机械式电池的结构设计开题报告

南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 题目机械式电池的结构设计机械式电池的结构设计 专 业 名 称机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填表日期：2 0 1 2年2月21日 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 一、选题的依据及意义一、选题的依据及意义 随着人们环保意识的不断增强， 绿色环保机电产品在新世纪逐渐成为一个研 究的热点。在小型的环保机电产品中，常常充分利用人们身边绿色能源比如人体 机械能、人体动能等。将其转变成合适的能源形式，供不同的电器使用。但是， 这些产品的能源收集、转化以及存储系统几乎都是配合特定产品单独设计制造 的，不具有通用性。另一方面，化学电池具有存储能量大、可通用的优点，但是 其环保性能又较差。基于上述两点，该文首先提出了研制环保机械电池。 创新杯越来越认识到是技术和经济发展的动力，随着知识的不断创新，科技 的突飞猛进已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，目前已经有一些 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大的同时，放对 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 的机械式电池已然成为必然。 机械电池属于新型微小机电产品的范畴。这些产品正随着科学技术的发展大 量的涌现出来。 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 1.相对于化学电池而言，本实用新型不会对环境造成污染，有利于环保。 2.相对于其他现有的将机械能转化为电能的装置而言， 本实用新型是独立的 电源，可以应用于多种场合，用途广泛。 3.本实用新型结构合理，使用时与常规化学电池相同，无需改变现有电器的 结构，有利于推广应用。 4.本实用新型成本不高，而且可以反复充电使用，寿命长，如果投入大批 量生产，将会产生良好的经济效益。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 二、二、国内外研究概况及发展趋势国内外研究概况及发展趋势 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，国内还 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 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丝按 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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 图图 2-12-1 英国法条收音机原理图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下图。 图图 2-22-2 机械充电式手电筒机械充电式手电筒 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 结构中主要利用率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 2-3.从日本将工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，从而可以是手表正常工作。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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 图图 2-32-3 日本精工人动电能手表内部结构图日本精工人动电能手表内部结构图 三、本课题的研究内容及技术方法路线三、本课题的研究内容及技术方法路线 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。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，见图 3-1。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，除上面提到的等候表、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，使的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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 图 2-4 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，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。 图图 3-13-1机械电池原理图机械电池原理图 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 3-2. 图图 3-23-2 机械电池工作流程图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问题。本研究的技术路线如图所示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 图图 3-3研究技术路线流程图研究技术路线流程图 总之 ，在机械电池的设计过程中，既要在材料的选取药充分考虑如何达到 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诊，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内，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。 下面将分别对我们在机械电池的驱动机构设计、储电气设计 、电机与传动 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 机构和实验反面所做的工作加以介绍。 四、目标、主要特色及工作进度四、目标、主要特色及工作进度 以下将具体设计几种机械电池的驱动机构、发条的选择和参数优化设计、发 条驱动结构外部设计等做一介绍，这些机构将在后面的机械电池的制作中采用。 4.14.1 摇柄式驱动结构摇柄式驱动结构 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，其结构见图见图 4-1，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。 图图 4-14-1 手摇式机械电池原理示意图手摇式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。 4.24.2 拉绳式驱动结构拉绳式驱动结构 拉绳式驱动结构由转盘、发条、细绳索、外部框架组成，如图 4-2 所示，将 发条放在转盘中，发条一端固定在转盘上，而另一端则固定在外壳上，转盘和变 速器连接在一起，绳索缠绕在转盘外围，并延伸到外壳的外部，这样一旦拉动绳 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 索， 就会带动转盘和法条， 发条由于有一段固定在外壳上面， 所以发条会被缠绕， 从而能够存储一定的势能，当放松拉绳的时候，变速器会在发条的带动下转动， 从而使发电机工作。 图图 4-24-2 拉绳式机械电池原理图拉绳式机械电池原理图 4.34.3 发条驱动机构发条驱动机构 发条驱动结构的原理是：将微型发动机与传动装置的输出端相连，而传动装 置的输入端与机械动力源蜗卷弹簧相连，当手动上紧弹簧后，弹簧恢复原状会通 过变速器将转速与转矩通过联轴器传递到发电机轴上，带动发电机发电。 4.44.4 发条的选择和参数优化设计发条的选择和参数优化设计 本文提出了 S 形标准条盒发条的优化设计方法， 文中的优化数学模型是以发 条机构所占空间为目标参数，以计时仪器所要求的工作性能为约束条件，采用约 束坐标轮换法进行优化。优化结果比常规设计不仅发条工作性能有所改善，而且 所占空间缩小了 4.57%，节省材料 4.592%。 在钟表机构中， 发条变形而释放出能量， 从而维持振动系统作不衰减的振动， 并且带动指针机构或附加机构（如闹时机构等）运动，使计时仪器正常运行。对 小型计时仪器，如手表和怀表等，目前我国均采用 S 型发条，其外形如图 4-3 所 示。发条几何尺寸的确定是发条设计的重要内容，所设计的发条几何尺寸合理， 就能使之在有限的空间内获得较大的输出力矩和工作转速， 以尽可能长时间的维 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 持仪器正常工作。目前，我国普遍采用常规方法进行发条设计，用手工计算并经 反复验算来确定不分级和参数，随着计时仪器小型化发展趋势和设计要求的提 高， 需要设计出占空间不仅小而且能满足工作性能要求的发条。为克服常规设计 方法的复杂和繁琐，本文用优化方法研究了标准盒发条的设计问题。 图图 4-34-3S S 型发条的外形型发条的外形 4.54.5 毕业设计毕业设计( (论文论文) )工作内容及完成时间：工作内容及完成时间： 1. 查阅相关资料，外文资料翻译（6000 字符以上） ，撰写开题报告 第 01 周第 04 周 2阅读有关机械电池设计的相关理论第 05 周第 06 周