摘 要：针对户外旅游和工作中可能出现的用电短缺现象，提出一款便携式可发电登山杖设计方案。本方案利用杖杆上下伸缩发生单向旋转驱动发电机，将机械能转化为电能，通过USB接口为随身携带的电子产品充电。本设计方案具有节能，经济，低碳，操作简单等特点，为广大旅游爱好者和户外工作者带来极大便利。
关键词：可发电；登山杖；设计
1 设计背景和目的
随着人们生活水平提高，爱好旅游的朋友越来越多，尤其是进行远距离长时间的露营、徒步、登山等活动时，无法给携带的移动电源、手机等数码产品充电，一旦电量耗尽会给大家带来意想不到的麻烦。目前户外便携式发电装置有太阳能式、风力式和手摇式等几种。太阳能式和风力式受天气影响比较大，手摇式发电装置使用起来非常费力，这几种发电装置均不太实用。
登山杖是无数驴友征服户外旅行的必备武器，作者设计一种便携式可发电登山杖。杖杆设计成可伸缩型，利用杖杆上下移动产生单向高速旋转驱动发电机，将机械能转化为电能，可以解决在野外条件下应急用电问题。
2 设计方案
2.1 设计原理
可发电登山杖的设计原理如图1所示。
2.2 设计内容和方法
可发电登山杖主要设计包括杆材料选择，可伸缩旋转杖杆结构和发电机盒设计三部分。
2.2.1 杖杆材料选择
杖杆采用航空铝合金，强度相同的情况下，重量可降低20%，质地坚固，经久耐用。杖尖采用钨钢材料。
2.2.2 可伸缩旋转杖杆结构
基本结构：
杖杆分为三节，如图2所示。A节为杖尖段。B节和C节可以重叠并起到旋转驱动的作用。其内部为螺旋形的扁铁轴，是旋转的关键部件，以下简称驱动轴。C节顶部安装把手。
杖尖结构：
A节杖尖材料为钨钢，六棱柱形底部带尖，便于和发电机轴内六角形键槽契合。杖尖可以外加橡套，达到减震防滑作用。
杆内部件结构：
驱动轴的上部和C节顶部（手柄处）连接，相对固定。驱动轴穿过B节，B节的顶部有驱动套（内部有螺旋和驱动轴匹配）底部带斜齿，B节中有固定于内壁的驱动套座，套座上部带斜齿和驱动套斜齿啮合。
旋转机理：
旋转装置的原理类似于现在很多家里都有的手压式旋转拖把。
当用于发电时，将外螺栓2旋开，下压C节时，C节带动驱动螺旋轴下移，驱动套和座咬合，由于驱动座和驱动套相对位置固定，螺旋轴通过时带动驱动套旋转，从而靠斜齿带动驱动套转动，即B节转动。
上提时螺旋驱动杆和C节一起上移，此时驱动套随轴上移至限位位置空转（反转），所以上提时很轻松，杖头也不旋转。通过对C的反复下压和上提，将会使B不断的加速，从而越转越快，转速可以达到每分钟上千转。
B段和A段杖杆通过内螺栓1锁死，B带动A一起旋转，杖尖插入发电机转子的卡槽内，使得发电机源源不断的发出电来。
由于该发电装置直接作用于转子，免去了复杂齿轮传动机构，发电量大，发电效率高，发电方式简洁省力。
B段和C杖杆伸展开，旋紧外螺栓2，即可将两节杖杆紧固连接起来，可以当作登山杖使用。
2.2.3 发电机机盒设计
发电机盒由发电机，整流稳压电路和机壳三部分组成，见图3。
发电机采用三相交流永磁发电机发电，发电机的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
由于杖尖旋转不是匀速转动，工作时产生13～25V的交流电，所以必须经整流和滤波，才能对电子设备或蓄电池充电。通过整流电路，整流变压器和滤波器，获得稳定的直流输出。发电机和整流稳压电路均内置机壳内部。
发电机机盒技术参数：
额定功率20W
最大功率40W
额定电流2A
产品净重650g
产品尺寸110*70*40mm
机壳采用高强度的铝合金复合材料，重量轻，坚固耐用便于携带，具有防水功能。长方体机构。顶部设卡槽一个，上端可以插入杖尖，下端固定在转子的转轴上。侧面设有USB接口一个，￠12航空电缆接口一个。
本装置设有两种固定电压输出模式，即USB端口输出和10V￠12航空电缆输出。本设计采用标准USB2.0接口，供电规格为5V，0.5A，功率2.5瓦，可直接为手机充电。
航空电缆接头与DC-DC直流电压转换器配套使用，可以将固定的电压输出转化为宽范围输出电压，适合0～28V的所有电器电池充电或供电。可以为对讲机，笔记本电脑，手机，摄像机，数码相机，便携移动电源，手电筒等各类产品供电或充电。
本装置还可以与蓄电池、逆变器配套使用，将电压输出转变为220V市电。
3 结束语
通过实际使用，本发电装置操作简单省力，经济环保，性能稳定，使用时不受外部环境制约，很好地解决了户外旅游和工作中电力短缺问题。本登山杖可以收缩后装入背包，减轻了广大户外运动者的负担，给广大旅游爱好者和户外工作者带来了便利。
作者简介：任嘉华（1999，05-），石家庄市第十七中学高三在读。
