羅立生， 李新， 任曉東， 陳運(yùn)， 聞新

（沈陽航空航天大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院；b.航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通工具的大量使用，人們越來越倡導(dǎo)健康、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)性發(fā)展并存的生活方式［1-4］。傳統(tǒng)交通工具采用的不可再生能源（如汽油、柴油等）所帶來的污染日益嚴(yán)重，為了緩解環(huán)境的污染，越來越多的人選擇自行車作為自己上班和出行的交通工具。由于自行車沒有照明系統(tǒng)，特別是在農(nóng)村，沒有路燈，給自行車夜間出行帶來了許多不便，有人將手電筒放在自行車上用于照明，但其必須使用電池或拆下充電，而使用電池并不環(huán)保，拆卸充電又不方便。隨著手電筒壽命的變短，這兩種照明方式的照明時間也就變短，這就不適合夜間的長時間騎行。

本文設(shè)計了一種通過人的重力作用，使彈簧壓縮帶動壓桿，壓桿帶動齒輪轉(zhuǎn)動，繼而帶動環(huán)形磁鐵槽內(nèi)的銅絲線圈高速轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)切割磁感線運(yùn)動，從而使微型發(fā)電機(jī)發(fā)電。外接可充電蓄電池、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、LED燈，輸出電壓經(jīng)過處理后能夠儲存起來，也可通過電源低壓適配器充電作為補(bǔ)充，用于給各回路供電及手機(jī)、手電筒等電子產(chǎn)品的充電。

圖1 自行車車燈供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 設(shè)計原理

1.1 原理框圖

參照圖1所示，基于人重力作用下自行車車燈供電系統(tǒng)由減振模塊、機(jī)械齒輪壓桿模塊、微型發(fā)電機(jī)模塊、蓄電池模塊、左右轉(zhuǎn)向燈、喇叭、LED燈組成。減振模塊由車座、2個彈簧、2個鎖緊螺栓，1個半圓鍵組成；機(jī)械齒輪壓桿模塊由1個可繞軸轉(zhuǎn)動的壓桿和變速齒輪組成，變速齒輪和微型發(fā)電機(jī)的單向啟動齒輪嚙合；所述微型發(fā)電機(jī)主要包括銅漆包線圈、環(huán)形磁鐵槽、單向啟動齒輪；喇叭、轉(zhuǎn)向燈、照明電路模塊并聯(lián)后連接至蓄電池模塊［5］。

1.2 減振模塊設(shè)計

參照圖2所示，減振模塊是一種利用振動的上下伸縮過程進(jìn)行動作。車座1與車座軸2連接，車座夾4夾緊在車軸上，車座夾7夾緊在車架豎軸的進(jìn)口處；彈簧6穿過車座軸2并安裝在2個車座夾之間，螺栓3用于鎖緊車座夾4，以防止車座夾4向上滑動，從而影響振動距離；車座軸與車架的連接處使用半圓鍵11連接，車架豎軸和車座軸的接合處均開有寬度相同的鍵槽，車架豎軸處鍵槽的長度比車座軸的鍵槽長，這樣半圓鍵11相當(dāng)于滑塊，車架豎軸鍵槽為滑槽，從而保證了振動的距離；回程彈簧13使用螺母14進(jìn)行軸向鎖緊；墊塊12可以預(yù)防回程彈簧和車座軸的混亂連接。

圖2 減振模塊

1.3 發(fā)電機(jī)設(shè)計

參照圖3所示，微型發(fā)電機(jī)17主要由銅漆包線圈、環(huán)形磁鐵槽、單向啟動齒輪組成；如圖4所示，機(jī)械齒輪壓桿模塊由一個可繞軸轉(zhuǎn)動的壓桿9和變速齒輪15組成，變速齒輪和微型發(fā)電機(jī)的單向啟動齒輪16嚙合。當(dāng)由于人的重力作用使彈簧壓縮時，連桿5帶動曲柄滑塊8向左移動，壓桿9帶動搖桿 10，搖桿驅(qū)動變速齒輪作逆時針轉(zhuǎn)動，變速齒輪帶動微型發(fā)電機(jī)的單項啟動齒輪作順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動環(huán)形磁鐵槽內(nèi)的銅絲線圈高度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)切割磁感線的效果，線圈切割不同極性磁極下的磁感線，產(chǎn)生感生電動勢。

當(dāng)滑塊運(yùn)動到最左端時，車座軸在壓縮彈簧和回程彈簧彈性力的作用下往上運(yùn)動，連桿帶動曲柄滑塊向右移動，搖桿繼續(xù)帶動變速齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，變速齒輪帶動微型發(fā)電機(jī)單向齒動齒輪順時針轉(zhuǎn)動。由于路面不像玻璃一樣光滑平整，所以發(fā)電機(jī)就一直能處于工作的狀態(tài)。交流發(fā)電機(jī)電壓Em=NBSωt其中：N為線圈匝數(shù)，B為磁場強(qiáng)度，S為線圈有效截面積，ω為單向啟動齒輪轉(zhuǎn)動的角速度（若已知轉(zhuǎn)速n，可得ω=2πn）。通過改變線圈匝數(shù)、磁場強(qiáng)度、線圈有效截面積和角速度來增大發(fā)電機(jī)的輸出功率［6-8］。

圖3 發(fā)電機(jī)示意圖

圖4 機(jī)械齒輪壓桿模塊和發(fā)電機(jī)示意圖

圖5 電路工作原理圖

1.4 供電系統(tǒng)電路設(shè)計

參照圖5所示，微型發(fā)電機(jī)17將所發(fā)出的電能提供給各個回路。閉合開關(guān)K3喇叭21鳴笛；把開關(guān)K2打到右觸點(diǎn)，右轉(zhuǎn)向燈亮，打到左觸點(diǎn)，左轉(zhuǎn)向燈亮；照明電路模塊的若干個發(fā)光二極管（LED）并聯(lián)后與一個控制開關(guān)K4串聯(lián)，減振模塊工作時微型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流輸出到LED燈，可以使LED燈發(fā)光，從而達(dá)到晚上出行照明的作用。

蓄電池模塊18由一個充電電池和充電電路組成。能將微型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流通過充電電路存儲到電池中，也能將電源適配器的電能通過充電電路存儲到蓄電池中。

圖6 供電系統(tǒng)裝置總圖

1.5 該系統(tǒng)總體設(shè)計與使用方法

將上述各裝置連接好后裝到自行車上，如圖6所示。當(dāng)開關(guān)K1的B、C腳閉合時，在人的重力作用下，壓桿帶動搖桿轉(zhuǎn)動時，人的重力通過齒輪傳動到微型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，將發(fā)出的電能直接給各回路供電，開關(guān)K2打到右觸點(diǎn)，右轉(zhuǎn)向燈19亮，打到左觸點(diǎn)，左轉(zhuǎn)向燈20亮，開關(guān)K3閉合喇叭21響起，開關(guān) K4閉合，3個 LED燈22亮；當(dāng)開關(guān)K1的A、C腳閉合時，蓄電池18給各回路供電，工作情況與上述相同；當(dāng)開關(guān)K1的A、B腳閉合時，將重力作用下產(chǎn)生的電能儲存；也可以通過電源低壓適配器給蓄電池充電。

圖7 照明實(shí)物圖

2 該系統(tǒng)車燈安裝方案

本文設(shè)計的自行車車燈照明系統(tǒng)的試驗結(jié)果如圖7所示，車燈安裝的位置決定著燈光的射程，其安裝的位置分為兩種方法。第一種方案，如圖7（a）是：將車燈固定在自行車的車把上，其缺點(diǎn)是使用電線過長，隨著車的顛簸車燈易接觸不良，且只能照到車前的地方。如圖7（b），第二種方案是：將車燈固定在車座下的車座軸上，這樣可以縮短發(fā)電機(jī)線路到車燈的距離，缺點(diǎn)是只能照到自行車下面的范圍。這兩種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，安裝時可視情況而定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種關(guān)于人重力作用下自行車車燈的供電系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計理念和工作原理進(jìn)行了深入的分析。并提出了通過改變線圈匝數(shù)、磁場強(qiáng)度、線圈有效截面積和角速度來增大微型發(fā)電機(jī)的輸出功率。發(fā)電裝置的動力源是人的重力，打破了自行車需要靠外界電源照明的思維。該系統(tǒng)的發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電動勢還是比較小的，可以考慮用電子線路進(jìn)行放大［9-10］。由此看來，本設(shè)計還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

［1］ 田凱，徐長奎.混合儲能平抑風(fēng)電功率的方法研究［J］.應(yīng)用科技，2015，42（2）：1-5.

［2］ 劉助仁.新能源：緩解能源短缺和環(huán)境污染的新希望［J］.科技與經(jīng)濟(jì)，2008（1）：35-37.

［3］ HARDAN F，BLEIJS J A M，JONES R.Bi-directional power controlforflywheelenergy storagesystem with vectorcontrolled induction machine drive［C］//Seventh International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives，London，1998：477-482.

［4］ 邢向上，姜新建.飛輪儲能系統(tǒng)電機(jī)及其控制器概述［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2015（2）：147-152.

［5］ 陳建忠，程鐘慧.手壓式自發(fā)電暖手寶［J］.輕工機(jī)械，2012，11（2）：76-78.

［6］ 高志.機(jī)械原理［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，2011.

［7］ 竺士章.發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)試驗［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［8］ 陳烽，周偉，范智翔，等.彈簧儲能機(jī)構(gòu)斷路器控制回路燒壞合閘線圈的防范措施［J］.中國西部科技，2011，10（10）：24-25.

［9］ 劉佰龍，石群.減震自行車發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的研究［J］.科技傳播，2014，22（6）：75-76.

［10］ JERBI L，KRICHEN L，QUALI A.A fuzzy logic supervisor for active and reactive power control of a variable speed wind energy conversation system associated to a flywheel storage system ［J］.Electric Power System Research，2009，79（6）：919-925.