仓鼠发电机的改良研究和应用终稿样本.doc

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SHENZHEN MIDDLE SCHOOL

研究性学习论文

小仓鼠发电机的改良及应用

麦雪盈 温玮棋 黄帆 卢珊 麦译心 何芮

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指导教师
黄睿
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高二8班
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摘要: 本实践小组希望利用仓鼠在滚轮上跑步的习性, 制作一个有实用性的发电产品。经过对现有方案的研究与比较, 我们发现已被制作出来的仓鼠发电机所发出的电微弱且不稳定, 不能应用到实际生活中。对此, 我们设计出一个以齿轮箱与马达组合发电, 发出的电经变压、 稳流、 贮存后可给手机及充电宝充电的仓鼠发电机。
关键词: 仓鼠,发电机

一、 问题提出
如今环保已成为人类生活的一大主题, 在呼吁环保的同时, 人们希望经过一些实际的行动来响应这一个理念。由此我们想到运用一些最简单的材料和几乎最环保的方式制造出一个发电产品。仓鼠平常的娱乐时间很大一部分都是在滚轮上度过的, 利用滚轮带动线圈在磁场中运动, 能够制成一个小型的发电机。根据网络中现存的资料显示, 已有人成功制作出可发电的仓鼠发电机, 但这些已被制造出来的仓鼠发电机所发出的电极其微弱, 以至于不能运用到其它地方, 这也造成了所发的电的浪费, 而且所发出的电的电压并不稳定, 需要进一步的稳定。由此, 我们计划设计出一个经过变压、 稳流之后能实际运用到生活中去的仓鼠发电机, 而且将其进行改良, 体现了环保这一生活主题。
二、 文献述评
1. 减速电机齿轮传动中的齿轮工作原理
在所有的减速电机齿轮传动中, 齿轮比是由齿轮中心与接触点之间的距离来决定的。例如在含有两个齿轮的设备中, 如果一个齿轮的直径是另外一个齿轮的两倍, 那么齿轮比就是2: 1, 在现代的齿轮减速电机中的齿轮均使用一种称为渐开线的特殊齿形, 这是因为这种齿形有一个十分重要的特性, 它们能够在两个齿轮间维持一个恒速比。
2. 定轴齿轮系传动比计算
齿轮系传动比即齿轮系中首轮与末轮角速度或转速之比。进行齿轮系传动比计算时除计算传动比大小外, 一般还要确定首、 末轮转向关系。
传动比大小:
　　无论是圆柱齿轮、 圆锥齿轮、 蜗杆蜗轮传动传动比均可用下式表示:

式中: 1为主动轮, 2为从动轮。
　　对于齿轮齿条传动, 若ω1表示齿轮1角速度, d1表示齿轮1分度圆直径, v2表示齿条的移动速度, 存在以下关系:

3.充电控制
3.1充电流程介绍: 当充电器插入时, 亦即为PMIC充电模块提供了Vcharge电压, 这时会产生一个充电中断信号到CPU, 通知CPU现在已经进入充电状态。CPU开始启动如下模块:
3.1.1ADC采样, 主要是采集Vchrg, Vbat及从MOSFET漏极输出的电压, 能够算出充电电压和充电电流;
3.1.2发消息给MMI层, 让它显示充电状态及一些采样数据;
3.1.3检测电池电压有没有超过保护电压及电池连接是否连接正确, 如果有问题即可经过CHRCTRL切断充电电路;
3.1.4平时显示”充电器没有连接”警告, 是因为PMIC的BATDET脚和MOSFET没有打开, 从而没有充电电流引起的。
3.2充电状态转换介绍: 电池的电压只影响充电状态( 比如是预充还是恒流充电) , 如果电池电压较低, 只是预充的时间稍长一些, 最多一两个小时应该能够完成充电! 一般电池都有自保护, 不会把电放到0V的! 我做过试验把电池放到2.5V时, 在往下放电已经很难了, 负载刚接上时还是能够有电流放出, 但很快就停止放电了! 因此如果电池是一块合格的电池不应该会出现是0V的情况!
充电分三个过程: 预充电、 恒流充电、 恒压充电
3.2.1当Vbat<3.3V属于预充阶段, 处于预充电状态时, 以150mA 电流涓流充电。PMIC不能提供Vcore、 Vdd等电压, CPU处于关机状态, 这时CPU是不工作的!
3.2.2当3.3V< bat<4.2V PMIC的LDO开始输出电压, 从而cpu开始工作, 这是进入恒流充电阶段, 以大概600mA 电流快速充电。
3.2.3当Vbat>4.2V 进入恒压充电阶段, 这个阶段电流逐渐变小, 电压维持不变。当电流减小到接近为0时, CPU发出控制信号这时停止充电。
4.直流发电机的工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势, 靠换向器配合电刷的换向作用, 使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
5.Dcdc变压模块
DC-DC是用开关电源的思想实现的。DC-DC有降压和升压两种, 在这里只说降压, 比如说你给DC-DC输入10V, DC-DC内部有个振荡器和斩波模块, 例如, 在一个时间段内允许10V经过, 另一时间段内不允许10V经过( 等于0v) 。而在输出端有一个电容进行滤波, 只要电容足够大, 其结果就等于将中间的那个脉冲波形进行微积分, 而输出一个5V的直流波形。
这个降压的过程相对于稳压模块来说, 更大限度地避免了电能在降压模块上面的消耗, 而且内部震荡部分控制其占空比就能改变输出电压大小( 在10V范围内) , 使其输出能恒定( 比如某个DC-DC规定输入范围是6V到16V, 输出5V, 只要是在这个输入范围内, 输出都是5v误差只有零点零几伏, 而稳压模块的输出则和输入电压有一定的线性关系, 输入7V的输出电压和输入14V的输出电压差得比较大)
6.整流桥

整流桥的作用就是能够经过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电
7.现有制作方案及分析
方案:
1. 选择球轴承, 即自行车上的那种, 因为发现如果直接把轴固定在鼠笼子上, 会浪费很多的能量, 而这些能量原来能够转换成电能。
2. 安装老鼠的转轮到轴承上。
3. 安装永磁铁。用一个铁环, 上面用胶水固定了一圈小磁铁。至于铁环, 可用易拉罐之类的剪一个。这个贴满了小磁铁的铁环, 最后固定在了转轮的背侧。
4. 线圈的安装。自己缠绕线圈, 每个绕个400圈, 一共需要两个, 因为发现一个线圈产生的电压太低。注意: 线圈的内径应该约等于小磁铁的直径。第一个线圈的一头与第二个线圈的一头相连。用电压表来测试线圈是否放反: 把第二个线圈取下, 转动轮子, 测其电压为V, 将第二个线圈装上, 此时的电压应该为2V, 如果电压为0, 说明第二个线圈是反的, 掉个头即可。
分析:
优点: 采用磁铁转动使线圈产生感应电压的方式, 减少了直接把轴固定在鼠笼子上浪费的能量。制作方法简便, 材料易得。
缺点: 首先, 该方案仅仅把发电机做了出来, 考虑到仓鼠跑动时速度、 方向会改变, 线圈发出的电会不稳定, 除了点亮LED灯以外没有太大实际用途。其次, 该发电装置需放在笼内, 线圈安放的位置及线圈的裸露会给仓鼠带来触电的危险。
三、 讨论
1.发电机
1.1在网上购买一个马达, 在仓鼠滚轮后边延伸出一根胶棒或铁棒, 随着滚轮转动而转动。胶棒( 铁棒) 上粘上一个齿轮, 使齿轮跟着胶棒( 铁棒) 转动。运用齿轮大小的关系, 将多个齿轮组装在一起, 最后一个齿轮与马达相接, 带动马达旋转。马达内部有线圈和磁铁, 转子转动使得线圈中产生交变电流。
1.2用大的齿轮带动小的齿轮使得小的齿轮转速比大齿轮快, 而与小齿轮为一体的另一个大齿轮与小齿轮速度一样, 带动另一个小齿轮, 使得速度逐级增大。考虑到能量损耗的问题, 齿轮的数目不宜过多, 否则会导致齿轮部分能量消耗过大, 影响发电功率。
2.变压
使用变压器。由于仓鼠跑动速度较慢且马达功率较小, 电压较小。需将电压增大, 使得电压符合蓄电模块的电压要求, 方便操作, 而且起到保护蓄电部分, 延长蓄电部分使用寿命的作用。由于我们当前学习的是变压器的工作原理, 而实际操作上变压器会有能量损耗, 这一部分的能量损耗也需要注意, 尽量减少不必要的损失。
3.稳压整流
使用整流桥。由于仓鼠跑滚轮时的速度具有不确定性, 时快时慢, 导致电流及电压不稳定。利用相关工具的工作特点, 将电流及电压稳定在一定水平, 保护电路及各个工作模块, 同时方便蓄电部分的工作。
4.蓄电
由于仓鼠大多数时候是在晚上运动, 为了充分利用仓鼠发出来的点, 使用蓄电池, 将发出来的电储存好, 方便需要的时候使用。蓄电池的规格及相关参数需要根据实际情况选取。蓄电时需要考虑蓄电部分的寿命问题, 由于多次充放电, 可能会对蓄电部分的使用寿命造成一定的影响。
5.应用
小仓鼠发电机若真正制作出来并能正常运转的话, 我们有以下针对用电器的应用猜想:
5.1给手机或手机充电宝充电( 充电功率是4W至6W, 充电电压在5V上下)
5.2为台夹式小风扇提供电能( 额定功率是3W, 额定功率是5V)
5.3连接一个LED屏幕或荧光板, 上面能够写字。
5.4连接发光的小夜灯。
5.5连接自动喂食器或自动浇花器
四、 设计方案
1. 方案的构思及方法
经过对网上的一些现有的仓鼠发电机设计方案的分析, 发现已有方案有许多局限性。我们希望做出更具有实用性和安全性的仓鼠发电机。经过一次小范围的调查, 得出结论, 当前大众较普遍的需要是将该发电机用于给手机及充电宝充电。
与麦志彪老师进行讨论后, 我们提出下列改进方法:
1.1用电器功率
问题分析:
1.1.1当前手机及充电宝的充电功率为4W至6W, 充电电压在5V上下, 因此仓鼠发电机的最终输出应当符合该充电功率。
1.1.2实际发电的部分由电机完成, 由于仓鼠实际在滚轮中跑步时断时续, 电机发出的电大小、 方向不稳定, 故不能直接给手机充电以免损伤手机电池。
改进方案: 电机发出的不稳定的电用一个整流桥整合, 单向输出, 再经DC/DC升压模块升压后可变成稳定电流给蓄电池充电。将电机发出的电储存在蓄电池里, 以蓄电池为桥梁为手机等用电器充电。
2. 蓄电电能输出
问题分析: 如何使手机安全充满电?
改进方案: 在蓄电池与手机充电的USB母座间连接一个充电控制模块, 充电控制模块能够在一定的输入范围内控制输出电流, 根据手机的充电情况进行快速充电、 连续式充电或是涓流充电, 使手机电池电量安全地达到饱和状态。
3.蓄电装置
问题分析: 蓄电池的安全性及价格; 手机充电只需5V的输入电压。
改进方案: 使用6V的锂蓄电池。设计中使用型号为RD800144的锂蓄电池。
4.蓄电电能输入( 升压稳流)
问题分析: 6V蓄电池的充电电压范围是7.2V至7.8V; 电机转速与其输出电压呈正相关。
改进方案: 用一个DC/DC升压模块将电机发出的电压升高至该电压, 根据DC/DC升压模块的常见规格, 电机的输出电压只需4.5V至5.5V, 这样就对电机的转速要求降低, 减轻机械部分的负担。
设计中使用型号为B0509S-1W的DC/DC升压模块。
5.发电装置
问题分析: 如何使电机发电?
改进方案: 使用齿轮带动电机: 主动轴固定在滚筒中心, 使滚筒转动时能够带动主动轴同速转动。在主动轴上固定一个半径较大的齿轮, 作为主动齿轮, 再运用齿轮的大小关系, 与另外几个双层齿轮连接, 多级带动, 组装成一个加速箱, 最后一个齿轮与电机转轴上的固定齿轮相接, 带动电机发电。该方法能使转轴转动的较小的速度逐级增大为较大的速度, 从而到达能使电机输出4V至6V的转速。
考虑到能量损耗的问题, 齿轮的数目不宜过多, 否则会导致齿轮部分能量消耗过大, 影响发电功率。对此使用3个大齿轮数为35, 小齿轮数为12的双层齿轮。
流程图如下: ( 包含机械部分与电路部分)

6.设计要求
6.1装置发出的电足够给手机或充电宝充电, 即最终输出为5V, 0.8~1.5mAh;
6.2装置不漏电, 具有安全保障;
6.3装置不影响仓鼠的正常生活;
6.4装置尺寸较合理。
7.工具及材料
工具: 钳子、 螺丝刀、 裁纸刀、 热熔胶枪、 电烙铁、 焊锡
材料: 仓鼠滚轮1个; 塑料板; 转轴( d=3mm) ; 齿轮3个; 发电机; 锂蓄电池(700mAh 6v); DC/DC变压模块; 充电控制模块; 整流桥; USB母座; 开关; 导线若干。
8．三视图
主视图 左视图
俯视图
9.电路部分

10.成本预计
仓鼠滚轮10 RMB; 塑料板5 RMB; 转轴; 齿轮3个1.5 RMB; 发电机10RMB; 锂蓄电池(700mAh 6v)7 RMB; DC/DC变压模块10 RMB; 充电控制模块0.35 RMB; 整流桥0.3 RMB; USB母座0.15 RMB; 开关0.2 RMB; 导线若干( 价格太低可忽略)
总计: 约44.5元人民币
五、 创新点
1.利用玩具模型的马达反过来用来代替较大型的发电机, 解决了发电机体积过大的问题。
2.在系统中加装了升压稳流的设备( 整流桥、 DC/DC升压模块) 和加速模块( 利用了齿轮加速的原理来提高连接马达的转轴的转速) 解决了因仓鼠跑滚轮的速度不定且转速较慢而导致达不到所需的电压及电流大小的问题。
六、 困难及待改进点
1.制作过程中遇到的困难:
1.1转轴与固定板粘连时, 难以使两轴完全平行且与固定板完全垂直, 出现了齿轮在转轴上转动时歪斜以至于齿轮间的带动有空转、 转不动等问题;
1.2由于主动轴表面比较光滑, 齿轮组装好后带不动电机。使用热熔胶固定上的主动齿轮易打滑, 导致主动轴在转, 但齿轮不转。后改用502强力胶解决了该问题。
1.3由于各部件间的衔接有摩擦, 电机转轴本身有一部分阻力, 使得对滚轮转动有一定的阻力, 即仓鼠有可能跑不动或在一定程度上对仓鼠跑动有影响。
2.在模型的制作过程中, 由于是手工制作, 经验不足, 未能将模型完美做出。但经过重复讨论后认为, 若是能够在工厂里由专业机械及人员制作, 选择更加合适的零件及材料, 从理论上看的确能够制作出符合设计的相关参数的仓鼠发电机。

参考文献:
[1]减速电机齿轮传动中的齿轮工作原理介绍[EB/OL].中国百科网.
[2]定轴齿轮系传动比计算[EB/OL].百度文库, -10-16.
[3]BOY手机充电原理分析及问题总结[EB/OL].博客频道, -08-11.
[4]直流发电机的工作原理[EB/OL].百度经验, -01-15.
[5]百度百科编者.DC/DC电源模块[G/OL].百度百科, -09-17.
[6]整流桥－桥式整流工作原理[EB/OL].百度文库, -02-25.
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