機械式環(huán)保電池設(shè)計

摘 要：本文提出了一個將機械能轉(zhuǎn)變成電能的機械環(huán)保電池的設(shè)計方案。其工作原理是內(nèi)部配重飛輪的轉(zhuǎn)動或者底部搖動手柄，通過其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速傳遞到發(fā)電機發(fā)電，通過內(nèi)部電路濾波整流后儲存在電容器中供耗能元件使用。本設(shè)計可以避免化學電池對環(huán)境的污染，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機械電池；環(huán)保電池；綠色能源

中圖分類號：TM911 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0036-03

Design of Mechanical Battery for Environmental Protection

ZHONG Weibin

（GeeTwo Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528312，China）

Abstract：In this paper，a design of mechanical battery for environmental protection，which convert mechanical energy into electrical energy is introduced. The working principle of the battery is the flywheel or rotating shaft，which are parts of the battery，to drive a generator and filter circuit to produce electricity for use. This battery can prevent the pollution of chemical battery，and it can be widely used for environment protection.

Keywords：mechanical battery；pro-environment battery；green power

0 引 言

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，綠色環(huán)保機電產(chǎn)品逐漸成為一個熱門的研究方向[1]。在一些小型的環(huán)保機電產(chǎn)品中，人體機械能、動能、太陽能等綠色環(huán)保能源經(jīng)常被轉(zhuǎn)換成合適的能源供電器產(chǎn)品使用。

如20世紀90年代初[2]，日本精工集團制造了一款人動電動手表，通過人體的運動驅(qū)動慣性飛輪帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并發(fā)生磁場切割產(chǎn)生電流，并把電流存儲在大容量電容器中，最終為手表供電。同期，英國也發(fā)明了機械式發(fā)電收音機，通過人工轉(zhuǎn)動發(fā)條，將發(fā)條的彈性勢能通過小電機轉(zhuǎn)換為電能，并為收音機供電。但目前這些產(chǎn)品基本都是通過單獨設(shè)計一套能源收集、轉(zhuǎn)換、儲存系統(tǒng)以配合產(chǎn)品的功能使用需求，不具有通用性。

同時，化學電池由于通用性較強，被應(yīng)用于多種電器產(chǎn)品場合，但由于化學電池本身的特性影響，其環(huán)保性能較差，生產(chǎn)及報廢處理均容易對環(huán)境造成污染。

基于以上考慮，本文提出一個機械式環(huán)保電池的設(shè)計方案，其原理是內(nèi)部配重飛輪的轉(zhuǎn)動或者底部搖動手柄的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，發(fā)電機產(chǎn)生的電流通過內(nèi)部電路濾波整流后儲存在電容器中，供后續(xù)耗能產(chǎn)品使用。

由于該機械電池外形與通用化學電池一致，因此在不更改用電產(chǎn)品電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，直接替換原有的化學電池進行供電使用，這樣更有利于保護環(huán)境。

1 機械式電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為機械電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，電池由機械部分和濾波蓄能兩個部分構(gòu)成。機械部分由小型交流發(fā)電機、飛輪以及變速裝置構(gòu)成；濾波蓄能部分由濾波整流回路、過壓保護回路和電容構(gòu)成。其中機械部分的主要功能是將平時不能利用的機械能轉(zhuǎn)化為電能，而濾波蓄能部分要將隨機的、不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能儲存起來，并穩(wěn)壓輸出供耗能元件使用。

其中飛輪的主要作用是將耗電產(chǎn)品使用過程中（如鼠標、遙控器等）的部分機械能轉(zhuǎn)換為自身的轉(zhuǎn)動，通過變速器增速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

若耗電產(chǎn)品在使用過程中是靜止不動的（如小夜燈）或者電池電量過低時，可以通過電池底端的快速充電口，手動驅(qū)動內(nèi)置電機進行快速充電，如圖2所示。充電搖桿在不使用的時候可以收縮放置在電池底部，防止丟失，如圖3所示。

2 機械式電池發(fā)電機設(shè)計

該機械電池電能來源于交流發(fā)電機，而交流發(fā)電機是讓飛輪通過變速器帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，進而進行發(fā)電。由電機理論知識可知交流發(fā)電機相電動勢：

；τ=π×d/2=π×0.009/2=0.01414m；l=0.02m；取m=2.5mm，n為1/6圓周的60%，則每個槽的截面積為：S=m×n≈2.5×12×π/6×60%=9.425（mm2）；由于導線越細，電阻越大，不能為了提高每個槽的導體數(shù)而采用最小直徑的漆包線，綜合直徑和電阻兩方面考慮，采用直徑為0.16mm，電阻為0.8502Ω/m的導線，即截面積為S0=0.02011mm2，則每個槽可放導體數(shù)為Nc=S/S0×75%=9.425/0.02011×75%=352，其中75%為實際可放導體數(shù)與理論可放導體數(shù)的比例系數(shù)。每繞一圈導線的長度為0.07m，所以一相線圈的總電阻為R=0.07×352×0.8502=21Ω。

。

設(shè)計變速器的增速比為42，即飛輪轉(zhuǎn)動1圈變速器輸出端可轉(zhuǎn)動42圈。由公式（1）可知，產(chǎn)生的電壓跟增速器的輸出轉(zhuǎn)速有關(guān)，而增速器的輸出轉(zhuǎn)速與飛輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)。假設(shè)每秒轉(zhuǎn)0.15圈，即增速器輸出端每秒可轉(zhuǎn)6圈，由公式（1）可算出產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為3V。再通過整流濾波電路即可為儲能元件進行充電。

3 機械電池濾波蓄能電路設(shè)計

電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能經(jīng)過三相整流濾波之后，穩(wěn)壓給超級電容充電，最后通過三端穩(wěn)壓管產(chǎn)生1.5V的穩(wěn)定電壓供用電器使用。具體的仿真電路如圖5所示。

其中用三相正弦電壓源模擬電機產(chǎn)生的電壓，其有效值為3V，每相等效內(nèi)阻取20Ω（由上文電機內(nèi)阻的計算可得）。三相整流橋的整流二極管使用導通壓降較小的肖特基二極管rd705d，濾波電容選用反應(yīng)速度較快的大小為0.01μ的普通電容，超級電容容量取10F，通過saber的電路仿真可以看出，濾波后電路以5V左右的電壓給電容器進行充電。最后通過1.5V的三端穩(wěn)壓管可以輸出1.5V的穩(wěn)定電壓供給負載。由于耗電產(chǎn)品實際使用過程中移動幅度大小不一，所以產(chǎn)生的電壓大小也不一樣。因此需在電路的前端，即濾波整流后加入一個穩(wěn)壓電路，主要由三端穩(wěn)壓管LM2930T-5.0構(gòu)成，其輸入范圍為：-12V～+40V，可以滿足設(shè)計需求，輸出電壓5V可以給超級電容充電。

同時，本電路還帶有過壓保護功能，如圖5所示，其中R1、R2、R3和穩(wěn)壓二極管bzx79a5v6、三極管mmbt2907a_sl共同構(gòu)成了過壓保護電路。當電容充滿電時，如果再對其充電會導致兩端電壓上升，當上升到5.6V時，過壓保護觸發(fā)，穩(wěn)壓二極管導通，從而使三極管的門極電壓等于源極電壓，使其關(guān)斷。斷開前級的供電，完成過壓保護，從而保護了電容以及后級電路。

4 結(jié) 論

本文通過結(jié)構(gòu)布局、電機與電路設(shè)計，提出了一款機械式環(huán)保電池的總體設(shè)計方案。該機械電池與化學電池相比具有以下優(yōu)勢：

（1）綠色環(huán)保。避免化學電池在生產(chǎn)過程中和丟棄之后對環(huán)境造成的污染；（2）可隨時充放電。機械環(huán)保電池在小功率的應(yīng)用場合具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑC械環(huán)保電池還可以給手機、手電筒進行應(yīng)急充電等，具有很大的應(yīng)用空間；（3）使用壽命長。普通化學電池是有一定的有效期的，并且久置在耗電元件中還會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，對接觸電池的電極產(chǎn)生腐蝕，從而影響使用。而機械電池只要內(nèi)部裝置不損壞，便可一直使用。

參考文獻：

[1] 孫冬生.淺談環(huán)保機械電池的設(shè)計 [J].才智，2012（13）：44.

[2] 謝士國，黃平.微機械電池及其充電器開發(fā)研究 [J].現(xiàn)代制造工程，2002（4）：46-48.

作者簡介：鐘偉斌（1989-），男，廣東揭陽人，碩士。研究方向：機械電子設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。