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手压式手电筒

毕业设计

题目：

手压式手电筒设计

系〔部〕：

机械电子工程

专业班级：

机电13-2

姓名：

曹睿

学号：

201331058

指导教师：

郑高安

2016年5月20日

摘要

本设计是针对时下新兴的手压发电技术，对现有手电筒进行改进并融入到新型手电筒的设计中。

随着科技的发展，不少20世纪的产物渐渐被现代化的电子产品所替代，而手电筒作为一个相对原始的照明工具却没有退出其历史舞台。

因此设计一款无需用电池的手压式手电筒，必然能够大大减少手电筒对于环境污染的影响

减少电池使用量，一定程度上起到环保节能的作用。

设计一款内置微型发电机的手电筒是不成问题的。

如此便有了手压式手电筒的产生，其因节能且无污染，而被国家推广为绿色环保产品，深受各行各业人们的喜爱。

关键词：

手压发电；电池；手电筒；自发电

Abstract

Thisdesignisemergingforthecurrentgenerationofhand-pressuretechnology,andimproveditsintegrationintothedesignofthenewflashlight.

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,manyproductsofthe20thcentury,modernizationhasgraduallybeenreplacedbyelectronicproducts,andaflashlightasarelativelyprimitivelightingtoolsitisnotfromthestageofitshistory.Thereforethedesignofahandwithouttheuseofelectricity,pressure-typeflashlightmustbeabletosignificantlyreducebatteryusage,tosomeextentplaytheroleofenvironmentalprotectionandenergysaving.

Andinaccordancewiththepresenttechnology,thedesignofabuilt-inmicro-generatorsisnoproblemwithaflashlight.Sohaveaflashlightinhandtheselectionofcompression,theresultofenergy-savingandpollution-free,andbytheStatetopromoteenvironmentallyfriendlyproductsforthegreen,byallwalksoflifepeople'sfavorite.

Keywords:

HandPress；Flashlight；Battery；Power；

1.引言

1.1背景及意义

近年来，随着照相机，MP3,的自带充电功能和蓄电池的大量使用，电磁的使用主要集中在老式电子产品中：

收音机，钟表，手电筒……而随着科技的发展，很多20世纪的产物渐渐被现代化的电子产品所替代，而手电筒作为一个相对原始的照明工具却是没有退出其历史舞台。

按照当下科技，设计一款内置微型发电机的手电筒是不成问题的。

如此便有了手压式手电筒的产生。

手压式手电筒因节能且无污染，而是国家推广为绿色环保产品，深受各行各业人们的喜爱，也因此现今手压式手电筒越来越流行起来。

现今的手压式手电筒，有一下几个共同点：

〔1〕质感塑料。

使用质感的塑料作为电筒外壳，不仅触感极好，且韧性很高，耐磨耐压耐碰撞。

这较传统的金属外壳的手电筒，不仅更容易制造成形，而且成本更低，质量更轻。

关键还在于，塑料的触感是金属无法比拟的，也使得后面的外形优势变得可能。

〔2〕美观的外形。

使用质感塑料，使得手电筒外形的多变，颜色的多样化变得可能。

用塑料做外壳，可根据其可塑性很高，而让手电筒一改传统生硬的外形，再通过不同颜色的搭配，可以将其做成各种卡通形状。

不仅受消费者喜爱，也可以让人耳目一新。

〔3〕超亮的LED。

用他作光源，寿命长，亮度高，光线多为白色，就照明来说，这确实是比较理想的选择。

有的LED寿命长达10万个小时以上，使用后不用考虑其换光源的问题。

〔4〕内置微型发电装置。

也是该手电筒最核心的地方，只需单手握几下，便可自动发电。

手压带齿摇柄，摇柄带动棘轮机构，将摇柄的往复摆动转化为齿轮的单向间歇转动。

齿轮再通过一级齿轮，做增速传动，最终带动永磁体在线圈当中转动，根据电磁感应原理，产生电流，点亮LED。

虽然在外形和材料的选择上，手压式手电筒趋于完美，并且在激烈的市场竞争中将更加完美。

但是不得不否认，其核心部分尚存着几点需加改进优化的地方：

〔1〕现今一般的手压式手电筒，内部都存在假设干锂电池，以作备用电源。

将开关拨到一个位置，就由锂电池供电，可以使得手电筒持续照明。

而当锂电池电量消耗殆尽，或是将开关拨到由发电装置供电的时候，这种手电筒就有一个致命的弱点——按一下亮一下，不按则不亮。

这无疑给使用者带来了极大的不便。

而且在一些半透明的外壳的应用下，使得锂电池赤裸裸地暴露在消费者眼前，这就让人对“手压发电”产生疑心，不利于手电筒的推销。

〔2〕蓄电池的使用。

为了解决上述的问题，有手压式手电筒中，采用了蓄电池对电能进行储备，只要按压摇柄一定时间，就能对蓄电池进行充电。

从而在后续按压照明中，能够持续地点亮LED。

这确实是解决了，上述的致命弱点，却来带来了一定问题。

首先是蓄电池的使用，对于一个成本不大于10元的手电筒来说，其成本势必增加不少，而且对于不能充分充电和放电的蓄电池来说，其寿命将受到很大限制。

电池的使用仍然能让消费者对“手压发电”产生疑心。

本设计将致力于手压式手电筒的优化设计，根据现有手压发电技术，对现有的手压式手电筒的结构，发电核心进行优化。

本优化式设计一旦完成，在激烈的市场竞争中，势必淘汰原有的传统手电。

解除了电池对于电筒形状的限制，此款手电可以一改普通手电死板的圆柱形状，可以做成各种精美可爱的造型，当装饰，当玩具，当礼物送朋友都可以。

由其独特可爱的卡通外形，耳目一新的色彩搭配，继续保持手压式手电筒的优势，占据手电筒市场，极大降低电池的使用量，起到了环保节能的优势。

除了环保，节能两大优点外，手压式的自动发电照明，人舒筋同时有助于舒筋活血。

可到达手活脑灵，消除疲劳，促进大脑记忆的作用。

另外消除了对电池的依赖，对于部队执勤，野营，急需电筒而找不到电池等特定场合，这款手电可谓是方便，耐用。

最后也是最重要的一点，本优化设计能够解决现有手压式手电筒的电池用完后“一压一亮”的死穴。

使用电容进行储能，按压几分钟就可以照明很长时间，绝对满足手电筒的照明要求。

2自发电机构主要内容

2.1自发电机构设计

根据设计内容要求本设计拟在一下三个方案中选择一个，内容如下：

方案1

如图1所示，1为手压摇杆，2为永磁体，3为电筒外壳，4为压缩弹簧。

手压部件1，推动永磁体做上下往复运动〔3个永磁体由各自固定线圈包围〕，使得永磁体在线圈内，相对线圈做往复运动。

从而引起线圈内磁通量的变化，根据法拉第电磁感应原理，闭合线圈中磁通量的变化，能使得闭合线圈中产生电流。

再加上3个或3个以上线圈电流的叠加，点亮1~2个的LED是绝对没问题的。

此方案可以说是手摇式手电筒的改进版。

手摇式手电筒通过摇动整个手电筒，来控制手电筒内的强力磁铁，在多匝线圈内来回震动引起线圈内磁通量的变化，从而产生感应电流，使手电筒正常发光。

虽然原理及其相似，但是这种手摇发电方式，就手电筒而言也有着天生的弊端，长期剧烈的摇动和由其产生的长期的不稳定电流，即便对系统骨架没什么影响〔磁铁震动区域可以用橡胶圈进行减震处理〕，对手电筒内部电路和其核心部件的寿命影响却是无法消除的。

相比于此方案，此方案中的手压发电显得更加柔和，更加高效化，节能化。

1手压摇杆2永磁体3电筒外壳4压缩弹簧

图1核心机构图

方案2：

如图2所示，1为扭转弹簧，2为手压摇杆，3为永磁体，4为二级变速圆柱直齿齿轮。

手压部件2，让部件2绕轴，即部件1做转动。

在轴处，安装部件1——扭转弹簧，可以使得部件2作往复转动。

部件2带有和齿轮4相啮合的直齿，齿轮4与3相啮合，齿轮3于永磁体相固定。

齿轮4来回转动，带动3与永磁体一起转动。

永磁体下装配固定于手电筒外壳的假设干匝线圈，永磁体的转动使得永磁体相对于线圈转动。

由法拉第电磁感应原来，可得线圈中存在感言电流。

图2

1扭转弹簧2手压摇杆3永磁体4二级变速圆柱直齿齿轮

此方案是现今手压式手电筒的主流设计。

因其原理简单，结构简练，而使得该手压式手电筒设计已经投入于批量生产，并已经在市场上占据一定份额。

原理大致与方案1一样，都是运用法拉第电磁感应原理，通过线圈与磁铁的相对运动，产生感言电流，而使手电筒工作。

不同的是方案一是将直线运动直接运用于切割磁感线，而此方案则通过齿轮巧妙地将直线运动转化为回转运动，而切割磁感线。

无疑，按压一次的行程，方案二的回转运动行程更大，也能更多地切割磁感线。

方案3：

如图3所示，1为扭转弹簧，2为手压摇杆，3为永磁体，4为二级变速圆柱直齿齿轮，5为永磁体，6为拉伸弹簧。

手压部件2，让部件2绕轴，即部件1做转动。

在轴处，安装部件1——扭转弹簧，可以使得部件2作往复转动。

部件2带有和齿轮4相啮合的直齿，齿轮4与3相啮合，齿轮3于永磁体相固定。

齿轮4来回转动，带动3与永磁体一起转动。

部件2的往复摆动同时推动永磁体，即部件5左右移动，永磁体5由固定线圈包围，左右摆动使得永磁体在线圈内，相对线圈做往复运动。

无论是包围部件3处的线圈，还是包围部件5处的线圈，都可以有感应电流产生。

两处线圈电流可以将其储备叠加，用于供电。

图3

1扭转弹簧2手压摇杆3永磁体4二级变速圆柱直5二级变速圆柱直6为拉伸弹簧

方案3无疑是方案1和方案2的结合。

其按压一次行程所产生的电量无疑是3个方案中最高的。

虽然其结构复杂，但是较前两者，更为高效。

其可取之处在于，当前2者方案电流不足于提供LED正常照明时，方案3无疑是最理想的选择。

该手压发电方案，发电量大，当照明LED或者其他用电器耗电量较高时，此方案是第一选择。

方案比较：

方案1结构和原理最为简单，部件较方案2略多。

其按压一次行程所产生的电量取决于永磁体以及包围永磁体线圈的数量。

因此假设是3个永磁体不能提供超亮LED的耗电量，可以考虑增加永磁体以及包围永磁体线圈的数量。

虽然必定会增加手电筒的成本，却也是方案1的一个灵活性。

方案2则不然，一旦采用，假设是发现供电量不足，则回天乏术。

方案2结构较方案1稍复杂一点。

然其部件少〔摇杆、永磁体、线圈、扭转弹簧各一个，齿轮2个〕，这较方案1的部件〔永磁体，线圈，压缩弹簧各3个，摇杆1个〕优势明显。

成本上，线圈，永磁体的限制性应用，使得方案2较方案1减少了不少。

而且，方案一作为现今手压式手电筒的主流设计，在供电量能否提供LED耗电量的问题上已经给出了实践性的答案，无需计算。

对此，方案1则在理论进行精心计算，用多少永磁体才能提供得起LED的耗电量，用多少永磁体才能使设计到达最优化，这无疑是给设计者出了一个难题。

虽然方案3在发电量方面而言是无以伦比，也是无需计算，但是一旦发现方案2的发电量足以提供LED的耗电量。

那么其优势就变得不那么明显了。

相反，其部件繁多，结构复杂，成本昂贵的种种弊端却是暴露无疑。

因此，方案3只在其他用电器耗电量巨大时考虑采用，或者为以后手压发电提供借鉴，在本设计中方案3不予考虑。

方案确定：

综上所述可以发现，方案一结构最为简单，灵活性较高，方案二则部件较少，成本较低，已经接受过实践检验，无大弊端。

两方案各有优势。

比较两者系统稳定性，方案2接受过市场检验，其寿命较长，虽在不少设计中出现齿轮传动不稳定，或者会因为按压过猛而产生滑齿，脱齿等现象，但是本设计致力与手压式手电筒优化设计，这些问题都可以在优化后得到解决。

方案1则不同，一则方案未经受过市场检验，对于永磁体和包围永磁体线圈的数量，尚存在着一项繁冗复杂的计算。

二则设计者认为，在使用一段时间后，其系统很可能因为一个弹簧的失效或者与其余弹簧伸缩力不一致，而导致摇杆出现弹不上来的情况，这在稳点性上是一个不小的弊端。

通过上述比较，本设计总方案最终确立为方案二。

2.2电能储备方案

手压发电，因其切割磁感线的往复运动且速率不一，造成的电流方向反复，大小不定。

这无论是对用电器还是整个线圈电路都存在着不好的影响。

而将电能储存起来，再以直流电的形式供给用电器，则是最理想的选择。

也能从根本上解决现有手压式手电筒，在锂电池用完后“一压一亮，不压不亮”的弊端。

现在模拟了三个方案具体如下：

方案1：

用超级电容进行储电。

因电容储电量的限制，即便是超级电容储满点也不能供给一般LED工作足够长的时间，因此在此方案中，由超亮发光二极管代替一般LED作为手压式手电筒的光源。

方案2：

用可蓄锂电池进行储电。

储存电能最常规的方式就是蓄电池。

此方案中，只要储满电，蓄电池无疑能为任何形式光源用电器提供其足够长时间的工作耗电量。

即便不储满，在存储电能上，蓄电池无任何大的弊端。

方案比较及确立：

成本上，方案一是一个超级电容加一个超亮发光二极管，方案二则是一个可蓄锂电池加一个普通LED。

成本上相差不大。

电容储电方案在理论上，尚缺乏计算保证。

然而，蓄电池在不能充分充电和放电的工作情况下来说，和难保证其工作寿命。

而手压式发电，无疑对它来说无疑是一个最恶劣的工作环境——电流的时断时续，时大时小，充电，放电的间隔不一，对它都是一种考验。

再加上本设计致力于现有手压式手电筒的优化设计，本设计尽量防止对于电池的使用。

综上所述，本设计采用方案1，电容储电。

2.3电路设计方案

根据现如今手电筒的电路图进行改造现拟定了两个方案，具体内容如下；

方案1:

如图4，采用经典整流电路，对磁体往复运动所产生的交流电进行整流，再送入电容储存，真正实现双向发电。

虽然部件较多，线路较为复杂，但是其高效化，节能化是现有常规电路无法比拟的。

图4电路设计图

方案2：

如图5，采用及其简单的闭合回路，用2个二极管过滤逆时针方向的电流，剩下的顺时针电流给予电流充电。

同时也能遏制电容通过线圈的反向放电。

当开关打到1位置，手压摇杆可以对电容充电，当电容冲电到足够的程度，将开关打到2位置，电容通过发光二极管放电，点亮LED1。

其结构鲜明，原理简单，是现有手压式手电筒的主流设计电路。

图5电路设计图

方案比较：

就线路上来讲方案1较方案2稍复杂，成本也是稍为昂贵，但是因其方案一的效率是方案2的两倍，因此，只考虑这些的话，优先选用方案1.

然则2者方案的选择，会引起机械结构上一个不大不小的改动。

如图6。

图6

现有的手压式手电筒的主流设计，如图6所示，往往在部件3与部件5之间加入棘轮机构。

当手压部件2，让部件2绕轴转动，部件2通过相啮合的直齿带动齿轮4转动，齿轮4再带动齿轮3转动，齿轮3与永磁体相固定。

当手松开手压摇杆，则部件1，扭转弹簧工作，将部件2复位。

部件2继续带动齿轮4转动，但由于部件5，棘轮机构的应用，部件4不会带动部件3，永磁体的转动。

如此一来，这个机构所产生的电流就不是交流电，当然整流电路也就无从谈起。

假设是采用方案1，则需将部件5处的棘轮机构去掉。

去掉棘轮机构有利有弊，利在于去掉了棘轮机构，则再加上方案1所提供的整流电路，无疑实现了双向发电，其高效性自不必说。

弊端在于，棘轮机构的去除，在手松开后，部件2的复位将带动部件3和部件4一起运动。

这动力仅依赖于一个压缩弹簧而言，对弹簧的要求就偏高了。

本设计中，追求高效、节能、环保的设计方案，对于对电容充电的时间当然是越少越好，手压发电的效率是越高越好。

因此电路设计暂定于方案1

3零部件选择

3.1手电筒外壳

手电筒外壳的选用较为关键，它直接关系到手电筒的外观及它的触感。

形状暂定于长方体，并将其尾部改为圆形，一改通体长方的死板。

并在于有棱角处进行倒角处理。

材料的选择最为关键，塑料因其：

塑料制造成本低，加工容易可大量生产。

抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。

耐用、防水、质轻、具光泽。

容易被塑制成不同形状。

是良好的绝缘体，无疑是最理想的选择。

然而塑料种类繁多，对于具体哪种塑料的选择，有待考究。

另外，本设计中手电筒外壳要求为半透明化，可以使得使用者对手电筒内部结构一览无遗。

在此前提下，本设计优先考虑使用聚甲醛。

聚甲醛现多用于鼠标外壳，具有半透明的物理性能。

聚甲醛学名聚氧化聚甲醛〔简称POM〕。

聚甲醛（英文：

polyformaldehyde）热塑性结晶聚合物。

被誉为“超钢”，又称聚氧亚甲基。

结构为，英文缩写为POM。

聚甲醛是一种外表光滑，有光泽的硬而致密的材料，淡黄或白色，可在-40-100°C温度范围内长期使用。

它的耐磨性和自润滑性也比绝大多数工程塑料优越，又有良好的耐油，耐过氧化物性能。

很不耐酸，不耐强碱和不耐月光紫外线的辐射，但是对于手电筒外壳的使用，这些要求不是很高，对于这些缺点也可以忽略。

聚甲醛的拉伸强度达70MPa，吸水性小，尺寸稳定，有光泽，这些性能都比其他塑料突出，聚甲醛为高度结晶的树脂，在热塑性树脂中是最坚韧的。

具抗热强度，弯曲强度，耐疲劳性强度均高，耐磨性和电性能都较为优良。

3.2传动系统选择

图7传动系统

1手压摇杆2二级增速齿轮2永磁体固定装配齿轮2轴5永磁体

除轴材料采用45号钢外，其余部件均采用塑料，注塑成型。

轴采用45号钢，直径虽则只有1.5mm，然而对于剪应力不过几十N而言，其强度和刚度都是足够了，无需校核计算。

另外其余部件都采用塑料——聚酰胺，通过注塑成型。

聚酰胺，一般作为工程塑料而被广泛应用。

，具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好，染色性差。

其强度足以承受，几十牛的载荷冲击，因此在齿轮强度上，也不需校核计算。

3.3超级电容选择

电容作为储能的核心元件，在整个系统中起到的作用毋庸置疑，因此它的选择本设计慎之再慎。

最终选定为法拉电容，具体参数，如下列图。

产品型号

Fs04732f

品牌

NECTDKIN

额定电压

容量

内阻

＜40

温度范围

-25°—75°

直径

高度

重量

寿命

40小时以上

法拉电容具有以下几大优点：

1.体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30~40倍；

2.充电速度快，10秒内到达额定容量的95%；

3.充放电能力强；

4.失效开路，过电压不击穿，安全可靠；

5.超长寿命，可长达40万小时以上；

6.充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护；

现主要应用于：

记忆体后备电源，用于视频，音频产品，相机，长像器材，，打印机，汽车音响，电脑，笔记本电脑，电饭煲，PLC，SETTOPBO，GSM，洗衣机，DVD-RW，家庭通讯网，智能控制器，手摇电筒等，价格一般在1.5元左右，就手电筒而言是这成本是可以接受的。

可见这种电容，已经成功应用于手摇电筒，能够为手摇电筒提供足够电量，是被事实检验了的。

因此在，电容容量大小能否提供足够电量的问题上，已经无需计算检验。

3.4发光二极管选择

发光二极管简称为LED。

由镓〔Ga〕与砷〔AS〕、磷〔P〕的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的特点是：

工作电压很低〔有的仅一点几伏〕；工作电流很小〔有的仅零点几毫安即可发光〕；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源。

做为手电筒光源，优先考虑白光超亮发光二极管，且由于电筒尺寸所限。

本设计只能选用直径5mm的发光二极管。

就性价比而言，J100UW4LD略高于J500SW4LD,但是由于本设计中采用了2个LED的选择，因此光强度方面应该是足够的。

优先考虑的应该是成本，所以选用成本略低的J500SW4LD。

3.5聚焦镜片材料选择

聚焦镜片的透光性直接关系到手电筒照明的效果，而其透光性取决于材质的选择。

因此本设计最后不得不提聚焦镜片材料选择。

本设计中此材料采用有机玻璃。

有机玻璃又叫PMMA，化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，常见产品为亚克力或者亚加力（都是英文acrylic的直接音译）。

由于PMMA抗冲击性能低、成型流动性能差等缺点，PMMA的改性相继出现。

如甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯、丁二烯的共聚，PMMA与PC的共混等。

具有超强透光性能的PMMA材料现主要用于保护屏，其特点是透光率极好，没有杂质,静电保护膜,外表硬化厚后硬度可达4-6H以上。

目前特别推荐用于硬化处理的PMMA材料，国内称为“生板”。

4结论和展望

采用上述思想设计的手压式手电筒，其手压发电功能真正实现了高效化，节能化，环保化。

在实际应用中能提高了其市场竞争力，消除了使用者对于手压式手电筒是否依赖电池的疑心，提高了手压式手电筒的整体性能，具有很好的应用范围和推广价值。

由于手电筒更换电池频繁，成为了污染环境的一个源头。

而手电筒成本低廉，内置蓄电池相对来说显得奢侈，而且其使用量不大，因此手电筒很少使用蓄电池。

如此一来电池的使用正在逐渐向的手电筒集中。

而众所周知普通干电池的大量使用，对环境是一大损害。

国内生产的干电池中含有大量的重金属、酸、碱等物质，多数还含有对环境危害严重的汞。

由于汞的剧毒性、积累性和易于迁移转化，一旦进入生态系统中，所造成的危害是长期的，而且是代际之间传递的。

因此，减少或是干脆消除手电筒对电池的依赖，无论是从环保上，还是从节能上都是一个不错的创意。

参考文献

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