毕业论文-小型自发电照明系统手压式发电机构系统设计Word下载.doc
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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
3.1LED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。
2.2小型自发电照明系统的分类
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
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。
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
2.3机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。
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
LED的发光原理分析
LED的发展
供电电池选择
手压式供电照明系统的分析
2.4手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
2.5小型发电机结构分析
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
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。
2.6手压式自发电台灯照明系统
手压式机械能供电LED灯系统设计与分析
手压机械发电机
整流电路
储能电容
蓄电池组
控制开关
LED
图5手压式机械能供电系统分析概图
2.7手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C1是100F的,电池是可充电的三节CR2032电池,电池是可拆卸的,单刀单控开关,当K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LED灯。
R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
3.1LED的发光原理分析
LED是由Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体制成的,其核心为PN结,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P区和N区各自有不同的费米能级因此,P区与N区刚接触时必处于一非平衡状态如图7所示[10]
图7P区-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,PN各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,N正电荷积累,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UD,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,PN结处于平衡态,P区与N区的费米能级重合,即PN结具有统一的费米能级EF[11]。
如图8所示。
图8P-N平衡能带图
当在P-N结施加正向偏压时,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P-N结进入对方区域而成为少数载流子,当进入P区的电子与P区的空穴复合,进入N区的空穴和N区的电子复合时,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]。
P-N结致电原理图如图9所示。
图13P-N结致电原理图
图9P-N结致电原理图
3.2LED的发展
LED(lightemittingdiode)是发光二极管的英文缩写,它是一种电致发光器件。
目前,LED产业已经走过了它的发展初期和中期,普通LED的应用已经成为过去,高亮度LED的使用也已无需着力推广。
另外,中小功率超高亮LDE亦已诞生,并正在以极快的速度走向应用。
这些情况都表明,LED产业的发展已经进入到了成熟期。
虽然以LED为核心的科研、生产、应用已经具备了相当的规模,但LED的低功耗、长寿命、高可靠、抗冲击、快响应等诸多优点仍会进一步推动LED产业的发展,因此我们有必要把握一下LED产业的脉搏,从而更好地为LED的研究、生产和应用提供帮助。
新型半导体材料的应用,LED能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,HenryJosephRound第一次发现碳化硅SiC的电致发光现象,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,LED作为一种新型电光源,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SiC发现之后,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GaAs人工制造出了第一个发光二极管。
1968年利用GaAsP又研制出了商用655纳米的红色LED。
聪明的科技人员同时还意识到,LED仅有单红色,显然不能满足实际应用的需要,由此展开了各种单基色LED乃至全彩(白色)LED的研究。
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LED的电光转换效率面对LED拥有的诱人前景,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LED的亮度问题展开研究,因为亮度在很大程度上也左右着LED的应用推广。
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LED的发光效率也有变化。
一系列材料的开发,特别是高效GaAlAs和超高效InGaAlP发光材料的成功开发使LED的电光转换效率大大提高,为LED的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LED的发光效率只4-5流明/瓦(lm/W),随着荧光粉技术的改进,白色高亮度LED的光效已增加15-20(lm/W),这个值已经介于白炽灯14(lm/W)和紧凑型荧光灯50-87(lm/W)之间,用于照明的广阔前景已经初露端倪。
可以预计,LED的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。
LED的亮度与寿命是一对矛盾通常情况下,3.5V供电时,流过LED的工作电流在20mA左右,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3.8V时,通过LED的电流则会上升到50mA,超过了LED正常使用的标准,LED的寿命会大幅度缩短,光衰减会大大加快当电压达到时上的电流则会达到;
4.2V,LED光衰减极大而且会很快烧毁因此我110mA,LED,们在使用时需要使用一定的限流措施从而兼LED,顾亮度和寿命两方面。
LED的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LED应用推广的步伐世纪20世纪50年代第一款现代意义上的LED诞生后,商用的红外LED则被迅速地应用到了感应等光电领域。
60年代第一款可见光LED研制成功后Monsant公司更是直接将商用的红光LED用作了指示器,HP公司则是将商用的红光LED用于了电子显示设备。
由于这些公司在电子设备中大量使用LED,使LED的应用得到了大力的推广。
LED前景十分美好LED的应用虽然已经具有了很广的范围、很大的规模,但是,由于LED拥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,LED有着更为美好的前景。
LED优点众多、技术发展的空间很大目前技术条件下,LED已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,LED已经实现了多个波长的单基色,有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等,基本满足了应用领域对LED色彩的要求,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LED的寿命期内,LED差不多都能稳定的工作,维护工作量极小;
四,电气安全性高,LED一般工作在低电压(6-24V)、小电流(10-20mA)情况下,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,LED的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,LED可进行低压供电,也可110V/220V电源供电,加上单粒LED的体积小(芯片更小,只用3-5平方毫米),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LED的亮度、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,LED的坚固、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,LED的响应速度在毫秒级,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LED目前的显色指数Ra达到了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LED光源,这是目前世界功率最大的LED光源,而深圳“2007年LED技术论坛峰会”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LED的最新技术,并宣称他们已经成功地开发出了100(lm/W)的高效率、高亮度LED,有人预计,LED的最终发光效率可以达200(lm/W),而目前大部分家用照明采用的白炽灯,其光效约为8(lm/W)。
总之,随着技术的发展,LED的优点会更优,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[12-13]。
3.3发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[14-18]。
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(Fe,Co)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Fe和Co,有高的Ms和Tc,是磁性基本元素。
4f稀土族金属Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy具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500kJm3磁体在技术上的重复性和开发高矫顽力Sm2Fe17Nx粘结磁体、纳米复合磁体上。
纳米复合磁体纳米复合磁体就是由高Ms的软磁相和高Hc的硬磁相而以纳米(<
10nm)结构为基础组成并通过交换耦合的紧束缚作用使软磁相磁硬化的永磁材料,又称为双相纳米结构交换耦合永磁材料,被视为永磁材料发展的一个新的里程碑。
又由于烧结工艺会导致晶粒长大,不易得到纳米结构,因此只能作粘结磁体,且有热稳定性好、耐蚀、高剩磁、低稀土金属含量,通过加微量Nb、V和M0可提高其矫顽力,充磁特性好等优点。
间隙型氮化物稀土永磁材料NdFeB永磁的磁性虽然很高,但居里温度偏低,工作温度一般低于150℃,剩磁温度系数较高(-0.13%℃),而氧化耐蚀能力差。
90年代后,为进一步降低成本,又积极探索新型稀土永磁材料。
人们发现稀土(Re)-铁(Fe)二元化合物,Fe-Fe原子间的距离太近,Fe的磁矩区域性强,受其近邻原子影响较大,导致化合物磁性下降。
如果引入间隙原子(如N.C.H等)到晶体结构中,因晶胞膨胀导致Fe-Fe原子间的距离增大,Fe-Fe原子间交换能增强,使Fe原子平均磁矩提高,居里温度(Tc)提高。
于是将N原子引入Re-Fe二元合物中形成了氮化物稀土永磁材料(主轴型高矫顽力),取得了可喜的成绩,其中329合化物已进入实用阶段。
这些化合物中的N原子超过400℃时会逃逸出晶格而分离出来,因此不宜作烧结磁体只宜作粘结磁体。
稀土永磁的发展方向目前稀土永磁开发动态趋向,一是降低稀土与钴含量,二是改进和提高性能。
到21世纪初,稀土永磁开发重点将主要集中在NdFeB合金、Sm2Fe17Nx合金、双相纳米晶复合磁体及R3(Fe,M)29Z(329)化合物等几个系列上,其主要方向是:
磁体性能综合化,当代高科技的发展要求产品和构件必须小型轻量化、高精密化、大容量化、稀土永磁要真正全部都达到三高要求,唯纳米复合稀土永磁最有希望;
同时还要求稀土永磁具有高Tc、低温度系数,良好的耐蚀性和热稳定性,以改善和提高对工作环境的适应能力[18]。
3.4供电电池的选择
可充电电池有5个主要参数:
电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。
电池的容量由电池内活性物质的数量决定,通常用毫安时(mAh)表示,1000mAh就是能以1A的电流放电1h,换算为所含电荷量大约为3600C。
电池正负极之间的电势差称为电池的标称电压。
标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。
当环境温度、工作状态变化时,电池的输出电压略有变化;
此外,电池的输出电压与电池的剩余电荷量也有一定关系。
一般情况下单元镍镉电池的标称电压约为1.3V(一般认为大约是1.25V),单元镍氢电池为1.25V,单元锂离子电池为3.6V。
电池的内阻由极板的电阻和离子流的阻抗决定,在充放电过程中,极板的电阻是不变的,但离子流的阻抗将随电解液浓度和带电离子的增减而变化。
一般来讲单元镍镉电池的内阻为7~19mΩ,单元镍氢电池的内阻为18~35mΩ,单元锂离子电池的内阻为80~100mΩ。
可充电电池充足电时,极板上的活性物质已达到饱和状态,再继续充电,蓄电池的电压也不会上升,此时的电压称为充电终止电压。
单元镍镉电池的充电终止电压为1.75~1.8V,镍氢电池为1.5V,锂离子电池为4.2V。
放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。
如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电,电池两端电压会迅速下降,形成深度放电,这样,极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复,从而影响电池的寿命。
放电终止电压和放电率有关,一般来讲单元镍镉电池的放电终止电压为1.1V,镍氢电池为1V,锂离子电池为2.7V[20-22]。
锂电池分成两大类:
不可充电的和可充电的。
不可充电的电池称为一次性电池,它只能将化学能一次性地转化为电能,能将电能还原回化学能,锂二氧化锰电池等。
可充电的称为二次性电池,就是俗称的锂离子电池Li-Ion。
锂离子电池的正极是
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- 毕业论文 小型 自发 照明 系统 手压式 发电 机构 设计