小型自发电照明系统-手压式发电机构系统设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 目录 1. 前言 . 2 2. 小型自发电照明系统总体框架研究 . 2 型自发电照明系统的方案研究 . 2 型自发电照明 系统的分类 . 3 械能供电照明系统的分类 . 3 压式供电照明系统的分析 . 3 型发电机结构分析 . 4 . 4 . 4 3 小型手压式自发电照明系统的研究 . 5 . 5 . 8 电电池的选择 . 9 4手压式自发电照明系统传动系统设计与分析 . 10 动系统设计 . 10 动系统简图 . 10 轮相关参数设计 . 11 . 13 . 13 . 14 . 15 5 小结 . 17 致谢 . 18 参考文献 . 19 附录 1 小型自发电照明系统发电机机械零件图 . 20 附录 2 小型自发电照明系统发电机装配图 . 21 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 1 前言 目前 ,在国家大力强调节约能源、绿色保护环境的背景下，国内 许多电器生产厂家设计发明了自发电照明灯，人们应用了一系列的新 材料，新工艺。不仅提高了产品自身的科技含量，还在数量上保证了市场供应。人们合理的运用法拉第原理， 以独特的机械设计， 充分发挥了手动机械发电的优势。自发电照明灯储能系统由大电容和利于环保可充电的电池共同组成。 市场上可便宜买到 各类环保电池（镉镍、镍氢、镍锌），为产品销售增添了活力。 我国小型自发电照明灯 主要是利用机械能发电。手动机械发电机主要包括手压式的和手摇式的。发电机是由 永磁体励磁的电机和齿轮传动的装置构成。发电机是基于永磁材料的法拉第定律和洛仑兹力定律进行工作 获得能量。电机转子设计为永磁体的，定子是环型缠绕 一定匝数的线圈，当手压或手摇使发电机转子围绕定子转动时，转子永磁体受惯性力割切定子环型体铁心而产生感应电流，电流经过整流存储，获得的电能足够可以使三盏以上的 亮。其中还有一种手摇式发电机是利用一块磁体铁芯上下晃动，这样的往返运动来切割磁感线圈发电，电能可以存在大容量的电容里。或者利用充电电池来存储电能。在飞速发展的 21 世纪，小型自发电照明装置也可利用太阳能，通过电池板进行光电转换来存储电能。市场调研发现，机械能和太阳能自发电照明系统灯已经得到了极大程度的推广和应用， 小型自发电照明系统的能量利用有两方面 综合发展趋势，但是受经济条件，地域因素，个人喜好等对消费市场的影响。可以发现两种自发电照明系统各有发展的优势。在小型化自发电照灯明电量存储需要进一步改进，使照明灯有足够的电量，为不同人群在不同场合下不受时限的使用。 本次毕业设计的主要任务是在研究设计机械发电照明机械传动系统的前提下大力宣传节约能源，保护环境 ,传播科学技术，倡导拒绝使用一次性电池。希望研究能为我国全面促进社会和谐贡献力量 ,为人与环境相处的和谐贡献力量，为 2008年北京的绿色奥运贡献力量！ 2. 小型自发电照明系统总体框架研究 型自发 电照明系统的方案研究 为了全面研究，又由于研究问题的数量大，在保证研究问题的合理性和必要性的前提条件下，笔者对小型自发电照明系统研究进行了规划，列出了研究方案。笔者安排论文简要介绍了发电机构原理分析，发电机构材料选择， 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 理分析及发展，供电电池选择，手压式照明电路分析等。本文是以机械供电式发电机构的研究为主，并对与其相关部分做了详述。机械能供电式分两种类型，以手压式的研究为主。手压式的又以发电机构为主，其余的研究以介绍性的叙述。在完成任务书要求下，为了使研究内容上的协调性，直观性，客观性，适当的对研究的范围进行塞选，使研究层层深入，又保留其精华部分。 型自发电照明系统的分类 图 1 小型自发电照明系统的分类的框图 小型自发电照明系统的分类系统框图如图 1所示。 械能供电照明系统的分类 图 2 机械能供电照明系统的分类的框图 机械能供电照明系统的分类系统框图如图 2所示。 压式供电照明系统的分析 图 3 手压式供电照明系统的分的框图析 小型自发电照明系统的分类 太阳能供电式照明系统 机械能供电式照明系统 手压式的照明系统 手摇式的照明系统 机械能供电照明系统的分类 概念型手压式照明系统 环保型手压式照明系统 普通型手压式照明系统 手压式照明框图分析 手压式照明电路分析 发电机结构原理分析 发电机材料选择与应用 电电池选择 手压式供电照明系统的分析 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 型发电机结构分析 图 4 小型发电机结构分析的框图 小型发电机结构分析系统 框图如图 4所示。 压式自发电台灯照明系统 手压式机械能供电 系统设计与分析 图 5 手压式机械能供电系统分析概图 压式自发电照明系统电路的设计与分析 照明电路的设计与分析 图 6 照明系统电路图 照明系统电路图如图 6所示电路有自发电机，整流桥，储电电容 池是可充电的三节 池，电池是可拆卸的， 单刀单控开 关，小型发电机结构分析 转子 主动齿轮 棘轮与棘轮附件 系统装配 电机系统转速 线圈匝数计算 人机因素 定子 手压机械发电机 整流电路 储能电容 蓄电池组 控制开关 发电机 2 3 0 2 0 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 当接通时，压动电机电流瞬时能对储能电容充电，电容是超大容量的，能满足对电池组的充电。可以持续点亮 。 是 15欧母的降压电阻。改 进的概念型照明系统的特点是储能大电容对电池自充电，有利于再没有市电对电池补充电能的情况长时间的使用。 3 小型手压式自发电照明系统的研究 发光原理分析 由 2 族化合物半导体制成的 ,其核心为 ,由固体物理理论知 ,当 P 型半导体和 N 型半导体紧贴时 (实际是在一块半导体的不同区域分别掺以受主型和施主型杂质所形成的 )由于 区各自有不同的费米能级因此 ,所示 10 图 7 此时在 P 区和 N 区界面两侧附近空间的载流子 ,自向对方扩散 电子与空穴的扩散均破坏结两边的电中性从而使区边界出现由正离子与空穴形成的 , 在 P 区边界出现由负离子与电子形成的负电荷积累 ,结两边的异号电荷形成由 N 区指向 P 区的内建电场 内建电场对载流子的库仑力的作用阻止了扩散的进行 ,当扩散作用形成的由 P 区指向 N 区的扩散电流与电场形成的反向漂移电流相等时 ,区的费米能级重合 ,即 F11。如图 8 所示。 图 8 衡能带图 当在 施加正向偏压时 ,外加电压 U 将抵消和减弱 内建电场 ,此时多数载流子将容易通过 进入对方区域而成为少数载流子 ,当进入 P 区的电子与 进入 将以发光的形式辐射出多余的能量。电子和空穴的复合可在不同能级间进行 ,视材料能级不同 ,相应地发出购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 不同波长的光 11。 致电原理图如图 9 所示。 图 13 图 9 致电原理图 发展 发光二极管的英文缩写 ,它是一种电致发光器件。目前 ,业已经走过了它的发展 初期和中期 ,普通 应用已经成为过去 ,高亮度 使用也已无需着力推广。另外 ,中小功率超高亮 已诞生 ,并正在以极快的速度走向应用。这些情况都表明 ,业的发展已经进入到了成熟期。虽然以 核心的科研、生产、应用已经具备了相当的规模 ,但 低功耗、长寿命、高可靠、抗冲击、快响应等诸多优点仍会进一步推动 业的发展 ,因此我们有必要把握一下 业的脉搏 ,从而更好地为 研究、生产和应用提供帮助。 新型半导体材料的应用 ,够辐射出多种单色光 ,逐步地满 足着人们对色彩的要求 1907 年 ,一次发现碳化硅 从此拉开了人类开发另一种新型电光源的大幕。现在我们知道 ,为一 种新型电光源 ,它的发光机理是 :半导体中少数载流子在与多数载流子复合时 ,会以发光的形式释放出多余的能量。继碳化硅 现之后 ,科技工作者经过多年的研究 ,终于在 1960 年实现了自己的愿望 ,利用 工制造出了第一个发光二极管。 1968 年利用 研制出了商用 655 纳米的红色 明的科技人员同时还意识到 ,有单红色 ,显然不能满足实际应用的需要 ,由此展开了各种单基色 至全彩 (白色 )研究。由于不同半导体材料的能带差异各不相同 ,激发出来的光波波长也各不相同 ,所以 ,采用不同的材料可制成不同基色的发光二极管。因此 ,半导体材料的开发理所当然地成为了基色研究的重点。 新型半导体材料和荧光材料的应用 ,能够提高 电光转换效率面对 科技人员对单基色问题给予了相当的关注 ,但同时也不得不对 亮度问题展开研究 ,因为亮度在很大程度上也左右着 应用推广。70 年代中 期开始 ,当人们在半导体中引入其它元素而获得不同单色光的同时 ,还发现 发光效率也有变化。一系列材料的开发 ,特别是高效 超高效 为 亮度提高奠定了坚实的基础。另一方面是荧光粉材料的开发 ,虽然将紫外光转换成白光的荧光粉 ,最初的紫白转换效率很低 ,使得白光 发光效率只 4明 /购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 瓦 (),随着荧光粉技术的改进 ,白色高亮度 光效已增加 15),这个值已经介于白炽灯 14()和紧凑型荧光 灯 50)之间 ,用于照明的广阔前景已经初露端倪。可以预计 ,发光效率还会随着荧光粉等相关技术的发展而得到一步的提高。 亮度与寿命是一对矛盾通常情况下 ,电时 ,流过 工作电流在 20右 ,属于正常工作范围 ,寿命可以达到 10 万小时甚至更长 ;当电压上升到 ,通过 0过了 光衰减会大大加快当电压达到时上的电流则会达到 ;衰减极大而且会很快烧毁因此我 110们在使用时需要使用一定的限流措施从而兼 顾亮度和寿命两方面。 产业化与社会应用紧密联系在一起而且的研发能否从应用的要求出发极大地影响着 20世纪 50年代 用推广的步伐世纪 20 世纪 50 年代第一款现代意义上的 生后 ,商用的红外 被迅速地应用到了感应等光电领域。 60 年代第一款可见光 制成功后 于了电子显示设备。由于这些公司在电子设备中大量使用 。 景十分美好 应用虽然已经具有了很广的范围、很大的规模 ,但是 ,由于 有很多社会应用所需的优点、相关技术也有很大的发展空间 ,因此 ,着更为美好的前景。 术发展的空间很大目前技术条件下 ,经显示出了众多的优点。一是寿命超长 ,业内公认的平均值达 10 万小时 ,可期望目标将会达到 25 万小时 ;二是色彩丰富 ,有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等 ,基本满足了应用领域对 彩的要求 ,随着更多新材料的开发 ,还会实现更多的 基色及至全彩色 ;三 ,稳定可靠 ,在 寿命期内 ,不多都能稳定的工作 ,维护工作量极小 ;四 ,电气安全性高 ,(6 - 24V)、小电流 (10况下 ,属弱电级工作器件 ,有较好的电气安全性能 ;五 ,节能环保效率高 ,在同等亮度下 ,耗电仅为普通白炽灯的 1/10 ,而且不存在有害金属汞污染等问题 ,符合社会发展趋势 ;六 ,应用灵活性好 ,进行低压供电 ,也可 110V/220V 电源供电 ,加上单粒 体积小 (芯片更小 ,只用 3方毫米 ),大大方便了工程 应用 ;七 ,受控制能力强 ,现有的技术已经可以实现 亮度、灰度、动态显示、分布控制等 ,是其它发光装置无可比拟的 ;八 ,抗震性能优越 ,坚固、耐震、耐冲击性能 ,超过了目前所有其它类型的电 光源产品 ;九 ,响应速度快 ,响应速度在毫秒级 ,可以自如有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等 ;十 ,显色性能良好 ,白色 前的显色指数购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 到了 70 以上 ,色温范围从 3600K 到 11000K(随荧光粉不同而变 ) ,而且已经获得了实验室提高的方案 ;另外还有亮度高、无干扰、方向性好等等也是十分有用的优点 。 采用具有中国自主知识产权的技术 ,成功封装了功率高达 1500 瓦的源 ,这是目前世界功率最大的 源 ,而深圳“ 2007 年 术论坛峰会”上 ,亿光电子工业股份有限公司 (全球光电子产业领导厂商 )则展示了高亮度最 新技 术 ,并宣称他们已经成功地开发出了 100()的高效率、高亮度人预计 ,最终发光效率可以达 200() ,而目前大部分家用照明采用的白炽灯 ,其光效约为 8()。总之 ,随着技术的发展 ,优点会更优 ,优点会更多 ,应用范围会越来越广、 应用的程度会越来越深入、应用规模会越来越大 12 电机材料选择与应用 用永磁体励磁的电动机、传动装置和发电机是基于永磁材料的法拉第定律和洛仑兹力定律进行工作的 ,它是一个世界性的课题 ,因为它可以实现省能源、高效率、减少污染等多种目标。当今世界是以计算机为中心的信息产业推动着全球经济的发展 ,而计算机则注重保证其驱动器按所期望的性能工作：容易携带、更换 ,小的占用空间 ,节省能源等。所以用于小电机中的永磁材料必须具有高新性能 ,在此介绍以下永磁材料 14 开发高新优质磁性材料必须与物理、固体 化学、冶金学等方面密切合作 ,从材料成分与微观结构上去探究。传统和新型永磁材料的成分与结构特征对比。可见新型永磁材料实现了基本磁性元素 (o)与众多的性质与作用很不相同的但可导致结构多样化的非磁性元素巧妙组合 ,达到使材料具有最佳磁性和优异综合技术特性之目的。 3d 过渡金属 高的 磁性基本元素。 4f 稀土族金属 有高磁晶各向异性和高轨道磁矩 ,与 3d 金属或包含 B、 N 等元素的化合物是超磁体的基础。稀土永磁三代产品正好满足上述条件 ,它们各有所长。目前的 研究工作集中在 500体在技术上的重复性和开发高矫顽力 结磁体、纳米复合磁体上。纳米复合磁体 纳米复合磁体就是由高 软磁相和高 硬磁相而以纳米 ( 1），则对标准圆柱塑料齿轮（ =20 h*a =1）的 最少齿数可以取到 3。 这也是很多塑料齿轮可选用少齿数的一个重要原因。 （ 3） 压力角 压力角是作用线与节线相交所成的锐角，它指出了啮合齿轮副的压力作用购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 方向。在米制金属齿轮设计时，压力角可取 20、 15、 25和 30。需要指出的是增大压力角对减小齿轮最少齿数有利，但减小压力家则对减小传动中的回差有利。因此，压力角的选择不能任意扩大和降低。在各国标准中，压力角一般规定： =20 。在塑料齿轮设计时，我们推荐使用。另外，我们还可以根据实际应用情况选择其它压力角值，例如：为增大重合度降低噪 音可选用；为提高承载能力提高轮齿强度可选或；甚至还可以选择双压力角齿形，即轮齿两侧为不同压力角的渐开线齿形。 （ 4） 变位系数 渐开线齿轮传动的可分性是变位的理论依据。在实际设计时，齿轮变位主要考虑四个因素：一是改善齿根强度，二是调整装配中心距，三是利于修正齿形干涉，四是调整滑动率使之接近或相等。对于塑料齿轮而言，这些都是选择变位系数的重要依据。另外，基于塑料齿轮 “ 结构定模数 ” 的设计思想，在塑料齿轮变位系数选择时还要考虑与模数相结合，防止因变位致使齿形变形过大，而且这也有利于齿形的收缩设计。对于塑料齿轮，推 荐的变位系数取值范围是： 0xm /2。 （ 5） 齿顶高系数 在塑料齿轮设计时，齿顶高系数可以根据使用状况选择长齿制（ 1）、正常齿制（ 1）和短齿制（ 1）。长齿制利于提高齿轮副的重合度，降低噪音、提高承载能力；短齿制则重在提高齿根的弯曲强度。 （ 6） 顶隙系数 顶隙的主要作用是利于润滑油的流动，并避免两齿之间的碰撞。在金属小模数齿轮设计标准中规定顶隙 c*=于塑料齿轮多工作在无润滑环境中，而且某些塑料具有自润滑性能，故顶隙的选择根据实际情况进行选择，推荐顶隙系数的选 择范围是： c*= 关结论 齿轮 : 附录 1图 1，图 2和图 3是主传动齿轮正面反面侧面效果图，传动外援有81个齿，外径 轮根为 部有直径 2毫米的贯通孔。主传动齿轮上部有同心齿轮，外缘有 10个齿，齿轮厚 径 定子 : 附录 1图 12和 13是定子设计的效果图，图 12零件镶嵌在图 13零件的上部，两铁质定子片呈 45度角交叉。定子轴直径 2毫米，长 35毫米。线圈绕在两铁质定子片内部，线圈上下有绝缘塑料片垫称，装配过的定子 底部固定。 转子 : 附录 1 图 4 和图 6 是转子正面效果图，转子正面有 12 个棘轮巢，棘轮附件零件匹配棘轮转子巢。转子正中有贯通孔，直径为 2毫米。附录 1图 5和图 7 是转子反面效果图，转子内镶嵌永久磁铁，磁铁内径 4 毫米，外径 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 米，厚度 8毫米，磁铁有一定重量，在压动时动力转化为惯性动量，再加上转子本身有质量，根据质量与惯性的关系，质量越大惯性愈大，惯性动能才能长时间持续。 棘轮与棘轮附件 : 附录 1图 8和 9是 棘轮 设计的效果图，图 10和 11 是 棘轮附件 设计的效果图，棘轮上部有与转子同心的贯通孔，直径为 2毫米。棘轮镶嵌有 从动齿轮，外缘有 10个轮齿，直径 10毫米，齿轮根为 米。外缘参见附录 2棘轮与棘轮附件装配效果图图 1。 装配系统 :定子与转子装配效果图 参见附录 2 图 2 和图 3。主动齿轮与电机装配效果图参见附录 2图 4，图 5，图 主动齿轮 81个齿直接驱动棘轮上的 10个齿，线速度为 。 线圈匝数的计算 : 线圈匝数在满足研究设计的 3盏以上的 可以为电容充电。线圈绕在同轴上。 机部分设计 机参数及相关计算 手压发电机采用外转子结构形式，如图 10 所示。转子由机壳、磁环和 轴组成。磁环采用磁性能较强的粘结铁硼 ( 材料，注塑成型，工艺简单而价格便宜。内圆充磁 极，表面磁场可达 0. 以上。定于铁心为 9 槽结构，采用熔槽绝缘或绝缘片均可。齿上绕制三相集中绕组 心内孔压人含油轴承 。 图 11 外转子结构图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 图 12定转子展开图 将发电机的定转子切断展开如图 11所示。从图中可以看出，定子的齿数 1、4、 7 （ 与转子的 齿数 1、 4、 7上同方向绕制线圈并串联起来就构成了 相绕组以同样的方法绕制，然后将 三相绕组末端联接成人型，始端作为三相输出端。 发电机输出线电压的有效值 为 U = 3 K W n 式中 K为电势系数， W 为每相绕组线圈数， 为每极磁通， n 为转子转速。 发电机输出交流电压的额率 为 60式中 典型的永磁交流发电机技术数据：额定电压 7V，额定频率 3000出电流 300定转速 3000 r 形尺寸 29 106 电机的结构特点 发电机定子与含油轴承是压配台，通过轴承铆接将定子固定到安装板上，如图 3所示。安装板上有四个孔用以与整机固定，还有两个齿轮轴用以装配增 速 齿轮。齿轮采用塑料注塑成型，用卡圈固定到轴上。发电机轴身端装有粉末冶金齿轮。有趣 的是电机出厂时并不装增速齿轮，而是由用户自行配套。安装板上齿轮轴之间及 与轴齿轮之间的中心距应保证足够的加工精度以确保齿轮的啮合质量 图 13 安装板示意图 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 前面讲到发电机的额定转速为 3000r 若变为适合手摇的速度就需要增加两级增速齿轮 。 轴齿轮的技术参数 0,m=附录 ，两个增速齿轮为 5， m=附录 ，增速比 t=摇转速则为 148rs，通过齿轮组将手摇的速度变为 25r s，正好适合人的操作 。 的使用特点 这种发电机主要用于小型蓄电池充电因而需要将发出的三相交流电通过全波整流变为直流电，其电路如图 4所示。 图 14三相全波整流 图 15 三相交流电压波形 图 16 三相全波整流电压波形 图 4中采用 6个相同的 组成三相全波整流电路。三相交流发电机输出的电压如图 5所示，额定值为 7V， 经整流后 输出电压如图 6购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 所示。电解电容器采用 470 F/25v，其充放电的特性可保证在手摇的间歇之间对蓄电池进行充电。 发电机输出的 线电压与整流后的空载直流电压有一定的关系。根据电子学原理得： 三相全波整流波形的脉动幅度是： (1 s i n 6 0 ) 式中 U 是脉动幅度电压，如有效值为 7半波幅值电压为： 7 2 1 0 V 那么脉动幅度电压： 1 0 ( 1 s i n 6 0 ) 1 0 0 . 1 3 4 1 . 3 4U V V V 输出电压平均值 从 60 分得： 120601 / ( / 3 ) 2 s i n 1 . 3 5 9 . 4 5d A B A d U V 三相全波整流的直流电压为交流电压的 直流电压高于交流电压。 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 5 小 结 本文主要研究了小型手压式机械自发电 灯照明系统，分析了普通型照明电路，设计了概念型照明电路，研究改进了环保型照明电路。又所根据选择的耐用的自发电机，制作出了小型发电机零件的三维图形，零件装配后的三维图形且更能直观地分析发电机结构和功能。 在方便人们使用的条件下，电机设计的小巧耐用，又符合人们日常审美情趣。 我认为对系统的每一部分研究都是必要的 ,是理论研究与实践的有机统一 。由于论文篇幅字数的要求，实际的实验室条件的不允许，以及种种因素的制约，使得本文研究显得不足。 本次实物的调试也存在一些不足，希望将来条件允许，时间允许 ,用理论与大量的实践结合后能够使得研究问题有一个圆满的解决。 希望本次研究设计能够为生产自发电照明系统的企业带来最好的经济效益，使得企业更适应市场的需求，使其具有广阔的市场开发前景！也希望本次的研究能为人们提供科学知识，使得人们生活走近科学，让多彩生活走 进更加时尚！ 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送 全套 纸 14951605 或 1304139763 致谢 首先感谢母校 河南科技学院的辛勤培育之恩。其次，感谢新科学院给我提供了很好的设计环境。 河南科技学院的各位领导、老师和同学对我的学习给予了很大的支持和帮助，我在这里不仅体会到了学习的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀，在此谨对他们表示衷心的感谢。论文结束之际，感谢我的指导老师。他们专业知识丰富、才思敏捷、治学严谨，而且认真负责，耐心讲解问题，对我的毕业设计给予了很大的指导和帮助，使我能够顺利的完成毕业设计，在此向他们表示衷心的感谢！同时还