運動節能充電寶

白正驍 劉鋒銳 李卓凡 蔣明增 張丹慧

摘 要：隨著國內人民生活水平不斷提高，廣大人民越來越注重身體健康問題，而跑步作為中等強度的有氧運動深受廣大人民的喜愛，在跑步的同時經過運動會產生較大熱量散失到外界。為了利用這部分由跑步產生的動能，本文基于電磁感應定律和電磁力定律，用導電性良好的銅絲做線圈形成發電回路，將具有彈簧連接的具有強磁性的條形磁鐵放入銅線圈中，由于運動使磁條產生上下晃動，從而切割磁感線產生電流，電流流入與銅線圈連接的可彎曲折疊電池中，從而完成電池儲存電能的目的。最終設計出了基于電磁感應定律和電磁力定律，具有將動能轉化成電能、可彎曲、易攜帶、節能環保、安全、可反復使用等特點的充電寶產品。

關鍵詞：充電寶;電磁感應定律;電磁力定律;可彎曲折疊電池;持續續航

1 緒論

國內運動節能充電寶發展非常迅速。早在這之前我國就有人涉足并且已經研究出能夠將動能轉化成電能給充電寶充電，卻因為發電效率低、發電不穩定、外殼較為堅硬和不易攜帶在身上的缺點，還沒有投入量產，只是先生產了一小部分樣品進入市場，目前正處在適應性投放市場階段。在前不久國外麻省理工也研制出了同類的產品nPower PEG in backpack，在美國已獲得了專利，雖然已經量產開放購買，但仍舊沒有改善發電效率問題、外殼堅硬問題和不易攜帶的缺點，而且光造價而言就高達140美元，零售價每支大約160美元，這樣昂貴價格將為市場的拓展帶來一定的局限性，不容易被人們所接受。

2 研究方法和研究思路

（1）研究方法。本產品的發明核心是根據電磁感應定律和電磁力定律來做的，也就是由磁體切割線圈產生的磁感線從而在線圈中產生電流的方法。而本產品不同于普通產品的是，在磁體方面，我們需要選擇磁性非常強的磁體作為支撐，原因是我們的產品需要的線圈直徑非常小，而磁體需要放入線圈內并保證與相鄰線圈的安全位置，避免讓兩個強力磁體吸在一起，因此我們的磁體在體積上就非常小，為了保證足夠的發電效率，所以我們就需要磁性非常強的磁體來進行切割磁感線，從而在閉合回路中產生預期的電流強度。線圈方面，我們需要導電性良好的線圈，因為線圈作為我們收集電流的回路，導電性良好可以極大提高發電效率，保證我們的充電寶能在短時間內獲得較多的電能。彈簧方面，我們用到的是高精度、高韌性的材料制作而成的，不但能夠感知微弱的力量，而且在高強度的伸縮工作下也不會發生損壞，可以極大的增加我們充電寶的使用壽命。我們將這三個方面的優勢結合在一起，就可以實現既能在輕微的晃動下產生穩定的電流，又能在高強度的運動下充電寶持續工作。

（2）研究思路。根據導線切割磁力線能夠產生感應電勢，將導線連成閉合回路，就有電流流通過的原理，我們進行對磁體、導電線圈和彈簧進行相應的組裝，組裝出我們充電寶的發電部分，然后給充電部分配套一個外殼，然后將發電部分用導線與我們的彎曲電池連接，最后再給整體充電寶配套一個軟性殼，我們的可彎曲運動充電寶就制作完成。具體組裝步驟如下：首先是對發電部分的組裝，我們先將若干個導電線圈串聯成一排，放入已經配套好的外殼中，然后把彈簧一端掛上磁體并固定好，另一端與我們的外殼上邊緣連接，最后對外殼進行封裝，封裝時留兩根導線的孔，以便于發電部分和電池連接。其次是對發電部分和電池的連接，為了保證電流能夠穩定地流入電池，我們在發電部分和電池連接的電路中加入二極管和變壓器。最后給做好的發電部分和電池的連接體放入軟性殼中，軟性殼上配上一個顯示屏，這樣我們的可彎曲運動充電寶就制作完成。

3 設計思路

（1）發電原理。本產品充分利用電磁感應定律和電磁力定律進行發電。我們把具有強力磁性的磁體放在導電性較好的線圈中，磁體上端通過彈性較好的絕緣彈簧連接在由線圈構成的閉合回路中。當人體運動時隨著身體大幅度的晃動，磁體也被身體晃動所帶動使我們的強力磁體產生劇烈晃動，強力磁體的劇烈晃動會切割導電性較好的線圈產生的磁感線，從而在閉合回路中產生感應電流，電流從我們的充電寶的發電部分出來后，首先經過閉合回路中的變壓器，通過變壓器可以使得閉合回路中的電壓，控制在我們可彎曲電池的額定接受電壓范圍之內，通過變壓器后，電流會流經我們閉合回路中的整流電路部分，因為由身體晃動帶動的強力磁體晃動，切割磁感線產生的電流是呈現正弦式變化的，所以我們的閉合回路中的整流電路是為了進一步將正弦式電流圖像下方的部分轉變為正弦式交流電圖形的上方，以提高我們充電寶發電的效率，在閉合回路的整流電路后，會緊跟一個濾波器，方便減小我們閉合回路中電流的浮動，最后在閉合回路加一個穩壓環節使得我們進入可彎曲電池的電流是穩定的。最終我們的可彎曲運動充電寶產生的電流，經過閉合回路中的變壓器、整流電路、濾波器和穩壓環節，以額定電壓穩定的輸入到我們的可彎曲電池中，并保存起來。

（2）儲能方法。可彎曲運動充電寶在儲能方式上利用了可以反復彎曲一萬次以上的可彎曲鋰電池，與普通電池相比較，我們采用的可彎曲鋰電池具有高儲存能量密度、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受能力、自放電率低、重量輕、高低溫適應性強、綠色環保和可彎曲折疊等優點。我們把可彎曲鋰電池與我們的運動充電寶組裝成為一個整體，在保證了運動充電的前提下，實現了充電寶的整體彎曲化。

（3）產品結構。此充電寶整體上由柔軟外殼和內部發電裝置組成。在確定了柔軟外殼的材質下，我們以內部發電裝置為主要任務，進行了一系列的實驗探究，最終確定以銅線圈和強力磁體作為發電部分，穩壓電路作為電流調節部分，可彎曲鋰電池作為儲能部分，這三大部分構成了我們的內部發電裝置也就是充電寶的本體部分。最后將我們充電寶的柔軟外殼和我們充電寶的發電裝置組裝在一起，這樣就構成了我們可彎曲運動充電寶的整個結構。

（4）高效率發電。在發電上，磁體我們采用磁性較強的的強力磁體，為保證我們的強力磁體在切割磁感線時，在閉合回路中產生較多的感應電流。而我們的導電線圈采用，導電性能、抗拉強度、電損率等各種指標優于鋁線圈，但僅次于銀線圈的銅線圈，原因是我們的可彎曲充電寶的受眾大多是普通經濟水平的人群，所以在造價方面要考慮到群眾的購買力，我們選擇了用相對于銀線圈便宜的銅線圈，而在導電性能上，為了提高我們可彎曲運動充電寶的發電效率，我們采用了比鋁線圈導電性能更好的銅線圈，所以結合經濟方面，以及發電效率方面，我們選擇了利用銅線圈作為我們的導電線圈。為了將我們的發電效率最大化，我們在發電部分進行多次研究，最終確定了我們的發電部分，是由若干多個強力磁體和銅線圈并排串聯共同構成，將每一排的強力磁體和銅線圈產生的電能進行匯總，從而極大提高了可彎曲充電寶的充電效率。以至于我們的可彎曲充電寶能夠在微弱的震動下產生較多的電能，將我們人體晃動產生的動能最大化地利用到可彎曲充電寶的發電效率中。

（5）彎曲特性。由于本產品采用的銅線圈和彈簧是極其精細的，這就使得銅線圈排成一排，每一組銅線圈都互相沒有影響，使得一排銅線圈可以圍繞成為具有一定半徑的圓形，然后再將這一排銅線圈的首端和末端連接到可彎曲的鋰電池上，使得整個充電寶像綁腿的沙袋一樣綁在腿上既方便又不影響美觀。這一彎曲特性，決定了我們的充電寶能夠和我們身體的任何部位粘合在一起，并不會對我們的身體造成擠壓性的傷害，這個特性的存在，完美地解決了普通運動充電寶不易攜帶的劣勢，更容易受到人們的青睞。

（6）產品產生的影響。本產品的研發，將會實現充電寶由依賴電源到脫離電源的過程，讓人們在沒有電源的情況下，能夠自主地產生電供人正常使用。讓人們在外出工作、旅游等需要用電的時候發揮重要作用，具有較強的實用性。其次，本產品由于它的柔軟性，將會引領充電寶由普通硬殼向彎曲軟殼進行轉化。彎曲軟殼不僅手感好、易攜帶，而且在遇到劇烈沖擊和擠壓時能起到減緩作用力的作用，從而更好地保護充電寶的內部結構不受損壞。

（7）產品特色。世界上雖然已經存在能夠通過各種途徑，進行自主發電的充電寶，但是將自主發電和充電寶外殼柔軟性連接起來的還是少之又少的，這也是我們項目的一大特色。這種特色決定了我們的可彎曲運動充電寶，既節約資源、保護環境、便于回收，又能給使用的用戶帶來極佳體驗效果。

4 研究總結

本次研究項目主要是針對充電寶的充電方式進行改善，由電源式充電轉為運動式充電，將會實現充電寶由依賴電源到脫離電源的過程，讓人們在沒有電源的情況下，能夠自主地產生電能供人們正常使用。讓人們在外出工作、旅游等需要用電的時候發揮重要作用。其次是實現充電寶由硬殼到軟殼的過渡，將會引領充電寶由普通硬殼向彎曲軟殼轉化。研發運動式充電寶，一方面可以讓充電寶去利用人們在運動時消耗的動能，使其轉化為充電寶中的電能，讓人們在鍛煉身體的同時還能節約資源、保護環境。另一方面當人們在沒有外部電源存在的情況下，依然能夠正常對移動設備進行電能補充，防止由于意外斷電給人們帶來的損失。早在這之前就有人涉足并且已經研究出能夠將動能轉化成電能給充電寶充電，但卻因為發電效率低、發電不穩定、外殼較為堅硬和不易攜帶在身上的缺點，最終沒有被人們所接受，而本次研究的充電寶相比之前具有造價低、易攜帶、發電效率高等特點。隨著科學技術的深入，我們進一步的發展將以提高發電效率、降低成本、功能多樣化為主要任務進行研發。

創新就是發現生活中的一些不方便然后想盡辦法去改善它這就是創新的意義。而我們制作產品的過程中體會到的創新是，創造出來的新的產品不一定是人類一定需要的，但就是有了會更好，沒有對生活也沒有很大影響的東西。而本產品是完全從生活中來，歸結到生活中去的一次為了改善人類生活方式而進行的創新。本產品初衷，就是為了利用生活中，運動消耗的不被人所利用的這一部分能量，來實現節約資源的目的。經過我們一行人不懈的努力，從最開始的有想法，然后到一起去構思這件產品，最后我們做出這件產品，雖然研究過程中遇到了很多困難，但也都硬著頭皮一一去解決。這次研發帶給我們的不僅是一次考驗，更重要的它是我們每一位團隊成員的一次人生中不可多得的寶貴經歷。

參考文獻：

[1]金振奎，金明，賈若溪.科研論文寫作方法與技巧.北京：石油工業出版社，2018.6.

[2]郝立宇，王嘯天，譚明，謝寧.直接定量驗證法拉第電磁感應定律的實驗構思[J].大學物理實驗，2018，31（02）：31-34.

[3]勞衛東.談直流發電機的基本工作原理、電樞反應及換向[J].企業科技與發展，2011（22）：27-30+37.