1 / 6 自行车发电照明装置的讨论与设计自行车发电照明装置的讨论与设计 张泽坤 少年班学院 PB10000824 指导教师：程福臻，林宣滨 2011.52 / 6 摘要摘要：： 本文讨论了利用普通自行车动能的发电装置， 可以用于自行车的夜间照明与灯光警示并设计了一种结构简单，成本低廉的装置用于闪光警示，其实用性有待实验测试 引言引言 骑自行车夜行时照明是最大的问题 为了让其他行人车辆发现自己，还 需要警示装置如果它们使用外部 电源，不但结构复杂而且需要经常 更换电池所以，利用自行车骑行 时的动力发电点亮灯泡照明，并设 法使全套装置高度集成，能方便地 安装在自行车上是解决问题的最好 途径 ⅠⅠ 利用利用小型小型发电机照明发电机照明 基本思路：将车轮的转动转化为小 型直流发电机转子的转动，点亮灯泡 基本结构：直流发电机（线圈不动型） ，转轴，灯泡 该类型的照明灯已有较成熟的商品面世 （如图 2）可以通过转动轴承来控制 转轴与车轮的接触与否，从而控制灯的开关 特点与不足： 输出功率较大，可达 15W； 安装简单，操作简便； 成本仍嫌较高； 有些部分易磨损，寿命不够长。
图 1 图 2 3 / 6 下面介绍自己设计的简易闪光装置，用于夜间警示 ⅡⅡ 利用永磁体与线圈发电闪利用永磁体与线圈发电闪光光 一、一、 基本原理： 当螺线管与条形磁铁相对运动时，螺线管的线圈中会 产生感应电动势（如图 3） 二、二、 基本思路： 在车轮上安装一根两端封闭的螺线管，内部放入一根 稍短的条形磁铁，当车轮转动时，磁铁也在螺线管中 来回运动，线圈切割磁感线产生电流 三、三、 设计： 下面的计算与分析基于以下的合理假设： 自行车车轮半径自行车车轮半径 R R = = 0.3m0.3m 行驶速度行驶速度 v v = = 5m/s5m/s 角速度ω角速度ω= = v/Rv/R = = 17 rad/s17 rad/s 自行车匀速行驶，为惯性系自行车匀速行驶，为惯性系 ⒈⒈ 螺线管的安装方式螺线管的安装方式 ⑴ 与辐条平行时（如图 4） ： 设螺线管与车轴相距 r； 设螺线管与竖直方向夹角为θ 时， 管中的磁 铁开始向下滑动； 忽略摩擦时有： 2cosrFmgFmθω，则 2r cos1gωθ， 22210/0.03(17/ )gm srmrad sω故当 r>0.03m 时，磁铁将永不下滑，装置卡死。
但轮轴的半径已有 1~2cm，加上r 图 3 图 4 4 / 6 螺线管的长度，该条件无法被满足所以螺线管不能与辐条平行 ⑵ 与辐条垂直（如图 5） ： 设螺线管长 2l 螺线管经过车轮下部时，磁铁滑动到 A 端；与竖直方向夹角为θ 时，管中的磁铁 开始滑向 B 端 沿螺线管方向： 2tansincosl r F rFm φφ = mg sinθωφ可令θ =90°，则 20.03glmω这是可以实现的 以下就取螺线管长 L=2l=0.06m ⒉⒉ 装置核心装置核心基本参数基本参数的设计的设计 下面的推导基于以下假设： 条形磁铁端部的磁感应强度条形磁铁端部的磁感应强度 B=B=1 1T T 由于磁铁受螺线管的斥力远小于重力，由于磁铁受螺线管的斥力远小于重力，摩擦忽略，摩擦忽略，为自由下落为自由下落 条形磁铁与螺线管接触紧密，截面积条形磁铁与螺线管接触紧密，截面积 S=S=2 2cmcm2 2= =2 2××1010- -4 4m m2 2 螺线管两端绕有长螺线管两端绕有长 2cm2cm 的线圈，匝数都为的线圈，匝数都为 n n 磁铁长磁铁长 4cm4cm，使得它完全进入一个线圈时，完全脱离另一个线圈。
假设它脱，使得它完全进入一个线圈时，完全脱离另一个线圈假设它脱离时离时线圈的磁通量为完全进入时的三分之一线圈的磁通量为完全进入时的三分之一 （如图 6） 完全进入时的磁通量： sB dSnBSΨA B 图 5 5 / 6 2 3ΨΨ设磁铁从上端自由下落： 212)2 2gthcmhtg（使两截线圈反接，它们产生的感应电动势方向相同 总电动势： 34 t32 (4.2 10)gnBSh n VΨΕ =2发光材料选用发光二极管（LED） 磷砷化镓二极管 发红光，工作电压可低至 U=2V LED 的内阻远大于线圈，可认为它两端的电压等于电动势 可求出：n=500 故选用 500 匝线圈就能点亮二极管 ⒉⒉ 电路与其机械设计电路与其机械设计 因磁铁在螺线管中来回运动，所以产生的是交变电流根据 二极管的单向导电性，可以用两个方向相反的二极管并联 这样两个二极管交替发光，正好起到闪光作用（如图 7） 闪光频率为车轮转动频率的二倍 v25.3Hz2 r足以产生较明显的闪光效果 螺线管应选用硬塑料，以减小摩擦为防止磁铁在端部卡住，可以使螺线管有一 定弧度，便于磁铁下滑。
为了延长使用寿命，在螺线管一端安装一根可推动的短杆，不需要闪光时把它推 进，抵住磁铁使它不动 四、四、 小结 将所有的装置集成在一块塑料板上，制成与自行车反光灯（如图 8）外形类似的 成品 它的安装方式、 位置、 用途也和反光灯如出一辙 但它相比反光灯更为 “主 动” ，可以让自行车不止被其他车辆，还有行人发现，效果也更好 由于上述推导分析中有大量的近似，只能证明这种想法的可行性，具体设计需要 更精确的计算和大量的实验 由计算可以看出， 限制此装置效果的主要是磁铁的磁感应强度和二极管的发光强图 6 图 7 6 / 6 度 改进方向：改进方向： 虽然钕铁硼永磁体的磁感应强度可以 达到 1T 的量级，但它的价格较高应 在磁铁价格与线圈匝数之间寻求平衡， 找到成本最低的方案 这种装置产生的交变电流对延长二极 管的使用寿命是不利的， 实际应用时不 可能让它们直接连接， 而要经过电路处 理 这种方法产生的电动势还是很小的， 应 选用工作电压小的发光二极管， 同时可 以考虑用电子线路进行放大 为了防止磨损， 可在螺线管内放入润滑 剂同时开关的设计过于简陋，大有改 进的余地 该装置不但可以安装在辐条上，也可以安在踏板，飞轮等其他转动部件上。
而且 由于角速度不同，那些装置可以沿径向安装 „„ 参考书目：参考书目： 胡友秋，程福臻，叶邦角.2008.电磁学与电动力学电磁学与电动力学（上册）.北京：科学出版社 赵凯华，陈熙谋.2003.电磁学电磁学.北京：高等教育出版社 杨维纮.2008.力学与理论力学力学与理论力学（上册）.北京：科学出版社 (美)费恩曼,莱顿,桑兹.2005.费恩曼物理学讲义费恩曼物理学讲义（第二卷）.李洪芳，王子辅， 钟万蘅译.上海：上海科学技术出版社 照片来自： 结构图用几何画板绘制 算式用 MathType 制作 图 8 。