机械式电池结构设计说明书毕业论文

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1、. . . . 目 录1. 前言1.1 本课题研究的目的与意义11.2 国外研究现状11.3 本课题的研究容与技术方法路线42. 总体设计2.1 机械式电池的基本原理与组成72.2 三种机械电池的方案设计82.2.1 摇柄式机械电池82.2.2 拉绳式机械电池112.2.3 定时器式机械电池132.3 本章小结153. 变速器的设计方案3.1 传动装置173.1.1 传动装置（I）173.1.2传动装置（II）193.1.3 传动装置（III）203.2 发电机的选择223.3 本章小结244. 增速装置的设计4.1机械式电池方案的确定254.2传动比的确定254.3相关参数的确定264.4有

2、关轴的设计294.4.1 输入轴的设计294.4.2 中间传递轴的设计304.4.3 输出轴的设计314.5 本章小结325. 结论参考文献37致 381. 前言1.1 本课题研究的目的与意义创新被越来越认识到是技术和经济发展的原动力，随着知识的不断创新，科技的突飞猛进己经为整个人类带来了翻天覆地的变化。无论是我国党和国家领导人，还是我国科技界都指出加强技术创新对我国的国际地位具有决定性的意义。机械电池就是一种综合先进科技技术形成的创新微小机电产品。 众所周知:化学电池以其方便而被广泛使用，但化学电池存在着材料浪费，容易造成污染，和处理麻烦等缺点，但是由于没有更好的替代产品，因此始终大量的制造

3、和生产。从目前的电池市场来看，无疑化学电池占据了几乎电池市场的全部份额。人们在二十世纪末开始加大了新型的环保电池研制，目前己经有一些太阳能电池、燃料电池等应用，但是，这些新型电池还完全不足以与化学电池相比。在环保要求越来越严格的今天，环保电池的研究力度越来越时，故对机械电池的研制与开发同样是十分必要的，也是符合社会发展需求的。尽快解决机械电池这类环保型电池的一些关键性的难点，让这种机械式电池更能接近实际应用和日常的生活，才会广泛应用在未来的生活中。在这种情况下， 研究环保型的机械式电池己成为必然。 机械电池属于新型微小机电产品的畴。这些产品正随着科学技术的发展大量的涌现出来。1.2 国外研究现

4、状 近年电子产品、移动通信产品朝着微型化、便携式的方向发展，对高容量、微型化电池的需求量迅速增长。据国际数据公司统计，1989年全球无线寻呼用户共1900万户，其中美国988万户（占52%）、亚太地区228万户（占12%）：1995年全球无线寻呼用户共8500万户，美国2800万户仍名列第一、中国2010万户名列第二。移动通信业务的迅猛发展，对微型高容量电池的需求也大幅度增长。人们对环境意识的增强，祈盼“绿色电池”的呼声越来越高。当前，化学电池以其方便而被广泛使用，但化学电池存在着材料浪费，容易造成污染和处理麻烦等缺点。由于没有更好的替代产品，化学电池始终大量的制造和生产。在这种情况下，研究环

5、保型的机械式电池已成为必然。 机械式电池是一种将机械能转化为电能的装置。目前，在将机械能转化为电能方面，国还没有相关报道，国外则有过类似的实践。九十年代初，英国人发明了机械发电收音机，其基本原理是，将发条的机械能驱动小型发电机，提供收音机电源，从而收听节目。差不多在同期，日本精工公司制造出利用人体动能产生电能的人动电能手表。在该结构中，主要是利用了微型技术，将发电机微化在手表中，通过人体的运动驱动惯性飞轮转动，动力元件带动转子旋转发生磁力切割产生电流，并送到大容量的电容器中储存，然后不断供给指针。这些都是将机械能转化为电能进行单一应用的实例，显然，这些装置都只是应用于其各自的单一商品中，而不能

6、进行广泛应用。 将机械能转化为电能方面，可以追溯到早期的自行车所用的摩电灯。在车轮的带动下工作的微型发动机为自行车灯提供电源，就属于机械能转换电能的一种装置。近年来，随着电子元件的迅速发展和环保日益严格的要求，人们开始尝试新的机械能转换电能的应用研究。上世纪九十年代初，英国人发明了机械发条丝收音机，其基本原理是将发条的机械能驱动小型发电机，提供收音机电源从而收听节目。据报道，这一产品曾在美国攻打阿富汗的反恐战争中，通过飞机向山区的阿富汗居民空投，为美军和反塔利班阵线的进攻提供宣传工具。图1-1 英国法条收音机原理图通过前期的研究和实验，我们提出在手机电池中运用我们的机械电池，主要有驱动结构、变

7、速器、发电机、整流器、存储器（小体积的锂电）组成，这样在外出等特殊情况下，一旦手机没电了，我们只要拧动驱动机构就可以充电了，另外还可以将机械电池用在手电中，这一技术已经成熟，英国的freeplay energy公司已经作为其一项产品见图1-1。 图1-2 机械充电式手电筒差不多在同一时期，日本精工公司制造出利用人体动能的人动能手表。在该结构中主要利用了微型技术将发电机微化在手表中，通过人体的运动驱动惯性飞轮转动。动力元件带动转子旋转发生磁力切割产生电流，并送到大容量的电容器中储存，然后不断供给指针，见图1-3。从日本将人动电能手表的使用来看，由于该产品利用了人手臂挥动提供的能量，从而可以使手表

8、正常工作。一般挥动的时间不超过一天都可以正常工作。当时间不提供动力时，则通过使电路进入休眠状态，维持低电量消耗，从而在恢复能源提供后再正常工作。因此可以维持较长的使用时间。这些产品都是将机械能转化为电能应用的实例。 图1-3 日本精工人动电能手表部结构图1.3 本课题的研究容与技术方法路线 需要指出：无论是自行车的摩电灯、英国机械发电收音机，还是日本的人动电能手表，这些装置都只是应用于其各自的单一商品中，其能源系统是不能单独和互换，进而广泛应用。我们知道电池最大的一个特点是互换性，他不针对某一种电器，而是可以普遍使用。因此，基于电池的这一特性，提出了开发机械电池的研究，并已经取得了一定的进展。

9、我们的设计是将机械动力系统和发电系统从具体的电器元件独立出来，制成可以提供电源的机械式电池。当产品使用时，只需要把机械电池的正负极像普通电池一样与电器元件连接，就可以使其正常工作。鉴于这种机械电池一般用人力驱动，因此更适合非长时间工作的电器，除上面提到的人动手表、收音机外，还可以在手电筒、应急灯、玩具等应用。另外，在前期的研究中，我们还进行了电容器和机械传动部分的分离工作，并提出了并联充电，串联使用的新的设计原理。按照这一方案得到的机械电池有电-动分离的特点，因此具有重复使用的特点，体积也会减小。同时，除了我们自己研制的发电-充电装置以外，电池的电容部分还可以用普通的充电器变压后充电。这种构思

10、除了方便以外，还有简单、价格低廉等很多好处。当时，也存在一般难于在使用中直接进行充电的缺点。如前所述，随着微小型化的微电子器件进入机械领域，使得微电子与机械进一步集成，从而设计制造出结构和功能独特的微型机电系统。迄今，人们采用不同的工艺方法在实验室中已经制造成功各种微器件 已形成年产值几十亿美元的规模，并且还在迅速发展。国外已经在人动电能和机械收音机等方面成功开发了产品。因此机械电池的开发不仅将研究推广为用途更加广泛、且有利于环境保护的产品，而且有着练好的社会效益和巨大的经济潜力。 图1-4 机械电池原理图 图1-4为机械电池的基本原理图 ，主要有机械动力源、传动机构、微型发电机、连接部件组成

11、，当驱动机械动力源以后，通过传动机构来增速并将转速转矩传到微型发电机上，这样产生的电就可供其他电器使用。 机械式电池的功能是将机械能转化为电能，由驱动装置、机械传动、机械能-电能转换系统、电能存储器和控制电路几大部分集成而成的，其基本工作流程见图1-5. 图1-5 机械电池工作流程图 由于像机械电池这类新型微小机电产品要在功能上实现要求，在较小的尺寸间，将动力、传动、能量转换、控制电路和输出集成在一处，因此其设计也就带来许多问题。其中的矛盾有：如尺寸和强度之间，尺寸小，强度一般要低：结构与功能上，结构不易太复杂，但又必须满足其功能；设计与制造加工之间的矛盾等等。归结起来，主要是产品微型化带来的

12、问题。本研究的技术路线如图1-6。图1-6 研究技术路线流程图总之 ，在机械电池的设计过程中，既要在材料的选取要充分考虑如何达到要求，又要在结构设计和强度设计方面都必须更具其特点进行微型化设计。因此，照搬宏观的机械设计、机械传动、摩擦学设计、发电、供电设备设计等理论和原理是很难实现的。在设计理论和方法上具有其自身特点。 综上所述，可以看出：机械电池可以用在很多场合，比如手电筒、收音机、电动玩具等等，如果做成普通电池形状和体积，那就可以部分取代化学电池，用在很多地方，可替换性和多场合使用也是机械电池的一大优点，通过这个特点，也是我们的设计有别于其他的机械发电结构，它们的使用场合单一，却缺少可移植

13、性，因此，机械电池是现在小型机械发电装置基础上的一种原理上的创新。 同时，机械电池具有典型微小机电产品的特征，与普通发电设备不同。它将所有的机电部分集成在尺寸为几十毫米的产品中。而其领域却涵盖机械设计、摩擦学设计、发电装置和电路等多学科，构成了一个微型动力转换、机械传动、发电、供电和控制系统，因此其设计充分体现了现代科学的技术水平。另一方面，由于尺寸的限制，要在非常有限的空间，设计出具有使用价值的，可部分替代化学电池的机械电池。所以，对他的研究也将带来在设计、制造技术上的创新。2. 总体设计2.1 机械式电池的基本原理与组成 机械式电池主要由输入装置（如手柄、拉绳）、增速机构、发电装置、蓄电装

14、置和输出装置组成。其基本原理是通过人动输入装置(如手柄、拉绳)，使增速机构运行起来，带动发电机，使其产生电能，储存到蓄电装置中以备输出装置使用。其流程图如图2-1.输入装置（手柄）增速机构发电装置增速装置输出装置蓄电装置 图2.12.2 三种机械电池的方案设计2.2.1 摇柄式机械电池在摇柄式中基本想法就是增大臂长。这样，在驱动变速器带动发电机的时候就可以节省很多的力，但共有着方便、结构简单等优点，针对这种驱动方式，设计了摇柄式机械电池，其结构见图2-2，在这款电池中，就采用了摇柄式驱动结构作为动力源，让摇柄连接变速器，这样摇动摇柄就可以带动变速器运转，这样发电机就可以工作了。图2-2 手摇式

15、机械电池原理示意图摇柄式这种驱动方式在很多场合下都有运用，比如机械收音机、手电筒、机械电池等都可以引入摇柄式驱动方式，平时使用时只要摇动手柄，就可以让发电机发电并将电存在存储器中，供照明使用。考虑的摇柄式机械电池的操作方便性，在制作这款电池时体积相对较大，但偏大部分是充电器部分，而存储器部分则和普学电池相当大小，只要充入足够的电量，其完全可以取代普通的化学电池使用，经过对模型各部件的设计与完整性的可行性分析，我们可以按设计的方案进行实际模型的制作，以检验设计模型的实际可行性。 首先是选购合适的发电机、增速器与可充电容量较大的电容器；再将发电机、增速器与用作动力输入的手柄连接成一个整体，作为发电装置；最后增速器与用作动力输入的手柄联接成一个整体，作为发电装入电路，按照设计的电路制作试验用的电路板，并将试验电容器焊接完成充电电路的制作。 模型制作完毕后，就可以按理论设计来进行相关的实验，按理论上设计来说，只要摇动手柄，通过