基于人體重力的機械儲能裝置的設計

羅立生， 李新， 任曉東， 陳運， 聞新

（沈陽航空航天大學a.機電工程學院；b.航空航天工程學部，沈陽 110136）

0 引言

隨著經濟的快速發展和交通工具的大量使用，人們越來越倡導健康、節能環保、可持續性發展并存的生活方式［1-4］。傳統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重，為了緩解環境的污染，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，特別是在農村，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，壓桿帶動齒輪轉動，繼而帶動環形磁鐵槽內的銅絲線圈高速轉動，實現切割磁感線運動，從而使微型發電機發電。外接可充電蓄電池、轉向燈、喇叭、LED燈，輸出電壓經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充，用于給各回路供電及手機、手電筒等電子產品的充電。

圖1 自行車車燈供電系統結構框圖

1 設計原理

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由減振模塊、機械齒輪壓桿模塊、微型發電機模塊、蓄電池模塊、左右轉向燈、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；機械齒輪壓桿模塊由1個可繞軸轉動的壓桿和變速齒輪組成，變速齒輪和微型發電機的單向啟動齒輪嚙合；所述微型發電機主要包括銅漆包線圈、環形磁鐵槽、單向啟動齒輪；喇叭、轉向燈、照明電路模塊并聯后連接至蓄電池模塊［5］。

1.2 減振模塊設計

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進行軸向鎖緊；墊塊12可以預防回程彈簧和車座軸的混亂連接。

圖2 減振模塊

1.3 發電機設計

參照圖3所示，微型發電機17主要由銅漆包線圈、環形磁鐵槽、單向啟動齒輪組成；如圖4所示，機械齒輪壓桿模塊由一個可繞軸轉動的壓桿9和變速齒輪15組成，變速齒輪和微型發電機的單向啟動齒輪16嚙合。當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，搖桿驅動變速齒輪作逆時針轉動，變速齒輪帶動微型發電機的單項啟動齒輪作順時針轉動，進而帶動環形磁鐵槽內的銅絲線圈高度旋轉，實現切割磁感線的效果，線圈切割不同極性磁極下的磁感線，產生感生電動勢。

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

圖3 發電機示意圖

圖4 機械齒輪壓桿模塊和發電機示意圖

圖5 電路工作原理圖

1.4 供電系統電路設計

參照圖5所示，微型發電機17將所發出的電能提供給各個回路。閉合開關K3喇叭21鳴笛；把開關K2打到右觸點，右轉向燈亮，打到左觸點，左轉向燈亮；照明電路模塊的若干個發光二極管（LED）并聯后與一個控制開關K4串聯，減振模塊工作時微型發電機產生的電流輸出到LED燈，可以使LED燈發光，從而達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。能將微型發電機產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 供電系統裝置總圖

1.5 該系統總體設計與使用方法

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

圖7 照明實物圖

2 該系統車燈安裝方案

本文設計的自行車車燈照明系統的試驗結果如圖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，這樣可以縮短發電機線路到車燈的距離，缺點是只能照到自行車下面的范圍。這兩種方法都有優缺點，安裝時可視情況而定。

3 結論

本文設計了一種關于人重力作用下自行車車燈的供電系統，并對該系統各個模塊的設計理念和工作原理進行了深入的分析。并提出了通過改變線圈匝數、磁場強度、線圈有效截面積和角速度來增大微型發電機的輸出功率。發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。該系統的發電裝置所產生的電動勢還是比較小的，可以考慮用電子線路進行放大［9-10］。由此看來，本設計還有進一步改進的空間。

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