第二十四届“冯如杯”学生创意大赛基于电磁感应原理设计的可发电自行车减震器摘 要本项目为基于法拉第电磁感应原理而设想的可发电自行车减震器。本创意的灵感来自于手压式手电筒。手压式手电筒是一种内置应用法拉第电磁感应原理的微型发电系统，将动能转化为了电能。本项目利用手压式手电筒的工作原理将人在骑行自行车的过程中因与自行车纵向的相互作用而浪费的能量转化为电能，已供使用，来达到环保与节能的目的。关键词：电磁感应，自行车，环保节能，能量转换AbstractThis project is based on Faradays electromagnetic induction principle and idea generation bicycle shock absorbers can be. The idea was inspired by the hand pressure flashlight. Hand pressure flashlight is a built-in application of Faradays electromagnetic induction principle micro generation system, kinetic energy is converted to electrical energy. The project uses hand pressure flashlight works will be riding a bicycle in the process due to the interaction of bikes and vertical wasted energy into electricity, has been available for use, to achieve environmental protection and energy saving.Keyword：electromagnetic induction, bicycle, green energy, energy conversion 目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1引 言11.1项目背景11.2创意来源简介21.3特色与创新点32创意具体介绍42.1设计思路42.1.1手压式手电筒工作原理42.1.2自行车减震器与手压式手电筒有机结合的设想42.1.3设计方案62.2创意可行性分析72.3创意应用前景8结 论9参考文献10i北京航空航天大学第二十四届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品1 引 言1.1 项目背景“节能减排”一直是近年来科学家们研究的重要课题，最近几十年来，人们越来越意识到“节能减排”的作用，在这些年来也涌现了一大批针对“节约能量，保护环境”而设计出的发明。目前国家发电的方式主要还是火力发电，这样不仅不利于环境的保护，还消耗着大量的煤炭等不可再生资源，所以火力发电并不是长久之计。而风力发电，势能发电等环保型发电方式的兴起，打开了生产电能的另一条前途光明的道路。自行车作为一种由人自身产生动力而驱使运动的交通工具，本身就很具有环保的价值，因为目前国家比较严重的雾霾天气与机动车的尾气排放有很大的关系，而如何让自行车变得更加环保，额成为国内外很多科学家研究的命题。目前世界上有很多种环保型的自行车。其中有一种环保型自行车是应用了手摇式发电机的原理，将其利用于自行车的踏板上；还有诸如自行车链条式发电机等等。这些都是比较巧妙的发明，生产了电能，达到了节约电能的目的，如图 1和图 2所示。图 1 自行车上的发电装置一图 2 自行车上的发电装置二但是这种设计有一个缺点，那就是较大的增加了自行车的负重，给人在正常的骑行中增加了不少负担。虽然这种“自行车发电机”是项很伟大的发明，能够产生很多电能，但是却给人一种很笨重的感觉，可能并不是太适用于人们日常的骑行。另外，这种“自行车发电机”本身造价比较昂贵，也不太利于广泛的应用于市场。所以我觉得市场上需要一种方便快捷，不会额外增加太多负担，价格低廉，又具有环保功能的自行车。1.2 创意来源简介本创意是基于电磁感应原理而设计的环保型自行车减震器。人在骑行自行车的过程中会对自行车有一个向下挤压的过程，也就是说，人的身体是有上下的振动频率的。而在自行车上为了阻碍这种纵向的振动，会有减震器来吸收能量。自行车的减震器基本都是弹簧，而弹簧与自行车车体和骑行的人构成的整体却将这些能量全部释放了。而我发现在用手压向手压式手电筒产生电能的过程中，其内部的横向的弹簧本身也可以起到减震的作用。所以我想的是，利用弹簧与手压式手电筒内部的结构，构成一个全新的减震器。使这种减震器既能够起到减震的作用，又能够起到发电的作用。1.3 特色与创新点众所周知，市场上的手压式手电筒价格比较低廉，而且比较小巧，因为它不需要手摇式发电机那样比较大型的工具，而将其利用于自行车中，既不会造成自行车的笨重，也会因为其造价的低廉而不会有过高的价格，从而比较会受到人们的欢迎，既达到了储存电能的目的，又避免了“自行车发电机”的种种缺点。该创意的储存电能的方式不同于“自行车发电机”，因为“自行车发电机”依靠的是车轮的转动，多多少少阻碍了自行车的前行。而这种做设计方法把人在纵向上释放的能量用于转化为电能，没有起到阻碍作用，这也是另一大优点。2 创意具体介绍2.1 设计思路2.1.1 手压式手电筒工作原理在手压式手电筒中，有一个小型发电机，结构如图 3所示。这个发电机是非常简略的，由定子和转子组成。当手压手电筒时，便有一个力的作用，使转子转动，这个转子就是一个涡轮，涡轮上的金属片就做切割磁感线运动，产生电流，在手压式手电筒里，有三颗纽扣电池来储存电能。当手灯发暗时，就用手按动来充电。棘轮固定在微型发电机上，齿轮来回转动，带动棘轮与发电机的永磁体一起转动，棘轮在此的作用下是通过齿轮的转动使它转动发电，并且只是在受压手柄齿条使齿轮正转的情况下转动发电，松手反转情况下棘轮不会反转。原理是运用法拉第电磁感应原理，通过棘轮机构单向旋转，使线圈与磁铁产生相对运动，产生感应电流。其原理简单，机构简练，而使得该手压式手电筒设计已经投入批量生产，并已经在市场上占据一定份额。图 3 手摇式手电筒内部发电机结构2.1.2 自行车减震器与手压式手电筒有机结合的设想图 4、图 5与图 6是三种安装在自行车上的“弹簧”，也就是减震器。图 4 减震器一图 5 减震器二图 6 减震器三不同的自行车根据其自身构造、质量会有弹性系数不同的弹簧作为减震器。而如图 7中“1”是在手压式手电筒中的弹簧，在人用手压杆时起到缓冲的作用，而如果将其利用到自行车中，毫无疑问其一样具有减震的作用。图 7 减震器工作原理如果要将自行车的减震器与手压式手电筒结合，就要对两者的弹簧弹性系数均做出调整，使二者的结合与原来单有自行车的普通减震器减震效果相同。2.1.3 设计方案自行车在骑行过程中人一定会在蹬踏脚踏板的过程中对自行车有向下变化的力，而使自行车的减震器发生形变。这种形变根据胡克定律的公式可知，减震器在纵向上多多少少会有形变。利用齿轮的作用，将这相对微小的形变最终作用于转速很快的转子，最终应用法拉第电磁感应原理发电储存电能到电池中。在这个微型发电机中，设磁感应强度为，切割磁感线的导线长度为，角为或与磁感线的夹角。则：经过计算，采取这种方式发电的电量不会很大，大约要骑行1000小时才能产生一千瓦时的电量，但是给车灯提供电能以供照明是足够的。首先，减小自行车原有减震器弹簧的弹性系数，在弹簧的旁边安装一个微型压杆。压杆一方面在纵向上与另一弹簧相结合，两一方面与大齿轮紧密结合，大齿轮再对小齿轮起到驱动作用。根据人在骑行自行车的时候相关减震器弹簧的受压缩程度，调整大齿轮与小齿轮的半径关系，使小齿轮的转动速度足够快。小齿轮与线圈和磁铁相连接，根据法拉第电磁感应原理，转子转动,转子上的金属片就做切割磁感线运动，由此产生了电能。而在该系统中，也一样要安装几块充电电池，来把人们骑行自行车时产生的电能储存在里面，以供使用。由于在自行车中有多个位置安装减速器，包括车座的下面，以及前轮上面的位置等等。所以可以在这些位置全部安装上这种可发电的减震器，使人们在骑行过程中能够产生更多的电能。2.2 创意可行性分析本创意应用了手压式手电筒的工作原理，具体设计方案也是将自行车减震器与手压式手电筒有机的结合在了一起。手压式手电筒本身已获得人们的认可，本创意将自行车在被骑行时在纵向上的振动产生的能量收集，利用齿轮作用将减震器纵向微小形变作用于飞速转动的小齿轮，利用电磁感应原理进行发电，并将产生电能储存在电池中以供使用。手压式手电筒本身是一种廉价节能的发明，所以首先本创意不会花费太多的金钱，其次起到了节能减排的作用，也符合人们对环保的追求。由此看本创意无论是在理论上还是在市场上都是较为可行的。当然，本创意也有一定的缺点，比如，产生的电量相对较少，只能给LED灯、手机电池等不太耗电量的物品充电，而无法给需要较多电量的用电器充电；在下雨的时候，本创意也很有可能因为不防水而发生故障。但是综合来讲，本创意具有技能环保的优点，缺点采取一定措施或许能够改正加强，还是生产出来的价值的。2.3 创意应用前景如今地球的资源越来越少，环境越来越恶劣，可见未来的市场上“环保”将是最重要的主题。手压式手电筒本身以其“环保”的理念收到了人们的欢迎，而本创意可以使人们骑行自行车时，在不知不觉中做到了环保，是的人们在不改变自行车骑行方式及舒适感的情况下，还有额外的收获，这将很可能也一样非常受人们的欢迎。储存在电池中的电能可以用来做很多事情，例如：在自行车前安装一个LED小车灯，人们在晚上比较黑的地方骑行的时候可以打开车灯，由被储存了能量的电池提供电能；另外，人们在骑行时可能会去很远的地方，这时可以将该创意储存的电能给手机充电，代替移动电源的作用。当然，无论是提供照明，还是给手机充电，都要考虑到电压的作用，电压要与LED灯、手机等的电压相匹配，这时就再需要一个小型的变压器了。总之，人们在骑行过程中储存的电能可以给人们带来很多方便，它也使得自行车变成了一种更加环保的交通工具。结 论本创意是应用手压式手电筒的法拉第电磁感应原理来使自行车的减震器在人骑行过程中产生电能，从而达到节能环保的目的。参考文献1王之栋，马纲，陈心颐机械设计M北京航空航天大学出版社2郭卫东机械原理M科学出版社3闻邦椿机械设计手册M机械工业出版社4吴百诗大学物理学M高等教育出版社10