發(fā)電自行車發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)鄧麗敏管聲啟

武永橋

摘 要：在全球無(wú)線連接的時(shí)代，幾乎沒(méi)有什么比讓一個(gè)智能手機(jī)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備保持帶電更重要了。本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)工作，可以實(shí)現(xiàn)便攜發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)基于單片機(jī)GMS97C2051控制的充電電路轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)到鋰電池中，實(shí)現(xiàn)快速充電，解決了戶外騎行電源電量不足的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)設(shè)備充電；機(jī)械傳動(dòng)；發(fā)電機(jī)；集成電路；鋰電池

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的將自行車作為一個(gè)娛樂(lè)休閑健身的項(xiàng)目，與此同時(shí)，還有很多人喜歡騎著自行車到處旅游，而在騎車旅游過(guò)程中的用電問(wèn)題就顯得比較重要，出于對(duì)這種情況的考慮，我的想法是在自行車上安裝一個(gè)小型發(fā)電機(jī)，這個(gè)發(fā)電機(jī)通過(guò)自行車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)裝置能夠?yàn)槲覀冸S身攜帶的用電設(shè)備充電，也可以連接一個(gè)發(fā)光裝置來(lái)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(shè)計(jì)思路

經(jīng)過(guò)改裝的山地自行車擁有了充電裝置，要設(shè)計(jì)自行車的充電裝置，經(jīng)過(guò)充分的準(zhǔn)備與資料收集，充電裝置主要設(shè)計(jì)四個(gè)部分：

1）機(jī)械傳動(dòng)部分：主要進(jìn)行機(jī)械能的傳遞與轉(zhuǎn)換；

2）發(fā)電機(jī)部分：主要進(jìn)行機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換；

3）充放電電路部分：將轉(zhuǎn)換來(lái)的電能經(jīng)過(guò)基于單片機(jī)的集成電路轉(zhuǎn)換為滿足鋰電池充電要求的電能，并為鋰電池進(jìn)行充電。在移動(dòng)設(shè)備需要時(shí)可通過(guò)USB接口為移動(dòng)設(shè)備充電；

4）鋰電池部分：具有良好充放電性能的鋰電池設(shè)計(jì)與選取，是電能的存儲(chǔ)裝置。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)械傳動(dòng)部分依靠齒輪傳動(dòng)，為滿足實(shí)際需求該齒輪齒寬為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并未依據(jù)齒寬系數(shù)設(shè)計(jì)齒輪齒寬，在之后的說(shuō)明中將會(huì)進(jìn)行齒輪機(jī)械強(qiáng)度的校核，在設(shè)計(jì)草稿階段已經(jīng)經(jīng)過(guò)科學(xué)嚴(yán)格的校核計(jì)算，該傳動(dòng)件完全滿足所需強(qiáng)度要求。

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

小齒輪直徑徑24mm，齒數(shù)24，最終齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1∶3為加速傳動(dòng)。實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的正常發(fā)電。

2.2 發(fā)電機(jī)部分設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)部分采用直流發(fā)電機(jī)，發(fā)電平均電壓5V，平均電流1000mA，功率為5W，發(fā)電效率為0.8。由于市場(chǎng)沒(méi)有適用于該裝置的小型發(fā)電機(jī)，所以關(guān)于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)電磁感應(yīng)定律并參考常用直流發(fā)電機(jī)原理與外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，該發(fā)電機(jī)三維裝配圖具有常用發(fā)電機(jī)的所有零件，線圈纏繞采取示意的方法。

該轉(zhuǎn)子線圈纏繞為示意圖，并不代表實(shí)際線圈匝數(shù)，從左向右依次為電刷裝置、絕緣套筒、換向器、繞組鐵芯和風(fēng)扇。實(shí)際上發(fā)電機(jī)非常小，但是依然滿足發(fā)電所需功率，與發(fā)電機(jī)連接的是集成電路模塊，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)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(jī)GMS97C2501，LM324，TL431和三塊鋰電池組成，充電電路中設(shè)有USB接口，為連接移動(dòng)設(shè)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(fù)極之間移動(dòng)來(lái)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?yàn)槟壳吧形窗l(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運(yùn)送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的“塑膠封袋”鋰離子/ 鋰聚合物電池事實(shí)上都是結(jié)合凝膠體和聚合物的混合型電池。

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

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，從而完成了整個(gè)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，具體的組裝圖如下：

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