摘 要：本文提出了一个将机械能转变成电能的机械环保电池的设计方案。其工作原理是内部配重飞轮的转动或者底部摇动手柄，通过其产生的转速传递到发电机发电，通过内部电路滤波整流后储存在电容器中供耗能元件使用。本设计可以避免化学电池对环境的污染，具有较广阔的应用前景。

关键词：机械电池；环保电池；绿色能源

中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：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

随着人们环保意识的不断增强，绿色环保机电产品逐渐成为一个热门的研究方向[1]。在一些小型的环保机电产品中，人体机械能、动能、太阳能等绿色环保能源经常被转换成合适的能源供电器产品使用。

如20世纪90年代初[2]，日本精工集团制造了一款人动电动手表，通过人体的运动驱动惯性飞轮带动转子旋转并发生磁场切割产生电流，并把电流存储在大容量电容器中，最终为手表供电。同期，英国也发明了机械式发电收音机，通过人工转动发条，将发条的弹性势能通过小电机转换为电能，并为收音机供电。但目前这些产品基本都是通过单独设计一套能源收集、转换、储存系统以配合产品的功能使用需求，不具有通用性。

同时，化学电池由于通用性较强，被应用于多种电器产品场合，但由于化学电池本身的特性影响，其环保性能较差，生产及报废处理均容易对环境造成污染。

基于以上考虑，本文提出一个机械式环保电池的设计方案，其原理是内部配重飞轮的转动或者底部摇动手柄的转动来驱动发电机转动，发电机产生的电流通过内部电路滤波整流后储存在电容器中，供后续耗能产品使用。

由于该机械电池外形与通用化学电池一致，因此在不更改用电产品电路结构的基础上，直接替换原有的化学电池进行供电使用，这样更有利于保护环境。

1 机械式电池结构设计

图1所示为机械电池的内部结构图，电池由机械部分和滤波蓄能两个部分构成。机械部分由小型交流发电机、飞轮以及变速装置构成；滤波蓄能部分由滤波整流回路、过压保护回路和电容构成。其中机械部分的主要功能是将平时不能利用的机械能转化为电能，而滤波蓄能部分要将随机的、不稳定的电能转化为稳定的电能储存起来，并稳压输出供耗能元件使用。

其中飞轮的主要作用是将耗电产品使用过程中（如鼠标、遥控器等）的部分机械能转换为自身的转动，通过变速器增速后驱动发电机发电。

若耗电产品在使用过程中是静止不动的（如小夜灯）或者电池电量过低时，可以通过电池底端的快速充电口，手动驱动内置电机进行快速充电，如图2所示。充电摇杆在不使用的时候可以收缩放置在电池底部，防止丢失，如图3所示。

2 机械式电池发电机设计

该机械电池电能来源于交流发电机，而交流发电机是让飞轮通过变速器带动转子转动，进而进行发电。由电机理论知识可知交流发电机相电动势：

；τ=π×d/2=π×0.009/2=0.01414m；l=0.02m；取m=2.5mm，n为1/6圆周的60%，则每个槽的截面积为：S=m×n≈2.5×12×π/6×60%=9.425（mm2）；由于导线越细，电阻越大，不能为了提高每个槽的导体数而采用最小直径的漆包线，综合直径和电阻两方面考虑，采用直径为0.16mm，电阻为0.8502Ω/m的导线，即截面积为S0=0.02011mm2，则每个槽可放导体数为Nc=S/S0×75%=9.425/0.02011×75%=352，其中75%为实际可放导体数与理论可放导体数的比例系数。每绕一圈导线的长度为0.07m，所以一相线圈的总电阻为R=0.07×352×0.8502=21Ω。

。

设计变速器的增速比为42，即飞轮转动1圈变速器输出端可转动42圈。由公式（1）可知，产生的电压跟增速器的输出转速有关，而增速器的输出转速与飞轮的转速有关。假设每秒转0.15圈，即增速器输出端每秒可转6圈，由公式（1）可算出产生的感应电动势为3V。再通过整流滤波电路即可为储能元件进行充电。

3 机械电池滤波蓄能电路设计

电机转动产生的电能经过三相整流滤波之后，稳压给超级电容充电，最后通过三端稳压管产生1.5V的稳定电压供用电器使用。具体的仿真电路如图5所示。

其中用三相正弦电压源模拟电机产生的电压，其有效值为3V，每相等效内阻取20Ω（由上文电机内阻的计算可得）。三相整流桥的整流二极管使用导通压降较小的肖特基二极管rd705d，滤波电容选用反应速度较快的大小为0.01μ的普通电容，超级电容容量取10F，通过saber的电路仿真可以看出，滤波后电路以5V左右的电压给电容器进行充电。最后通过1.5V的三端稳压管可以输出1.5V的稳定电压供给负载。由于耗电产品实际使用过程中移动幅度大小不一，所以产生的电压大小也不一样。因此需在电路的前端，即滤波整流后加入一个稳压电路，主要由三端稳压管LM2930T-5.0构成，其输入范围为：-12V～+40V，可以满足设计需求，输出電压5V可以给超级电容充电。

同时，本电路还带有过压保护功能，如图5所示，其中R1、R2、R3和稳压二极管bzx79a5v6、三极管mmbt2907a_sl共同构成了过压保护电路。当电容充满电时，如果再对其充电会导致两端电压上升，当上升到5.6V时，过压保护触发，稳压二极管导通，从而使三极管的门极电压等于源极电压，使其关断。断开前级的供电，完成过压保护，从而保护了电容以及后级电路。

4 结 论

本文通过结构布局、电机与电路设计，提出了一款机械式环保电池的总体设计方案。该机械电池与化学电池相比具有以下优势：

（1）绿色环保。避免化学电池在生产过程中和丢弃之后对环境造成的污染；（2）可随时充放电。机械环保电池在小功率的应用场合具有很大的发展潜力。机械环保电池还可以给手机、手电筒进行应急充电等，具有很大的应用空间；（3）使用寿命长。普通化学电池是有一定的有效期的，并且久置在耗电元件中还会出现漏液现象，对接触电池的电极产生腐蚀，从而影响使用。而机械电池只要内部装置不损坏，便可一直使用。

参考文献：

[1] 孙冬生.浅谈环保机械电池的设计 [J].才智，2012（13）：44.

[2] 谢士国，黄平.微机械电池及其充电器开发研究 [J].现代制造工程，2002（4）：46-48.

作者简介：钟伟斌（1989-），男，广东揭阳人，硕士。研究方向：机械电子设计、结构优化设计。