減震自行車發電系統設計的研究

劉佰龍，石 群

內蒙古工業大學，內蒙古呼和浩特 010080

1 國內外研究現狀

目前，國內外對自行車發電的研究很多，自發電自行車技術也逐漸成熟。但是，市場上見到的發電設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，自行車的發電就會因為車輪轉速的限制而大大減少發電量，造成能源浪費。本設計恰恰利用減震彈簧的震動再次利用其能量，使得發電得以繼續。同時，本設計的另一個創新之處是還可以將自行車的發電存儲起來，以備車燈供電以及手機等電子產品的充電。

2 減震發電

2.1 基本原理

當螺線管與條形磁鐵相對運動時，螺線管的線圈中會產生感應電動勢。

2.2 基本思路

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

2.3 具體設計

它是一種利用震動的上下伸縮過程進行發電的減震器。包括減震裝置和震動收集轉換裝置，震動收集轉換裝置包括一個與減震缸筒固定的發電缸筒、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作用使柱形磁鐵在發電缸筒內上下運動，發電缸筒帶動線圈，使柱形磁體和線圈相互運動產生電能，電能由導線輸出 。

3 車輪轉動發電

3.1 基本原理

當螺線管與在車輪上轉動的條形磁鐵相對運動時，螺線管的線圈中會產生感應電動勢。

3.2 基本思路

將車輪的轉動轉化為小型直流發電機轉子的轉動，產生電流。

3.3 具體設計

1）計算與分析基于以下的合理假設：

?

2）計算分析與參數設計

∵每分鐘轉的圈數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 ；

∵電子產品的充電電壓只需5V而E=5.2v＞5v ；

∴以上參數的設計比較合理。

4 電路與其機械設計

4.1 電路設計

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導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成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導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成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。如此重復下去，結果在Rfz 上便得到全波整流電壓。

2）濾波電路

當流過電感的電流變化時，電感線圈中產生的感生電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產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化成磁場能存儲于電感之中；當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通角增大。

3）穩壓電路

最簡單的方法是使用一個穩壓二極管。穩壓管是利用反向擊多區的穩壓特性進行工作的，因此，穩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，現可以近似擴大β倍。

4.2 機械設計

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 結論

本設計應在磁鐵價格與線圈匝數之間尋求平衡，找到成本最低的方案。 這種裝置產生的交變電流對設計的濾波整流穩壓電路板的使用壽命是不利的，實際應用時不可能讓它們直接連接，而要經過更加完善的電路處理。這種方法產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，在減震器發電設計中可在螺線管內放入潤滑劑。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，本設計還有很大的改進空間。

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

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學.北京：高等教育出版社，2003.

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