发电自行车发电装置的设计邓丽敏管声启

武永桥

摘 要：在全球无线连接的时代，几乎没有什么比让一个智能手机或移动互联网设备保持带电更重要了。本设计中，设计了一种可以快速安装在山地自行车上的充电装置，该装置利用自行车运动时的机械能，通过齿轮传动带动一台小型发电机工作，可以实现便携发电。发电机发出的电能经过基于单片机GMS97C2051控制的充电电路转换并存储到锂电池中，实现快速充电，解决了户外骑行电源电量不足的问题。

关键词：移动设备充电；机械传动；发电机；集成电路；锂电池

随着现代科技的发展，人们越来越多的将自行车作为一个娱乐休闲健身的项目，与此同时，还有很多人喜欢骑着自行车到处旅游，而在骑车旅游过程中的用电问题就显得比较重要，出于对这种情况的考虑，我的想法是在自行车上安装一个小型发电机，这个发电机通过自行车车轮的转动而将动能转化为电能，这个装置能够为我们随身携带的用电设备充电，也可以连接一个发光装置来照明，这样不仅充分的利用了能量，还为我们的骑行提供了方便。

1 设计思路

经过改装的山地自行车拥有了充电装置，要设计自行车的充电装置，经过充分的准备与资料收集，充电装置主要设计四个部分：

1）机械传动部分：主要进行机械能的传递与转换；

2）发电机部分：主要进行机械能与电能的转换；

3）充放电电路部分：将转换来的电能经过基于单片机的集成电路转换为满足锂电池充电要求的电能，并为锂电池进行充电。在移动设备需要时可通过USB接口为移动设备充电；

4）锂电池部分：具有良好充放电性能的锂电池设计与选取，是电能的存储装置。

2 设计结果

2.1 机械传动部分

机械传动部分依靠齿轮传动，为满足实际需求该齿轮齿宽为非标准设计，并未依据齿宽系数设计齿轮齿宽，在之后的说明中将会进行齿轮机械强度的校核，在设计草稿阶段已经经过科学严格的校核计算，该传动件完全满足所需强度要求。

在图示的齿轮传动中，齿轮模数为1，大齿轮直径72mm，有72齿，中间的齿轮为惰轮，惰轮的参数与小齿轮完全相同，仅具有增大传动距离的作用。

小齿轮直径径24mm，齿数24，最终齿轮传动的传动比为1∶3为加速传动。实现发电机的正常发电。

2.2 发电机部分设计

发电机部分采用直流发电机，发电平均电压5V，平均电流1000mA，功率为5W，发电效率为0.8。由于市场没有适用于该装置的小型发电机，所以关于发电机的设计依据电磁感应定律并参考常用直流发电机原理与外形进行设计，该发电机三维装配图具有常用发电机的所有零件，线圈缠绕采取示意的方法。

该转子线圈缠绕为示意图，并不代表实际线圈匝数，从左向右依次为电刷装置、绝缘套筒、换向器、绕组铁芯和风扇。实际上发电机非常小，但是依然满足发电所需功率，与发电机连接的是集成电路模块，将发电机发出的电能转换成充电所需电能。

2.3 充电电路部分

充电电路部分主要是由集成电路，单片机GMS97C2501，LM324，TL431和三块锂电池组成，充电电路中设有USB接口，为连接移动设备充电使用。

2.4 锂电池的选用

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

锂电池的充电原理是：锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物（锂离子/锂聚合物電池）、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的“塑胶封袋”锂离子/ 锂聚合物电池事实上都是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。

正极或负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放或接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入（Intercalation）。充电的过程则完全相反。

通过对发电机各个部分的设计，从而完成了整个发电机的设计问题，具体的组装图如下：

参考文献：

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