可發電登山杖設計

摘 要：針對戶外旅游和工作中可能出現的用電短缺現象，提出一款便攜式可發電登山杖設計方案。本方案利用杖桿上下伸縮發生單向旋轉驅動發電機，將機械能轉化為電能，通過USB接口為隨身攜帶的電子產品充電。本設計方案具有節能，經濟，低碳，操作簡單等特點，為廣大旅游愛好者和戶外工作者帶來極大便利。

關鍵詞：可發電；登山杖；設計

1 設計背景和目的

隨著人們生活水平提高，愛好旅游的朋友越來越多，尤其是進行遠距離長時間的露營、徒步、登山等活動時，無法給攜帶的移動電源、手機等數碼產品充電，一旦電量耗盡會給大家帶來意想不到的麻煩。目前戶外便攜式發電裝置有太陽能式、風力式和手搖式等幾種。太陽能式和風力式受天氣影響比較大，手搖式發電裝置使用起來非常費力，這幾種發電裝置均不太實用。

登山杖是無數驢友征服戶外旅行的必備武器，作者設計一種便攜式可發電登山杖。杖桿設計成可伸縮型，利用杖桿上下移動產生單向高速旋轉驅動發電機，將機械能轉化為電能，可以解決在野外條件下應急用電問題。

2 設計方案

2.1 設計原理

可發電登山杖的設計原理如圖1所示。

2.2 設計內容和方法

可發電登山杖主要設計包括桿材料選擇，可伸縮旋轉杖桿結構和發電機盒設計三部分。

2.2.1 杖桿材料選擇

杖桿采用航空鋁合金，強度相同的情況下，重量可降低20%，質地堅固，經久耐用。杖尖采用鎢鋼材料。

2.2.2 可伸縮旋轉杖桿結構

基本結構：

杖桿分為三節，如圖2所示。A節為杖尖段。B節和C節可以重疊并起到旋轉驅動的作用。其內部為螺旋形的扁鐵軸，是旋轉的關鍵部件，以下簡稱驅動軸。C節頂部安裝把手。

杖尖結構：

A節杖尖材料為鎢鋼，六棱柱形底部帶尖，便于和發電機軸內六角形鍵槽契合。杖尖可以外加橡套，達到減震防滑作用。

桿內部件結構：

驅動軸的上部和C節頂部（手柄處）連接，相對固定。驅動軸穿過B節，B節的頂部有驅動套（內部有螺旋和驅動軸匹配）底部帶斜齒，B節中有固定于內壁的驅動套座，套座上部帶斜齒和驅動套斜齒嚙合。

旋轉機理：

旋轉裝置的原理類似于現在很多家里都有的手壓式旋轉拖把。

當用于發電時，將外螺栓2旋開，下壓C節時，C節帶動驅動螺旋軸下移，驅動套和座咬合，由于驅動座和驅動套相對位置固定，螺旋軸通過時帶動驅動套旋轉，從而靠斜齒帶動驅動套轉動，即B節轉動。

上提時螺旋驅動桿和C節一起上移，此時驅動套隨軸上移至限位位置空轉（反轉），所以上提時很輕松，杖頭也不旋轉。通過對C的反復下壓和上提，將會使B不斷的加速，從而越轉越快，轉速可以達到每分鐘上千轉。

B段和A段杖桿通過內螺栓1鎖死，B帶動A一起旋轉，杖尖插入發電機轉子的卡槽內，使得發電機源源不斷的發出電來。

由于該發電裝置直接作用于轉子，免去了復雜齒輪傳動機構，發電量大，發電效率高，發電方式簡潔省力。

B段和C杖桿伸展開，旋緊外螺栓2，即可將兩節杖桿緊固連接起來，可以當作登山杖使用。

2.2.3 發電機機盒設計

發電機盒由發電機，整流穩壓電路和機殼三部分組成，見圖3。

發電機采用三相交流永磁發電機發電，發電機的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。

由于杖尖旋轉不是勻速轉動，工作時產生13～25V的交流電，所以必須經整流和濾波，才能對電子設備或蓄電池充電。通過整流電路，整流變壓器和濾波器，獲得穩定的直流輸出。發電機和整流穩壓電路均內置機殼內部。

發電機機盒技術參數：

額定功率20W

最大功率40W

額定電流2A

產品凈重650g

產品尺寸110*70*40mm

機殼采用高強度的鋁合金復合材料，重量輕，堅固耐用便于攜帶，具有防水功能。長方體機構。頂部設卡槽一個，上端可以插入杖尖，下端固定在轉子的轉軸上。側面設有USB接口一個，￠12航空電纜接口一個。

本裝置設有兩種固定電壓輸出模式，即USB端口輸出和10V￠12航空電纜輸出。本設計采用標準USB2.0接口，供電規格為5V，0.5A，功率2.5瓦，可直接為手機充電。

航空電纜接頭與DC-DC直流電壓轉換器配套使用，可以將固定的電壓輸出轉化為寬范圍輸出電壓，適合0～28V的所有電器電池充電或供電。可以為對講機，筆記本電腦，手機，攝像機，數碼相機，便攜移動電源，手電筒等各類產品供電或充電。

本裝置還可以與蓄電池、逆變器配套使用，將電壓輸出轉變為220V市電。

3 結束語

通過實際使用，本發電裝置操作簡單省力，經濟環保，性能穩定，使用時不受外部環境制約，很好地解決了戶外旅游和工作中電力短缺問題。本登山杖可以收縮后裝入背包，減輕了廣大戶外運動者的負擔，給廣大旅游愛好者和戶外工作者帶來了便利。

作者簡介：任嘉華（1999，05-），石家莊市第十七中學高三在讀。