朱英翠，趙建偉，王志橋，周慶祥，孫丹丹

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

飛輪在自行車供能系統(tǒng)中的應(yīng)用*

朱英翠，趙建偉，王志橋，周慶祥，孫丹丹

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

在自行車供能系統(tǒng)中采用飛輪主要利用了飛輪轉(zhuǎn)速高和慣性大的特點(diǎn)。自行車供能系統(tǒng)的功能方式有兩種，分別為太陽能發(fā)電和電磁發(fā)電，本文主要圍繞電磁發(fā)電展開討論。所謂電磁發(fā)電，即利用電磁感應(yīng)定律，使線圈在磁場中作切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，為蓄能裝置充電，通過將線圈固定于飛輪上作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，可充分利用飛輪轉(zhuǎn)速高和慣性大的特點(diǎn)，在整個騎行過程中可持續(xù)高效地為蓄能裝置供電，滿足用電需求。通過合理的齒數(shù)搭配可實(shí)現(xiàn)飛輪直接通過鏈條與自行車傳動部分相連，使得飛輪發(fā)電部分與市場現(xiàn)有的大部分自行車具有良好的適應(yīng)性。

自行車；電磁感應(yīng)；飛輪；高速；傳動；供電

私家車出行不僅造成交通擁堵，而且造成了環(huán)境污染，面臨越來越嚴(yán)重的霧霾，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，綠色出行將成為趨勢，而作為綠色出行的主力軍，自行車必將成為絕大多數(shù)人的選擇。但是，自行車出行也往往有許多困擾，比如夜間騎行的照明問題、隨身電器的充電問題、長途騎行的助力問題等。為了解決這些問題，自行車供能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而發(fā)電效率較高的電磁發(fā)電就有可能成為首選，本文討論的飛輪發(fā)電系統(tǒng)則可稱為是一種高效率、可持續(xù)的發(fā)電方式。

1 設(shè)計(jì)方案

自行車供能系統(tǒng)電磁發(fā)電的部分利用了飛輪，通過將永磁體固定作為定子，將線圈固定于飛輪上隨飛輪作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，可充分利用飛輪轉(zhuǎn)速高和慣性大的特點(diǎn)，在整個騎行過程中可持續(xù)為蓄能裝置供電，滿足騎行過程中對電力的需求。通過合理的齒數(shù)搭配可實(shí)現(xiàn)飛輪直接通過鏈條與自行車傳動部分相連，在保障傳動穩(wěn)定性的前提下使得飛輪發(fā)電部分與市場現(xiàn)有的大部分自行車具有良好的適應(yīng)性。

1.1 電磁發(fā)電

比較現(xiàn)有的發(fā)電方式并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，自行車供能系統(tǒng)采用了能量損耗較小，并且發(fā)電效率較高的電磁發(fā)電。所謂電磁發(fā)電，即利用電磁感應(yīng)定律，使線圈在磁場中作切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電流，為蓄能裝置充電實(shí)現(xiàn)功能。若將傳統(tǒng)小型發(fā)電機(jī)直接應(yīng)用于自行車，將不可避免的存在較大的機(jī)械摩擦，這將不利于騎行，而我們所采用的電磁發(fā)電避免了發(fā)電部分與傳動部分的直接接觸，進(jìn)而減少了機(jī)械摩擦，基本不影響騎行。

1.2 飛輪的應(yīng)用

飛輪是一種新型的機(jī)械儲能裝置，它可以將電能、轉(zhuǎn)動能、制動能,或者諸如風(fēng)能、太陽能等自然能轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)動能加以儲存，大儲能、強(qiáng)功率、高效率、無污染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護(hù)簡單、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作、可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)制造等優(yōu)點(diǎn)[1]。切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢公式為：E=nBSω，顯然增大轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速即可增大感應(yīng)電動勢的，通過采用飛輪就可達(dá)到這一目的，由于飛輪的工作特性，飛輪通常安裝于高速軸上，而通過將線圈安裝于飛輪上就可以較為輕松地獲取大的角速度，保證了發(fā)電的功率與效率。并且飛輪往往具有較大的自重，因此即使在不施加外力的情況下，飛輪仍可以保持一段時間的轉(zhuǎn)動，這就保證了在騎行過程中發(fā)電的持續(xù)性。飛輪通過自行車可鎖死的活飛裝置與軸相連，活飛不鎖死時，飛輪可實(shí)現(xiàn)發(fā)電的預(yù)設(shè)功能，當(dāng)騎行過程中突遇爬坡或其它艱難路況時，可鎖死該活飛，飛輪由于慣性和高速的旋轉(zhuǎn)可為后輪提供額外的驅(qū)動力，使騎行更加輕松。

2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

理論上講，飛輪通常安裝于高速軸，這意味著飛輪的安裝軸需要較高的轉(zhuǎn)速，但是鏈傳動又不適用于高速場合，為了解決這一問題，我們充分利用了齒輪的傳動特點(diǎn)，對自行車用的齒輪加鏈條傳動進(jìn)行了深入了解，發(fā)現(xiàn)通過合理的齒輪搭配就可以以較低的傳動速度得到較大的轉(zhuǎn)速，保證傳動的穩(wěn)定性。自行車齒輪通過鏈傳動時角速度與半徑的關(guān)系為：ω1/ω2=r2/r1，可見，在齒輪模數(shù)相同的情況下，只需增大前一級齒輪的半徑即可增大后一級齒輪的角速度，即以低的傳動速度得到高轉(zhuǎn)速，飛輪傳動的結(jié)構(gòu)如圖1。同時采用鏈傳動使得飛輪發(fā)電部分與市場現(xiàn)有的大部分自行車具有良好的適應(yīng)性，而且現(xiàn)有的自行車大部分都具有變速功能，可較為輕松地使飛輪轉(zhuǎn)動起來。

圖1 飛輪傳動部分

3 創(chuàng)新點(diǎn)

1) 以全新結(jié)構(gòu)的電磁發(fā)電代替了傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，避免了發(fā)電部分與傳動結(jié)構(gòu)的直接接觸，降低了機(jī)械摩擦，減少了騎行負(fù)擔(dān)。

2) 在發(fā)電結(jié)構(gòu)中大膽引進(jìn)飛輪，并且充分利用了飛輪轉(zhuǎn)速高慣性大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)、高效率的發(fā)電，滿足了騎行過程中的用電需求。

3) 通過對傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以較低的傳動速度實(shí)現(xiàn)了飛輪的高轉(zhuǎn)速，保留了鏈傳動，使得飛輪發(fā)電部分與現(xiàn)有的自行車有較高的兼容性，可直接安裝。

4 應(yīng)用前景

當(dāng)今社會，私家車出行不僅造成交通擁堵，而且造成了環(huán)境污染，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，綠色出行逐漸成為大多數(shù)人的選擇，而自行車又成為綠色出行的首選，本文設(shè)計(jì)的飛輪發(fā)電裝置，從滿足人們出行用電需求為起點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)，對傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行大膽設(shè)計(jì)，對先進(jìn)原理技術(shù)大膽應(yīng)用，在不影響基本騎行的情況下實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)、高效率的發(fā)電，可直接安裝于絕大多數(shù)自行車上，滿足了人們騎行過程中的用電需求，為自行車的環(huán)保出行及自行車的長距離出行提供了保障，使得騎行更加方便，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 趙韓.飛輪儲能裝置設(shè)計(jì)初探[J].太陽能學(xué)報，2002，23(4)：493-497.

The Application of Flywheel in Energy Supply System of Bicycle

Zhu Yingcui, Zhao Jianwei, Wang Zhiqiao, Zhou Qingxiang, Sun Dandan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Flywheel is mainly used in bicycle power system with its characteristics of high speed and the big inertia. There are two ways for the energy supply system of bicycle which are solar power and electromagnetic power. The articles mainly discusses the electromagnetic power generation. The so-called electromagnetic power generation is to use the law of electromagnetic induction to make the coil in the magnetic field for cutting magnetic line motion, then produce electromotive force and charge for energy storage device. The coil is fixed on the flywheel to rotate as the rotor, which can fully utilize the characteristics of high speed and large inertia of the flywheel, and the power supply of the energy storage device can be continuously and efficiently made in the whole riding process, and the utility model can meet the requirement of electricity consumption. The flywheel can be directly connected with the transmission part of the bicycle through a chain with reasonable tooth number matching, so that the flywheel power generation part has good adaptability to most existing bicycles in the market.

bicycle; electromagnetic induction; flywheel; high speed; drive; power supply

2016-11-04

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510448032)

朱英翠(1996- )，女，山東菏澤人，本科在校，研究方向：機(jī)械電子/能源與動力工程。

1674- 4578(2017)01- 0015- 02

U484；TM619

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