劉佰龍，石 群

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對自行車發(fā)電的研究很多，自發(fā)電自行車技術(shù)也逐漸成熟。但是，市場上見到的發(fā)電設(shè)備一般只用于像平坦的城市公路上，如果走到不平坦的野外等非平坦的路上時，自行車的發(fā)電就會因為車輪轉(zhuǎn)速的限制而大大減少發(fā)電量，造成能源浪費。本設(shè)計恰恰利用減震彈簧的震動再次利用其能量，使得發(fā)電得以繼續(xù)。同時，本設(shè)計的另一個創(chuàng)新之處是還可以將自行車的發(fā)電存儲起來，以備車燈供電以及手機等電子產(chǎn)品的充電。

2 減震發(fā)電

2.1 基本原理

當(dāng)螺線管與條形磁鐵相對運動時，螺線管的線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

2.2 基本思路

在減震器上安裝一根兩端封閉的螺線管，內(nèi)部放入一根稍短的條形磁鐵，當(dāng)自行車上下顛簸時，磁鐵也在螺線管中來回運動，線圈切割磁感線產(chǎn)生電流。

2.3 具體設(shè)計

它是一種利用震動的上下伸縮過程進行發(fā)電的減震器。包括減震裝置和震動收集轉(zhuǎn)換裝置，震動收集轉(zhuǎn)換裝置包括一個與減震缸筒固定的發(fā)電缸筒、上端與收震彈簧連接的柱形磁體和套在柱形磁體外面的線圈；在減震缸筒的下側(cè)面固定一根軸，軸上鉸接一根震動傳遞桿，其輸入端連接一根主動拉線，在下吊環(huán)上裝一個軸承，主動拉線繞過軸承后與減震缸筒底部固定，其輸出端端通過一根從動推桿與柱形磁體下端連接。減震器受到震動時，減震彈簧發(fā)生伸縮，主動拉線帶動震動傳遞桿上下運動，從動推桿的推動和收震彈簧的回復(fù)作用使柱形磁鐵在發(fā)電缸筒內(nèi)上下運動，發(fā)電缸筒帶動線圈，使柱形磁體和線圈相互運動產(chǎn)生電能，電能由導(dǎo)線輸出 。

3 車輪轉(zhuǎn)動發(fā)電

3.1 基本原理

當(dāng)螺線管與在車輪上轉(zhuǎn)動的條形磁鐵相對運動時，螺線管的線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

3.2 基本思路

將車輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為小型直流發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電流。

3.3 具體設(shè)計

1）計算與分析基于以下的合理假設(shè)：

?

2）計算分析與參數(shù)設(shè)計

∵每分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)n=150

∴周期T=60/150=0.4s ；角速度W=2兀/T==15.7rad/s ；

∵磁鐵的安裝位置R2=0.3m ；

∴磁鐵運行速度 V2=WR2=15.7*0.3=4.71m/s ；選擇B=0.1T的條形磁鐵；選擇長度L=11m的線圈；

∴電動勢E=BLV2=5.2v ；

∵電子產(chǎn)品的充電電壓只需5V而E=5.2v＞5v ；

∴以上參數(shù)的設(shè)計比較合理。

4 電路與其機械設(shè)計

4.1 電路設(shè)計

1）橋式整流電路

橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，Dl、D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、D1、Rfz 、D3通電回路，在Rfz 上形成上正下負的半波整流電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2、Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz 上便得到全波整流電壓。

2）濾波電路

當(dāng)流過電感的電流變化時，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時釋放出存儲的能量，以補償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。

3）穩(wěn)壓電路

最簡單的方法是使用一個穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓管是利用反向擊多區(qū)的穩(wěn)壓特性進行工作的，因此，穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。

4）擴大輸出電流的連接

原輸出電流是Io，現(xiàn)可以近似擴大β倍。

4.2 機械設(shè)計

使用螺絲刀，將所有的元件、電路板等零件固定在亞克力板，將定制的外殼安裝在亞克力板的外面，并用USB線從儲能電池中連接出，同時在從儲能電池中連接出一根電線連在車頭的電燈上。

5 結(jié)論

本設(shè)計應(yīng)在磁鐵價格與線圈匝數(shù)之間尋求平衡，找到成本最低的方案。 這種裝置產(chǎn)生的交變電流對設(shè)計的濾波整流穩(wěn)壓電路板的使用壽命是不利的，實際應(yīng)用時不可能讓它們直接連接，而要經(jīng)過更加完善的電路處理。這種方法產(chǎn)生的電動勢還是很小的，可以考慮用電子線路進行放大。為了防止磨損，在減震器發(fā)電設(shè)計中可在螺線管內(nèi)放入潤滑劑。在車輪磁鐵的安裝裝置上，不但可以安裝在輻條上，也可以安在踏板，飛輪等其他轉(zhuǎn)動部件上。而且由于角速度不同，那些裝置可以沿徑向安裝。由此看來，本設(shè)計還有很大的改進空間。

[1]胡友秋，程福臻，葉邦角.電磁學(xué)與電動力學(xué)（上冊）.北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué).北京：高等教育出版社，2003.

[3]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.