作品包括

设计说明书1份，共53页

PPT答辩一份

CAD版本图纸，共20张

SW三维图一套

仿真动画视频一份

摘要

本文设计的是一种能安装在篮球内部的储能装置，将篮球运动时产生的

机械能转化为电能，收集和储存在储能装置中，并且能够实现为小功率电子设备供

电。该装置由五部分组成：亚克力球壳、内部机械结构、能量收集电路、能量储存媒

介和能量利用模块。

针对能量发生装置的设计，分析了压电陶瓷片正压电效应以及直流发电机的发

电特性和发电原理，根据这两种发电形式的特性设计了相应的能量发生装置；针对能

量收集电路，设计了新型的能量收集电路，并与传统能量收集电路做了对比实验，测

试其充电效率；针对能量储存媒介，对蓄电池和电容做了充电测试，并测试了不同型

号的超级电容作为储存媒介时的充电效果。最后，根据建立的理论和计算数据开始制

造模型，并完成了硬件以及电路的制作和调试。

创新点：（1）把篮球和储能装置联系起来（2）将压电陶瓷和电磁感应发电结合

起来（3）设计了一种能使压电陶瓷和直流发电机高效发电的发电体结构（4）设计了

一种能同时收集两种形式电能的电路

关键词 压电陶瓷；压电发电装置；能量收集和储存；电磁感应发电；超级电容

目录

1.

前 言 ......................................................................................................................................... 6

1.1 本课题研究的目的和意义 ..................................................................................................... 6

1.2 相关技术在国内外的研究现状 ............................................................................................. 6

1.3 本文研究的主要内容 ............................................................................................................. 8

2．篮球储能装置的设计方案 ....................................................................................................... 10

2.1 提出设计方案 ...................................................................................................................... 10

2.1.1 方案一（直流发电机作为发电体） ............................................................................... 10

2.1.2 方案二（压电陶瓷作为发电体） ................................................................................... 12

2.1.3 方案三（复合型发电体） ............................................................................................... 14

2.2 方案可行性分析 .................................................................................................................. 16

2.3 总体方案选择 ....................................................................................................................... 17

3．篮球储能装置的结构设计 ....................................................................................................... 18

3.1 直流发电机发电体的设计 .................................................................................................. 18

3.1.1 直流发电机的概述 ........................................................................................................... 18

3.1.2 永磁发电机和励磁发电机的特性比较 ........................................................................... 18

3.1.3 直流发电机的选择 ........................................................................................................... 20

3.1.4 一级斜齿轮增速器的设计 ............................................................................................... 20

3.1.5 一级斜齿轮的结构设计 ................................................................................................... 27

3.1.6 直流发电机发电体轴心偏移修正 ................................................................................... 27

3.2 压电发电体的设计 .............................................................................................................. 29

3.2.1 压电陶瓷的特性 ................................................................................................................ 29

3.2.2 压电陶瓷的选型 ................................................................................................................ 30

3.3 发电体绕中心旋转设计 ...................................................................................................... 30

3.4 主轴受力分析 ...................................................................................................................... 31

4．运动学与动力学分析 ............................................................................................................... 36

4.1 球形储能装置理论模型 ....................................................................................................... 36

4.2 球形储能装置运动学分析 ................................................................................................... 37

4.3 球形储能装置动力学分析 ................................................................................................... 38

4.3.1 恒力矩输入球形储能装置的动力学分析 ....................................................................... 38

4.3.2 恒转速输入球形储能装置的动力学分析 ....................................................................... 39

5．电控系统设计 ........................................................................................................................... 41

4

5.1 储能方案的选择 ................................................................................................................... 41

5.1.1 储能方案对比 ................................................................................................................... 41

5.1.2 超级电容的选型 ............................................................................................................... 43

5.2 能量收集储存模块的选择 ................................................................................................... 44

5.3 能量利用模块设计 ............................................................................................................... 46

5.4 储能电路设计 ...................................................................................................................... 47

6．总结与展望 ............................................................................................................................... 48

6.1 总结 ...................................................................................................................................... 48

6.2 展望 ...................................................................................................................................... 50

致谢 ................................................................................................................................................. 51

参考文献 ......................................................................................................................................... 52

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