發電自行車發電裝置的設計鄧麗敏管聲啟

武永橋

摘 要：在全球無線連接的時代，幾乎沒有什么比讓一個智能手機或移動互聯網設備保持帶電更重要了。本設計中，設計了一種可以快速安裝在山地自行車上的充電裝置，該裝置利用自行車運動時的機械能，通過齒輪傳動帶動一臺小型發電機工作，可以實現便攜發電。發電機發出的電能經過基于單片機GMS97C2051控制的充電電路轉換并存儲到鋰電池中，實現快速充電，解決了戶外騎行電源電量不足的問題。

關鍵詞：移動設備充電；機械傳動；發電機；集成電路；鋰電池

隨著現代科技的發展，人們越來越多的將自行車作為一個娛樂休閑健身的項目，與此同時，還有很多人喜歡騎著自行車到處旅游，而在騎車旅游過程中的用電問題就顯得比較重要，出于對這種情況的考慮，我的想法是在自行車上安裝一個小型發電機，這個發電機通過自行車車輪的轉動而將動能轉化為電能，這個裝置能夠為我們隨身攜帶的用電設備充電，也可以連接一個發光裝置來照明，這樣不僅充分的利用了能量，還為我們的騎行提供了方便。

1 設計思路

經過改裝的山地自行車擁有了充電裝置，要設計自行車的充電裝置，經過充分的準備與資料收集，充電裝置主要設計四個部分：

1）機械傳動部分：主要進行機械能的傳遞與轉換；

2）發電機部分：主要進行機械能與電能的轉換；

3）充放電電路部分：將轉換來的電能經過基于單片機的集成電路轉換為滿足鋰電池充電要求的電能，并為鋰電池進行充電。在移動設備需要時可通過USB接口為移動設備充電；

4）鋰電池部分：具有良好充放電性能的鋰電池設計與選取，是電能的存儲裝置。

2 設計結果

2.1 機械傳動部分

機械傳動部分依靠齒輪傳動，為滿足實際需求該齒輪齒寬為非標準設計，并未依據齒寬系數設計齒輪齒寬，在之后的說明中將會進行齒輪機械強度的校核，在設計草稿階段已經經過科學嚴格的校核計算，該傳動件完全滿足所需強度要求。

在圖示的齒輪傳動中，齒輪模數為1，大齒輪直徑72mm，有72齒，中間的齒輪為惰輪，惰輪的參數與小齒輪完全相同，僅具有增大傳動距離的作用。

小齒輪直徑徑24mm，齒數24，最終齒輪傳動的傳動比為1∶3為加速傳動。實現發電機的正常發電。

2.2 發電機部分設計

發電機部分采用直流發電機，發電平均電壓5V，平均電流1000mA，功率為5W，發電效率為0.8。由于市場沒有適用于該裝置的小型發電機，所以關于發電機的設計依據電磁感應定律并參考常用直流發電機原理與外形進行設計，該發電機三維裝配圖具有常用發電機的所有零件，線圈纏繞采取示意的方法。

該轉子線圈纏繞為示意圖，并不代表實際線圈匝數，從左向右依次為電刷裝置、絕緣套筒、換向器、繞組鐵芯和風扇。實際上發電機非常小，但是依然滿足發電所需功率，與發電機連接的是集成電路模塊，將發電機發出的電能轉換成充電所需電能。

2.3 充電電路部分

充電電路部分主要是由集成電路，單片機GMS97C2501，LM324，TL431和三塊鋰電池組成，充電電路中設有USB接口，為連接移動設備充電使用。

2.4 鋰電池的選用

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。

鋰電池的充電原理是：鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物（鋰離子/鋰聚合物電池）、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數的“塑膠封袋”鋰離子/ 鋰聚合物電池事實上都是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。

正極或負極必須具有類似海綿的物理結構，以釋放或接收鋰離子。在放電時，鋰離子從負極材料移出至電解液，再像水進入海綿一樣地進入正極材料，這個過程被稱為嵌入（Intercalation）。充電的過程則完全相反。

通過對發電機各個部分的設計，從而完成了整個發電機的設計問題，具體的組裝圖如下：

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