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良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

This design is emerging for the current generation of hand-pressure technology, and improved its integration into the design of the new flashlight.

With the development of science and technology, many products of the 20th century, modernization has gradually been replaced by electronic products, and a flashlight as a relatively primitive lighting tools it is not from the stage of its history. Therefore the design of a hand without the use of electricity, pressure-type flashlight must be able to significantly reduce battery usage, to some extent play the role of environmental protection and energy saving.

And in accordance with the present technology, the design of a built-in micro-generators is no problem with a flashlight. So have a flashlight in hand the selection of compression, the result of energy-saving and pollution-free, and by the State to promote environmentally friendly products for the green, by all walks of life people's favorite.

Keywords: Hand Press；Flashlight；Battery；Power；

目录

1 引言 (5)

1.1毕业设计（论文）的背景、意义 (5)

2 自发电机构主要内容 (7)

2.1核心机构及切割磁感线方案确定 (7)

2.2 电能储备方案 (11)

2.3 电路设计方案 (12)

3 零部件选择 (15)

3.1手电筒外壳 (15)

3.2传动系统选择 (16)

3.3 超级电容选择 (17)

3.4 发光二极管选择 (18)

3.5 聚焦镜片材料选择 (18)

4 总结 (20)

参考文献 (21)

1. 引言

1.1 背景及意义

近年来，随着照相机，MP3,手机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，内部都存在若干锂电池，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”产生怀疑，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。这的确是解决了，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”产生怀疑。

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。可达到手活脑灵，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良版。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若干匝线圈，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。因此若是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，若是发现供电量不足，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达到最优化，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应一般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，本设计尽量避免对于电池的使用。

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。