專利名稱：再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種發(fā)光器具，尤其是一種采用機械能—磁能—電能—光能轉(zhuǎn)換的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器。
(2)背景技術(shù)迄今為止，在國內(nèi)外市場上較為普通的傳統(tǒng)發(fā)光器(如手電筒和應急燈等)有兩種1)利用干電池提供能源，以白熾燈為發(fā)光元件；2)利用可充電池為能源，以白熾燈為發(fā)光元件，并附加分離或集成式充電器。
使用干電池的傳統(tǒng)發(fā)光器有以下一些缺點干電池依賴化學反應工作，使用和儲能時間短；需要頻繁更換，二次消耗費用高；不能在極端溫度(過高或過低)下工作；極易因電池受潮導致殼體腐蝕或意外流液而損壞，或因機械強度差容易摔破，縮短發(fā)光器使用壽命(一般1～2年)；帶有機械部件，容易生銹腐蝕，造成接觸不良，使用麻煩等問題，大量廢舊電池對環(huán)境污染日趨嚴重，危害人類健康，回收處理成了一大社會問題。
可充電池式發(fā)光器，雖然能有限延長電池的使用壽命，但需要額外或集成的充電設(shè)備和充電費用，成本較高。同時每經(jīng)歷過一次充電，可充電池的儲能能力就會下降，其充電壽命一般只有50～200次。發(fā)光器也會往往因充電電池的老化或損壞而報廢。
其次，傳統(tǒng)發(fā)光器所用的白熾燈泡是利用電池提供的電流流經(jīng)燈泡鎢絲，使其發(fā)熱到一定溫度而發(fā)光。白熾燈泡的發(fā)光效率極低，一般只有5％～10％的電能轉(zhuǎn)化為光能，剩余的絕大部分電能變成輻射性熱能而浪費掉。脆弱的鎢絲更易受外界沖擊力(如掉落地上)而斷裂。白熾燈泡的使用壽命一般少于500h，并且經(jīng)常在其自然燒壞之前因斷裂而報廢。
(3)發(fā)明內(nèi)容本實用新型旨在提供一種充放電效率與發(fā)光強度高，有效放充時間比例大，采用機械能—磁能—電能—光能轉(zhuǎn)換的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器。
本實用新型設(shè)有發(fā)光器殼體、電能發(fā)生腔殼體、主永久磁體、感應線圈組、開關(guān)、發(fā)光二極管、電容器、整流電路和充放電電路，電能發(fā)生腔殼體設(shè)于發(fā)光器殼體內(nèi)腔的后部，主永久磁體設(shè)于感應線圈組內(nèi)并可自由來回穿梭，感應線圈組至少設(shè)2只線圈，感應線圈組設(shè)于電能發(fā)生腔殼體上，開關(guān)設(shè)于發(fā)光器殼體上，發(fā)光二極管設(shè)于發(fā)光器殼體內(nèi)腔的前部，感應線圈組與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端接充放電電路的輸入端，充放電電路的輸出端接開關(guān)和發(fā)光二極管。
在電能發(fā)生腔殼體內(nèi)前后端可分別設(shè)前限位磁體(或稱前回彈磁體)、后限位磁體(或稱后回彈磁體)。并在前后限位磁體處設(shè)前、后緩沖墊片。
在發(fā)光器殼體內(nèi)腔前部位于發(fā)光二極管前方可設(shè)光學鏡頭，或光學鏡頭和光學密封罩，以便發(fā)光器發(fā)出平行光束。在發(fā)光二極管兩端最好設(shè)穩(wěn)壓二極管。
在充放電電路的放電電路最好設(shè)保護電路。
使用時，將發(fā)光器來回擺動，高強度的圓柱形主永久磁體在電能發(fā)生腔殼體內(nèi)平滑地穿梭于線圈中，發(fā)光器殼體內(nèi)磁體與線圈兩端的同性磁體(限位磁體)有助于圓柱磁體的運動。根據(jù)電磁感應定律，當穿過導體回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應電動勢，亦即產(chǎn)生電能。感應電動勢V＝-dΦ/dt，其大小與穿過回路的磁通量變化率dΦ/dt成正比。假定導電線圈橫截面積為S，線圈匝數(shù)為N，手搖角頻率為ω，即時磁場強度為B，其最大值為Bm，則流經(jīng)導電線圈的感應電動勢為V＝-dΦ/dt＝-dNSB/dt＝-NS·dB/dt＝-NS·dBmcosωt/dt＝-NSBmωSinωt感應電動勢最大值為Vmax＝NSBmω當導體回路是閉合回路時，回路中就會產(chǎn)生感應電流。此電流經(jīng)過適當整流后，以電位能形式重復儲存于高容量的電容器中。當需要使用該電能時，通過電容器緩慢放電至發(fā)光效率很高的低功耗發(fā)光二極管，使之轉(zhuǎn)換成高效光能，最后利用精密的光學鏡頭和反射器，將發(fā)光二極管的準點電源匯聚成平行光束，從而滿足照明和應急發(fā)光的用途。
電容器的充電時間(即手搖時間)主要由R1C充電電路之時間常數(shù)τ1決定。假定R1為導電線圈電阻，ρ為電阻率，C為電容器容量，d為漆包線橫截面直徑，D為圓柱形線圈橫截面直徑，則τ1＝R1C＝ρ·NπD·C/π(d/2)2＝4ρDC/d2電容器放電時間(即發(fā)光二極管發(fā)光和光照時間)主要由R2C放電電路之時間常數(shù)τ2決定。假定R2為發(fā)光二極管電阻，C為電容器容量，則τ2＝R2C與傳統(tǒng)發(fā)光器相比，本實用新型不僅在電路原理和機械結(jié)構(gòu)上獨具特色，而且在元件材料的選擇上也頗費心機。因此，“再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器”具有傳統(tǒng)發(fā)光器無法比擬的許多特點，主要有1、主永久磁體采用釹鐵硼稀土磁體。這類磁體能提供高強度磁場，且不易去磁，所需體積可以很小。
2、儲能電容器采用小體積大容量的電容器，適于極端環(huán)境溫度下正常工作，并能重復充放電上萬次，不易腐蝕損壞。
3、發(fā)光元件采用發(fā)光效率高(30％～75％)、堅固耐用的固態(tài)發(fā)光二極管，使用壽命長達幾十萬小時，發(fā)光強度在12流明以上。
4、本發(fā)光器在開關(guān)通或斷情況下均能手搖充電操作。整體使用壽命可達幾萬小時以上。
5、通斷開關(guān)采用磁能舌片開關(guān)，替代傳統(tǒng)的機械彈簧或薄片開關(guān)，其性能可靠，可防水防潮，無電火花現(xiàn)象，使用壽命長，在開關(guān)上填充熒光激活劑，便于在漆黑環(huán)境中尋找和使用。
6、發(fā)光器殼體可采用PC/ABC合成塑料或PC純塑料，可加工成透明、半透明或不透明外殼，結(jié)構(gòu)堅固，外形美觀，不易破裂或摔裂，能有效防止酒精、汽油、柴油、食用油、淡水、海水、酸堿或其它化學品的腐蝕。發(fā)光器整體重量不超過350g，體積不超過500cm3。
7、元件參數(shù)優(yōu)化后，手搖充電半分鐘，就能提供約6min的光照時間，平行光束(直徑約20cm)可射至50m遠。
8、由于活塞式主永久磁體和固定導電線圈安置在獨立的電能發(fā)生腔內(nèi)，發(fā)光器的所有電子元器件全部集中在牢固的殼體內(nèi)，不與外界接觸，密封性極強，可防水、防潮、防震和防腐蝕，供全天候使用。
9、在滿足必要的發(fā)光強度和光照時間前提下，發(fā)光器的整體開關(guān)和大小，可根據(jù)永久磁體、導電線圈和電容器等的不同配置而作適當調(diào)整。
(4)
圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型實施例的電路原理圖。
圖3為本實用新型實施例的感應和充電電壓波形圖。
圖4為本實用新型另一實施例的結(jié)構(gòu)與感應電壓波形圖。
(5)具體實施方式
如圖1所示，本實用新型由密封高強度塑料殼體1、電能發(fā)生腔2、電能發(fā)生腔塑料殼體3、圓柱形釹鐵硼稀土主永久磁體4、感應導電線圈組5、磁能舌片開關(guān)6、環(huán)形密封圈7、光學密封罩8、光學鏡頭9、發(fā)光二極管10、儲能電容器11、前限位磁體或前回彈磁體12、后限位磁體或后回彈磁體13、緩沖墊片14和15、整流電路16等組成。電能發(fā)生腔2設(shè)于殼體1內(nèi)腔的后部，其內(nèi)置放主永久磁體4與導電線圈組5，前后限位磁體12、13分別設(shè)于主永久磁體4的前后。發(fā)光二極管10設(shè)于殼體1內(nèi)腔的前部，光學鏡頭9設(shè)于發(fā)光二極管10前方。開關(guān)6上涂布或填充熒光激活劑。發(fā)光二極管10處于殼體1前部的光學系統(tǒng)腔17中。
在圖1中，采用3組并列的感應線圈5，主永久磁體4的有效長度與單只線圈的長度相同或相近，磁體4的直徑略小于電能發(fā)生腔2的橫向直徑。電能發(fā)生腔兩端空隙距離略大于主永久磁體4的長度，以保持最大的磁通量變化。前、后限位磁體12，13與前、后緩沖墊片14，15的同時使用，可明顯地減少主永久磁體4與電能發(fā)生腔2之間殼體的機械阻力，提高主永久磁體在電能發(fā)生腔內(nèi)來回穿梭運動的頻率，使得充電過程顯得簡單輕巧，較為省力。同時，由于主永久磁體與限位磁體之間的同性相斥作用，主永久磁體基本上很少與電能發(fā)生腔兩端直接發(fā)生碰撞，以免磨損，延長了有效使用壽命。
由于設(shè)有環(huán)形密封圈7、光學密封罩8等，因此防水、防潮性能好，緊固耐用。
圖2給出上述結(jié)構(gòu)的電路原理圖。磁體4可在線圈5中自由穿梭運動，線圈與整流回路(電阻R11、二極管D1～D3、電容11(1～3.3F/5.5V))組成充電回路，電容11與電阻R10、發(fā)光二極管10(＞12流明)組成放電回路。齊納二極管D5和電阻R6以及齊納二極管D7為限流限壓保護電路。
參見圖1，3，高亮度發(fā)光二極管雖然是一種低功耗、小電流的固態(tài)元件，但要使其有效工作，需要足夠大的沖擊壓或?qū)妷骸２捎帽緦嵱眯滦偷?組(或更多組)感應線圈的獨特設(shè)計，不僅可以提高充電頻率3倍以上，而且能有效提高充電電壓，從而整體上縮短了充電時間，提高了充電、儲能和發(fā)光的效率。
當主永久磁體從左端移向右端之單程運動時，感應線圈產(chǎn)生的電壓波形參見圖3。假定左右兩邊和中間的3組線圈對應的感應電壓分別為V1，V2和V3，V為儲能電容兩端的充電電壓波形。每個感應線圈的電壓波形類似于交流正弦波，其電壓正負峰值發(fā)生于感應線圈磁通量變化的極值位置，即大致在主永久磁體或穿出感應線圈兩端的臨界位置。3組感應線圈的交流電壓經(jīng)各自全波整流后，由于全波整流電路的同極并接于儲能電容器兩端，其在相同時間部分的電壓將互相疊加，從而整體上提高了充電電壓的幅度(在儲能電容器兩端的充電電壓V中間的電壓幅度約是單個線圈電壓幅度的2倍)。
利用本實用新型的設(shè)計思路，在不明顯增加產(chǎn)品生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，可利用如下兩大類變化形式，來實現(xiàn)較高的充放電效率的發(fā)光強度。
1)在特定的充電時間要求下，若要延長有效發(fā)光(即放電)時間，可適當提高儲能電容器的電容量，并相應增加感應線圈和全波整流電路的組數(shù)(如4組或5組等)。所有感應線圈組應緊密排列于電能發(fā)生腔中間部分。繞線圈所用的絕緣導線(或漆包線)的尺寸和阻抗可根據(jù)產(chǎn)品整體尺寸要求來平衡折衷。
2)若只采用一橋式整流組，本實用新型可改造成如圖4實施例的模式，即“單一磁體-2級感應線圈”模式。每個感應線圈具有相同的匝數(shù)和長度，其相鄰感應線圈的接頭必須反接。主永久磁體的長度與單個線圈長度加上線圈相鄰間距之和相似。在圖4中各標記與圖1，3相同。
權(quán)利要求1.再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于設(shè)有發(fā)光器殼體、電能發(fā)生腔殼體、主永久磁體、感應線圈組、開關(guān)、發(fā)光二極管、電容器、整流電路和充放電電路，電能發(fā)生腔殼體設(shè)于發(fā)光器殼體內(nèi)腔的后部，主永久磁體設(shè)于感應線圈組內(nèi)，感應線圈組至少設(shè)2只線圈，感應線圈組設(shè)于電能發(fā)生腔殼體上，開關(guān)設(shè)于發(fā)光器殼體上，發(fā)光二極管設(shè)于發(fā)光器殼體內(nèi)腔的前部，感應線圈組與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端接充放電電路的輸入端，充放電電路的輸出端接開關(guān)和發(fā)光二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于在電能發(fā)生腔殼體內(nèi)前后端分別設(shè)前限位磁體、后限位磁體。
3.如權(quán)利要求2所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于在前、后限位磁體處分別設(shè)前、后緩沖墊片。
4.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于在發(fā)光器殼體內(nèi)腔前部位于發(fā)光二極管前方設(shè)光學鏡頭，或光學鏡頭和光學密封罩。
5.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于在發(fā)光二極管兩端設(shè)穩(wěn)壓二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于在充放電電路的放電電路設(shè)保護電路。
7.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于開關(guān)上涂布或填充熒光激活劑。
8.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于所說的感應線圈組采用3組并列的感應線圈，主永久磁體的有效長度與單只線圈的長度相同或相近，主永久磁體的直徑略小于電能發(fā)生腔的橫向直徑。
9.如權(quán)利要求1所述的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器，其特征在于所說的感應線圈組采用2級感應線圈，每個感應線圈具有相同的匝數(shù)和長度，其相鄰感應線圈的接頭必須反接，主永久磁體的長度與單個線圈長度加上線圈相鄰間距之和相似。
專利摘要涉及一種發(fā)光器具，尤其是一種采用機械能—磁能—電能—光能轉(zhuǎn)換的再生免電池便攜式磁能環(huán)保發(fā)光器。設(shè)有主磁體、感應線圈組、發(fā)光二極管、電容器、整流電路和充放電電路，主磁體設(shè)于感應線圈組內(nèi)，感應線圈組至少設(shè)2只線圈，線圈組設(shè)于電能發(fā)生腔殼體上，發(fā)光二極管設(shè)于發(fā)光器殼體內(nèi)腔的前部，線圈組與整流電路的輸入端連接，整流電路的輸出端接充放電電路的輸入端，充放電電路的輸出端接開關(guān)和發(fā)光二極管。儲能電容器采用小體積大容量的電容器，適于極端環(huán)境溫度下正常工作，并能重復充放電上萬次，不易腐蝕損壞。發(fā)光元件采用發(fā)光效率高、堅固耐用的發(fā)光二極管，使用壽命長。開關(guān)采用磁能舌片開關(guān)，性能可靠，防水防潮，無電火花現(xiàn)象。
文檔編號F21L13/00GK2616792SQ0325050
公開日2004年5月19日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者王亞軍 申請人:王亞軍