機械式環保電池設計

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

關鍵詞：機械電池；環保電池；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.，Foshan 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

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

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，通過人體的運動驅動慣性飛輪帶動轉子旋轉并發生磁場切割產生電流，并把電流存儲在大容量電容器中，最終為手表供電。同期，英國也發明了機械式發電收音機，通過人工轉動發條，將發條的彈性勢能通過小電機轉換為電能，并為收音機供電。但目前這些產品基本都是通過單獨設計一套能源收集、轉換、儲存系統以配合產品的功能使用需求，不具有通用性。

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

基于以上考慮，本文提出一個機械式環保電池的設計方案，其原理是內部配重飛輪的轉動或者底部搖動手柄的轉動來驅動發電機轉動，發電機產生的電流通過內部電路濾波整流后儲存在電容器中，供后續耗能產品使用。

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品電路結構的基礎上，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境。

1 機械式電池結構設計

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

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

若耗電產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，手動驅動內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 機械式電池發電機設計

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

；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為Nc=S/S0×75%=9.425/0.02011×75%=352，其中75%為實際可放導體數與理論可放導體數的比例系數。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。

。

設計變速器的增速比為42，即飛輪轉動1圈變速器輸出端可轉動42圈。由公式（1）可知，產生的電壓跟增速器的輸出轉速有關，而增速器的輸出轉速與飛輪的轉速有關。假設每秒轉0.15圈，即增速器輸出端每秒可轉6圈，由公式（1）可算出產生的感應電動勢為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計

電機轉動產生的電能經過三相整流濾波之后，穩壓給超級電容充電，最后通過三端穩壓管產生1.5V的穩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生的電壓，其有效值為3V，每相等效內阻取20Ω（由上文電機內阻的計算可得）。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的三端穩壓管可以輸出1.5V的穩定電壓供給負載。由于耗電產品實際使用過程中移動幅度大小不一，所以產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壓電路，主要由三端穩壓管LM2930T-5.0構成，其輸入范圍為：-12V～+40V，可以滿足設計需求，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和穩壓二極管bzx79a5v6、三極管mmbt2907a_sl共同構成了過壓保護電路。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，穩壓二極管導通，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 論

本文通過結構布局、電機與電路設計，提出了一款機械式環保電池的總體設計方案。該機械電池與化學電池相比具有以下優勢：

（1）綠色環保。避免化學電池在生產過程中和丟棄之后對環境造成的污染；（2）可隨時充放電。機械環保電池在小功率的應用場合具有很大的發展潛力。機械環保電池還可以給手機、手電筒進行應急充電等，具有很大的應用空間；（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漏液現象，對接觸電池的電極產生腐蝕，從而影響使用。而機械電池只要內部裝置不損壞，便可一直使用。

參考文獻：

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

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

作者簡介：鐘偉斌（1989-），男，廣東揭陽人，碩士。研究方向：機械電子設計、結構優化設計。