小型自发电照明系统-手压式发电机构系统设计【4张CAD图纸+毕业论文】
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目录
1. 前言 2
2. 小型自发电照明系统总体框架研究 2
2.1 小型自发电照明系统的方案研究 2
2.2 小型自发电照明系统的分类 3
2.3 机械能供电照明系统的分类 3
2.4 手压式供电照明系统的分析 3
2.5 小型发电机结构分析 4
2.6手压式自发电台灯照明系统 4
2.7手压式自发电照明系统电路的设计与分析 4
3 小型手压式自发电照明系统的研究 5
3.1 LED的发光原理分析 5
3.3发电机材料选择与应用 8
3.4 供电电池的选择 9
4手压式自发电照明系统传动系统设计与分析 10
4.1 传动系统设计 10
4.1.1 传动系统简图 10
4.1.2 齿轮相关参数设计 11
4.2电机部分设计 13
4.2.1电机参数及相关计算 13
4.2.2发电机的结构特点 14
4.2.3发电机的使用特点 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
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LED点亮。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
2.1 小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,LED的发光原理分析及发展,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。






- 内容简介:
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毕业设计答辩 学生: 曹松雍 小型自发电照明系统 小型自发电照明系统总体框架研究 手压式自发电照明系统传动系统设计与分析 传动系统设计 电机部分设计 前言 目录 前言 本文讨论了机械能供电系统及如何用手摇发电机来对可储电池进行充电,从而带动 为照明系统的电力源。 阐述了充电电路设计, 电机构材料选择,发电机构的设计,及齿轮的参数计算,以二级增速传动为机械转换机构。 动力将从手柄传至原动系,带动发电机运转 。 手压式供电照明系统的分析 发电机结构原理分析 发电机材料选择与应用 供电电池选择 手压式照明电路分析 统 1 2 3 4 5 手压式机械能供电 1 图 5 手压式机械能供电系统分析概图 手压机械发电机 整流电路 储能电容 蓄电池组 控制开关 定子 小型发电机 结构分析 棘轮与 棘轮附件 电机系 统转速 线圈匝 数计算 转子 手柄 齿轮 棘轮 电机转子 传动系统结构图 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 轮根为 齿轮 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。 定子 定子设计的效果图 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。转子内镶嵌永久磁铁,磁铁内径 4毫米,外径 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。 转子 转子设计的效果图 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 棘轮与棘轮附件 设计的效果图 系统转速 :主动齿轮 81个齿直接驱动棘轮上的 10个齿,线速度为 。 装配系统 设计的效果图 照明电路的设计 1 电路有自发电机,整流桥,储电电容 00池是可充电的三节 池是可拆卸的,单刀单控开关,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。 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 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 。 电机部分设计 设计的效果图 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。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 发电机的结构特点 发电机的额定转速为 3000r 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=个增速齿轮为 5, m=增速比 t=动转速则为 148r s,通过齿轮组将手动的速度变为 25r s,正好适合人的操作 。 发电机的使用特点 学生: 曹松雍 谢谢各位老师 河南科技学院本 科毕业论文(设计)中期 进展情况 检查表 学生姓名 曹松雍 班级 042 班 指导教师 丛 晓 霞 论文(设计)题目 小型自发电照明系统 目前已完成任务 上查找相关毕业设计的资料,能够自己独立的阅读部分资料,毕业设计的过程建立整体概念; 器元件的选择,充电电路的设计等工作 ; 动系统简图 齿轮相关参数设计 电机部分设计 电机参数及相关计算 ; 电机的使用特点 等 。 是否符合任务书要求进度: 符合 尚需完成的任务 1.用 出具体 的电路图及发电机构图、元件联接 图 ; 能否按期完成论文(设计): 能 够按期完成毕业论文。 存在问题和解决办法 存 在 问 题 器元件的选择,充电电路的设计等工作 ; 电路图及发电机构图、元件联接 图。 拟 采 取 的 办 法 同学帮助下,尽快 完成结构设计 ; 画出图形 ; 按时 完成毕业设计 任务、提交毕业 设计报告 。 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长(主任)意 见 负责人签字: 年 月 日 河南科技学院本科生毕业论文(设计)任务书 题目名称 小型自发电照明系统 学生姓名 曹松雍 所学专业 机械设计制造及其自动化 学号 20040114019 指导教师姓名 丛晓霞 所学专业 机械 职称 副教授 完成期限 2008 年 12 月 12 日至 2009 年 6 月 5 日 一、论文(设计)主要内容及主要技术指标 熟悉 自发电照明系统 的 工作原理,了解现有的 自发电照明系统 的结构和原理, 综合 自 发电照明系统的结构与原理,进行发电机构的设计、电器元件的选择, 充电电路的设计等工作,并进行电器元器件的选择, 画出具体 的电路图及发电机构图、元件联接 图。 进行 发电机 系统 的 结构 设计、电器元件的选择 、 充电电路的设计等工作, 画出具体 的电路图及发电机构图、元件连接 图。 二、 毕业论文(设计)的基本要求 制编程 。 文)一份:有 400 字左右的中英文摘要,正文后有 20篇左右的参考文献,正文中要引用 5 篇以上文献,并注明文献出处。 000 汉字的与本课题有关的外文翻译资料; 0000 字以上; 4. 具体的图纸与单片机控制程序 。 三、毕业论文(设计)进度安排 12 月 16 日 12 月 21 日,下达毕业设计任务书;寒假期间完成 英 文资料翻译和开题报告。 2. 2009 年 2 月 16 27 日(第 1),指导教师审核开题报告、 设计方案 和英 文资料翻译。 3. 2009 年 3 月 2 日 24 日(第 3),毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 20 日 30 日(第 10),毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日 22 日(第 12),设计仿真、程序调试、线路板 制作调试, 整理、撰写毕业设计报告 。 6. 2009 年 5 月 25 5 日(第 15)上交毕业设计报告 ,指导教师、评阅教师审查评阅 设计报告 , 毕业设计答辩资格审查。毕业设计 答辩 , 学生修改整理 设计报告 。 河南科技学院 2009届本科毕业论文(设计) 论文题目: 小型自发电照明系统 学生姓名: 曹松雍 所在院系: 机电学院 所学专业: 机械设计制造及其自动化 导师姓名: 丛 晓 霞 完成时间: 2009 年 5月 20 日 摘 要 随 着各种器件对供电电源的长时间供电和结构小型化的要求日益迫切,而物理电源具有无损检测、可重复使用、可长期储存和良好的高低温特性,又由于高性能永磁体的出现,使得微型自发电电源受到了广泛的关注。 本文讨论了机械能供电系统及如何用手摇发电机来对可储电池进行充电,从而带动 泡进行日常照明的工作原理,成为照明系统的电力源。首先阐述了充电电路设计, 光原理,发电机构材料选择, 发电机构的设计,及齿轮的参数计算,以二级增速传动为机械转换机构。动力将从手柄传至原动系,带动发电机运转。 发电机是一种微型 的直流发电机,通过对转子的转动速度来计算此发电系统最终能产生多大功率和提供多大供电电压,将计算结果和实际上所能产生的功率和电压作比较,分析各种影响关系,得出制作此微型自发电系统的最佳设计尺寸。 关键词 :机械转换机构, 发电机 , 充电电路 a of of of of it be a he of it by to to to on a to on of of to an ED a of of to to to to an is a C of to of us to to a of be on a we of we a on of we To we to NR us to us a of NR be be of to be is is be by be to or of Do to of or to is by a a to is a is a to is a is to is to of is in is to be or to is or of a or of it of 4. is in as To to a to to be of To to a to a a 90 40; 0101; 92 96 03; 42 30 (on NR to (of 01 (of 01 (of 01 (of 02 00 (of 01 (of 40 (28; 0100; 30; to of as of of a of a up to or of a of to a (1) to a (2) (3) (4) to (5) is a a be of or to NC -4 a of R 71 to a to a at a of 71 a of to of of is of in A to be In to be to a it it a Z to on 71 to on of we to of A 71 85 750 is is or of is or of we to 03 of an on of we to 01 of an on of we to 0750 of an of No is of is of in a If we to 0500 of we it 500. of a of an in of an 0 of an is of we it to a a 6). We NR of 20; 40; 0101; 92 00 96 03; l (to 71 65 600 (of 01 :(of 01 X,500 (of 01 (of 02 00 (of 01 (of 28; 0100; 30; 70 a on is a by a of of A be in is it by a As in to be to a Z or to of 70 we 90 40; 0101; 92 96 03; (to 71 65 U,03 600 (,375; (of 01 :,01; (of 01 (of 01 (of 02 00 5 (of 01 (of 74 of 74 to of of , Z, 74 5 is is of X is is of is of is be to a in 0.0 to of 74 be PM a 20; 40; 0606; (6, 92 97 03; (00) (to of 200 of an in of 74 (28 (to 0600; 30; is to of To be to of to a of be to a of 7S O is is at of is of is of I is of on K is of on at of to of to to of is he to of to be It is to a a a at a a be a 90 40; 0505; (5, 92 96 03; l (to at of of 75 (28 to 0500; 30; is to a is If is as it be as to in 76 of By of of To 76 to be 76 0147 is of is of of 10.0 is is a be is as a ). is of in a be in F is 1 by of be . A is of to 76 be to of be in of by a of at be of be in 76 90 40; 0505; (5, 6092 97 5300 (PM (Z in of (X to 76 25 120 F. 0833 (28; (0500; 30; be a we an of we to to to 1 10N 7/03/95 1 80 2 35 3 4 60 5 1 1 . of 2. of 3. 4. to on a 5. is or 6. of 7. is to 100 of an of a 8. a be 9. or of a 10. be to of a 11. 12 se 2. 13. se 3. se 3. 翻译部分 图 9刀具的实际走刀路线并不是我们编程时写的那 样,如果不使用刀尖半径补偿的话,就得需要大量的数学计算 当我们设置了 X 和 Z 轴的工具,我们就为机床上的刀具建立了一个点。大部分的刀具,我们使用的时候有半径误差。以补偿为半径,我们需要使用 偿,从而节省了我们不必在数学上计算刀具轨迹(见图 9偿,我们也可以使用到各种刀具上。 偿能力,插入半径大小可以被忽略,以及部分可以编程。确切的大小刀具将要采用时需要调入,当补偿调入后,刀具路径将自动抵销刀具半径。 刀 尖半径补偿,可以是左刀补也可以是右刀补。先确定自己的走刀路线,再决定是采用左刀补还是右刀补。你 想 让自己的程序是左刀补还是右刀补呢(见图9 图 9尖半径补偿 补偿的方向是由 G 代码控制。当应该是左刀补时,就应该调用 令。当应该采用右刀补时,就应该调用 使用这些刀具补偿代码时,您需要指定多少控制器,大小半径,来进行刀尖半径补偿,这是通常被使用的方法。文件下工具的数据正在使用时,刀尖半径的资料才能确定。 其他必要的信息,为了保证是正确的补偿是刀尖的方向向量。该刀具提示或假想 车刀的刀尖有一个特定位置或方向,从中心的刀尖半径。该刀尖半径告诉矢量控制哪个方向,它必须弥补个别类型的刀具。标准刀尖半径的方向向量如图14 。方向向量的数目通常是放置同样的刀具,抵销了车床上的作为半径数值。 图 9尖半径方向矢量 引用补偿,程序将不得不作出定点移动。以确定其目前的位置,并作出必要的调整,从刀具的优势定位,以刀尖半径定位。这个调整动必须大于半径价值的刀具。取消刀具补偿,程序员必须作出定点移动,调用刀具补偿取消指令( 。 9数据是普通的刀尖半径补偿实例。其程序 如下: 90 40; 0101; 92 96 03; 42 30 01 01 01 02 00 01 40 28; 0100; 30; 图 9尖半径补偿的程序使用 固定循环 固定循环的使用,可以简化重复的编程,例如粗糙的转弯,线程,并开槽。固定循环套用程序指令,不再需要许多的编程。编写一个简单的一部分,而不使用固定循环可能需要长达 4 或 5 倍的行数才能完成所需要的编程部分。调用固定循环需要先编 写一个简单的程序: ( 1 )设置合适的 X 和 Z 轴并做快速点位移( 。 ( 2 )设置适当的刀具导程角, ( 3 )调入走 刀 路线 。 ( 4 )设置快速回刀 ( 5 )调入走 刀 路线。这样只有两个过程。固定循环一个循环可以做一个路线指定。固定循环是最常见的数控机床指令。见图 9控机床最常用的指令表。 外园粗车固定循环 (该 令能自动循环粗车一个工件的直径到某一切削深度 达到某个特定直径 。环 读取指定数目的块,以确定部分 工件 资料,并确定每 次走刀路径 ,切 削深 度 ,以及有多少 次的 重复 循环 。切割 是在 Z 轴方向 上 通过并行动作的 刀 具。某一个程序需要时予以遵循使用 固定循环 。在程序 运行之前 ,该 刀 具必须处于正确的位置。这个程序有一个双重的目的:它告诉控制 器 多大的 余量 ,和它 现在 的 即 刀 具 下次循环需要走的路径 。该 途的信件给控制器的资料部分设定档, 余量的多少 我们要 进行多少次切削以及 切削深度,进给速度 。 固定循环 的命令如下: 71 85 750 粗车循环调用是粗车循环的起始地址行 粗车循环的结束地址行 诉控制器,我们要在 X 轴方向上上移 位来结束程序 诉控制器,我们要在 Z 轴方向上上移 位来结束程序 粗车的进给量。 下面我们利用图 9举例 ,为了便于理解,我们消除了 偿,使用了粗车固定循环(见图 9 16 ) 。 90 40; 01 01; 92 00 96 03; 00 30 71 65 600 00 01 : 01 X,500 01 02 00 01 00 28; 0100; 30; 图 9车循环举例 精加工循环 70 指令是对 完成部进行份计算描绘 ,然后运行程序在该部份完成其切削加工。 结束循环在一个地址符后与 起被调用 ,P 为那完成部份循环的起始行 , Q 为那完成部份循环的结束行。当那结束循环命令被调用时 ,结束循环的进刀量同时也被指定。它读那计画阻塞指定被 P 和 Q 而且制定一终结周期。当做在那使周期粗糙 , 那工具需要是放置对 Z 清除。在那之前调用 束循环。 90 40; 0101; 92 96 03; 00 71 65 U,03 600 00 X,375; 01 :,01; 01 01 02 00 5 01 00 端面啄式钻孔循环 (端面啄式钻孔循环是通过 自动的刀具伸缩来完成切削的。 令接替者对控制器逐渐增加深度削减 ,并通过比较完成指令变数 K 、 Z 和 E 。下个指令表为 端面啄式钻孔循环正确 的格式: 74 5 指程序被调用 工工件的起始点 指在 Z 方向上的加工深度 指每次进刀的吃刀量 指进给量 调用程序前,我们必需给程序设定相对的坐标,刀具的运动也得编写程序调用 单的 端面啄式钻孔循环 测验如图 9 17。 举例如下: 00 40; 06 06; 92 97 03;河南科技学院本科生毕业论文(设计)开题报告 题目名称 小型自发电照明系统 学生姓名 曹松雍 专业 机械设计制造及其自动化 学号 20040114019 指导教师姓名 丛晓霞 所学专业 机械 职称 副教授 完成期限 2008 年 12 月 22 日 至 2009 年 6 月 5 日 一、 选题的目的意义 随着各种器件对供电电源的长时间供电和结构小型化的要求日益迫切,而物理电源具有无损检测、可重复使用、可长期储存和良好的高低温特性,又由于高性能永磁体的出现,使得微 型自发电电源受到了广泛的关注。 二、国内外研究现状 目前,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摇式的和手压式的。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 亮。 三、主要研究内容 本文讨论了机械能供电系统及如何用手摇 发电机来对可储电池进行充电,从而带动泡进行日常照明的工作原理,成为照明系统的电力源。首先阐述了充电电路设计,光原理,发电机构材料选择,发电机构的设计,及齿轮的参数计算,以二级增速传动为机械转换机构。动力将从手柄传至原动系,带动发电机运转。 电机构材料选择, 发光原理分析及发展,供电电池选择,手压式照明电路分析等。 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。 观性,客观性,适当的对研究的范围进行塞选。 五、 主要参考文献与资料 1刘全忠 M,天津大学电工教研室编, 1999 2童诗白,华成英 M,高等教育出版社, 2000 3郭培源 M,北京:高等教育出版社, 2001 4付晓林 M,重庆:重庆大学出版社, 2002 5崔体人 M,浙江:科学技术出版社, 2003 6景卫兵 ,王宇华 动电路设计 J,中国集成电路 ,8 51 7郭建尊 M,北京:中国劳动保障出版社, 8杨晓光 J ,家庭电子, 5 20 9杨光 见的连接形式及特点 J,灯与照明 , 31( 1) 10周磊,王元航 J,物理教师, 2006 27( 1) 11杜钦君 J,农业机械学报, 35 (1) 12胡建人 明工程技术发展研究 J,仪器仪表学报, 28(4) 13平喜 J,实验教学与仪器, 3(12) 14晓俊 J,通信电源技术 ,3( 6) 15体二极管参数与代换手册编写组 M,上海:上海交通大学出版社, 、 指导教师审批意见 签名: 年 月 日 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 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, 发光原理分析及发展,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 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 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 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 N 区能带图 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 /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 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 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 光,又可以为电容充电。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 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 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 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
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