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[摘要]針對(duì)目前存在的自行車輻條上安裝磁鐵并利用線圈切割磁感線發(fā)電的無摩擦發(fā)電裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足易于裝卸的需求。

[關(guān)鍵詞]高中物理；易裝卸自行車發(fā)電裝置

1研究目的及意義

分析現(xiàn)有發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)與原理，概括與總結(jié)現(xiàn)有自行車發(fā)電裝置的優(yōu)勢(shì)與局限，重新設(shè)計(jì)出一款易于裝卸的自行車發(fā)電裝置。解決人們的電子設(shè)備“耗電快、充電難”的問題和出行的后顧之憂，大幅提升人們的出行質(zhì)量與工作效率。

2研究現(xiàn)狀分析

2.1無摩擦發(fā)電

此裝置可保證裝置較為輕便以及騎乘時(shí)阻力較小。但因其線圈組暴露在外，受外界條件干涉較大，且裝置不便于拆卸，因此不適用于日常生活中的使用。

2.2齒輪傳動(dòng)發(fā)電

其局限性在于無法滿足公路或山地自行車在變速后齒輪的重新嚙合，并且其裝置自身缺乏整流及穩(wěn)壓模塊導(dǎo)致其無法產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電供用電器使用,還無法滿足裝置易于裝卸的需求，同樣不具有普適性。通過對(duì)比分析不難看出，“易于裝卸”是目前的自行車發(fā)電裝置亟待解決的關(guān)鍵點(diǎn)。同時(shí)還應(yīng)重視裝置的保護(hù)以及整流、穩(wěn)壓模塊的使用。

3設(shè)計(jì)思路

3.1原理分析

基本原理就是電磁感應(yīng)原理。發(fā)電部分由強(qiáng)磁鐵片（條）和線圈組成，當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因車輪不斷旋轉(zhuǎn)，線圈能切割磁感線而在線圈內(nèi)產(chǎn)生方向和大小隨時(shí)間做周期性變化的交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及交變電流。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將磁鐵固定在自行車車輪輻條上，將線圈固定于自行車車架某處，以達(dá)到行駛時(shí)二者能夠發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的目的。

3.2.1流程設(shè)計(jì)

電流產(chǎn)生后即通過整流、穩(wěn)壓模塊輸出為穩(wěn)恒電流，供用電器使用。要使用整流橋把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。通過穩(wěn)壓模塊后才能給移動(dòng)電源充電，進(jìn)而供用電器使用。穩(wěn)壓模塊是非隔離降壓恒流、恒壓模塊，其中輸入電壓為4～35V，輸出電壓為連續(xù)可調(diào)（1.25～25V）。

3.2.2部件及模塊設(shè)計(jì)

磁鐵組設(shè)計(jì)：使用場(chǎng)強(qiáng)為960GS的銣鐵硼片狀磁鐵，直徑為50mm，厚度5mm。在自行車輻條上距中心軸盡可能遠(yuǎn)的地方布置磁體，等間隔地布置一圈磁體作為轉(zhuǎn)子，且間隔為磁體直徑大小。磁體圓心距離軸心的最大距為R-r(其中R，r分別為輻條半徑、磁體半徑)，其圓心所在圓周的最大周長(zhǎng)是2π(R-r)，自行車輻條上最多布置磁體的數(shù)目n應(yīng)該是磁體圓心所在的周長(zhǎng)除以磁體的直徑所得數(shù)目的一半，即選用20車型即輻條半徑為330mm，安置磁體圓心到軸心的距離R＇為300mm。為了提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，選用兩片磁鐵疊在一起當(dāng)做一個(gè)使用，共用10個(gè)磁體，固定在自行車輻條上，同一而極性相同。線圈設(shè)計(jì)：線圈模板參數(shù)如下：模板內(nèi)徑15mm，模板外徑25mm，模板高度10mm。在線圈與磁體間距為10mm處，車輪速度25km/h的情況下，4種線徑不同的線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在5.4V～25.2V范圍內(nèi)。選用線徑為0.45mm的線圈。本設(shè)計(jì)選擇了10個(gè)線圈，采用兩兩串連共5組再并聯(lián)的方式，組裝成線圈組，固定在前叉模板上。前叉模板設(shè)計(jì)：通過對(duì)SolidWorks軟件的學(xué)習(xí)加之對(duì)自行車軸承以及前叉部分的真實(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

4展望

筆者將著手解決以下幾點(diǎn)：設(shè)計(jì)出整流、穩(wěn)壓模塊的固定位置、方式以及保護(hù)措施，并繼續(xù)進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，完善模板、輻條上的固定結(jié)構(gòu)，完成磁鐵片、前叉模板安裝方法的優(yōu)化。

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[4]戴聘聘，陳琦，楊彥青.一種易裝卸的自行車發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].汽車電子，2016：246.

作者:史恩瑞 單位:北京市昌平區(qū)第二中學(xué)