例如图6所示，第一组件和第二组件分别设置在人体的双膝位置，第一组件和第二组件可为护膝、裤子等，适用于人体在进行行走、跑步、自行车骑行、下肢健身运动如高抬腿、开合跳、攀岩、瑜伽等。
50.例如图7所示，第一组件和第二组件分别设置在人体的双足脚踝位置，第一组件和第二组件可为袜，鞋等，适用于人体在进行行走、跑步、自行车骑行、下肢健身运动如高抬腿、开合跳、攀岩、瑜伽等。
51.例如图8所示，第一组件和第二组件分别设置在肩颈和头部位置，第一组件和第二组件可为帽子、连衣帽、护肩、围巾等，适用于人体在进行肩颈健身运动如放风筝、攀岩、瑜伽等。
52.优选地，作为本实用新型另外一个实施例，所述第一组件为第一织物载体100，所述磁带110与所述第一织物载体100平织成第一可穿戴织物10。所述第一可穿戴织物10中，其经纱和纬纱分别由所述磁带110和所述第一织物载体100制成，所述第一可穿戴织物10的经纱包括多组并列设置的经纱单元，所述经纱单元包括并列设置的且磁极化n
‑
s方向依次旋转90
°
的第一带状磁条1105、第二带状磁条1106、第三带状磁条1107和第四带状磁条1108，其中所述第一带状磁条1105和第三带状磁条1107的磁极化n
‑
s方向均与所述第一可穿戴织物10的纬纱和纬线的方向垂直且二者磁极化方向相反，所述第二带状磁条1106和第四带状磁条1108的磁极化n
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s方向均与所述第一可穿戴织物10的纬纱的方向平行且二者磁极化方向相反。
53.该实施例中，第一织物载体100和磁带110的编织布置方式如图9和图10所示，经纱包括多组并列设置的经纱单元。每组经纱单元有四种不同磁极化方向的带状磁条：第一带状磁条1105、第二带状磁条1106、第三带状磁条1107和第四带状磁条1108，如图9
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图10所示，在其建立的坐标系中，其中第一带状磁条1105的磁极化n
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s方向为负z轴方向，第三带状磁条1107的磁极化n
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s方向为正z轴方向，第二带状磁条1106的磁极化n
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s方向为正x轴方向，第四带状磁条1108的磁极化n
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s方向为负x轴方向。织物载体100和第一带状磁条1105、第二带状磁条1106、第三带状磁条1107和第四带状磁条1108可以采用平织的方法形成可穿戴织物。经线和纬线1000成直角交叉并对齐，因此它们形成简单的纵横交错的图案。每条纬纱都经过一个，然后再穿过下一个，依此类推，下一个纬纱位于其邻居经过的经纱之下，反之亦然。本实施例中的磁带110与第一织物载体100平织成的第一可穿戴织物10与未经过图案设计和布置优化的柔性磁性纱织物和柔性导电纱织物的技术方案相比，本实施例中在第一可穿戴织物10外侧形成磁场增强区130，如图11所示。
54.优选地，作为本实用新型另外一个实施例，所述第二组件包括第二织物载体200，
所述第二织物载体200与所述闭合导电回路220编织成第二可穿戴织物20，所述耗电单元210设置在所述第二可穿戴织物20上。
55.该实施例中，作为一种实施方式，所述第二织物载体200与所述闭合导电回路220梭织成第二可穿戴织物20，所述第二可穿戴织物20中，其经纱和纬纱分别由所述闭合导电回路220与所述第二织物载体200制成，所述闭合导电回路220呈蛇形分布，以形成所述第二可穿戴织物20的多根经纱。此时第二可穿戴织物20的布置方式如图12所示。第二织物载体200可采用普通纱线，普通纱线可以由多种天然或合成纤维制成，比如棉、丝绸、竹、麻、大豆，羊、骆驼等动物的毛，以及各种人造纤维。闭合导电回路220的导电线材料可以为金属、或二维无机化合物如石墨烯，或过渡金属碳化物、氮化物，或碳氮化物如mxene、mos2等，进而将纱线经纬交错织成第二可穿戴织物20。
56.如图13
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14所示，第二可穿戴织物20由均呈蛇形分布的所述第二织物载体200和所述闭合导电回路220组成，所述第二织物载体200和所述闭合导电回路220相互交叉拼接成网状的所述第二可穿戴织物20。例如图13中，蜿蜒的黑色路径定义了一个路线，即闭合导电回路220穿过织物的路径。最上面的白色循环是不固定的并且是“活动的”，但是它们固定了从其挂起的黑色循环。反过来，黑色回路将白色回路固定在其下方，而白色回路又将黑色回路固定在其下方，依此类推。具体的，如图13所示，第二织物载体200和闭合导电回路220可以采用stockinette结构进行编织，形成可穿戴的功能织物。
57.根据安培环路定律和楞次定律，磁体切割磁感线时，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，因此磁体进入线圈时产生的电流方向和磁体远离线圈时产生的电流方向相反。对于一定长度的线圈，只有位于磁体前后两端的线圈部分会产生有效电流，位于磁体中间的线圈部分的电流会相互抵消。为此，特别进行第二织物载体200和闭合导电回路220编制方式的特殊图案和编织设计。如图14所示，织物载体和闭合导电回路220分布按特定形状分层进行编织，层与层之间的导电回路首尾相连，依此类推。
58.本实施例中所提出的织物载体和闭合导电回路220的图案和编织方式有益效果是：当组件一与组件二发生相对运动时，该布置方式可以减少组件二闭合导电回路220中环路电流的相互抵消，从而增加可输出的发电电流和输出功率，如图15所示。
59.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。