飞轮在自行车供能系统中的应用*

朱英翠，赵建伟，王志桥，周庆祥，孙丹丹

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

飞轮在自行车供能系统中的应用*

朱英翠，赵建伟，王志桥，周庆祥，孙丹丹

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

在自行车供能系统中采用飞轮主要利用了飞轮转速高和惯性大的特点。自行车供能系统的功能方式有两种，分别为太阳能发电和电磁发电，本文主要围绕电磁发电展开讨论。所谓电磁发电，即利用电磁感应定律，使线圈在磁场中作切割磁感线运动，产生感应电动势，为蓄能装置充电，通过将线圈固定于飞轮上作为转子转动，可充分利用飞轮转速高和惯性大的特点，在整个骑行过程中可持续高效地为蓄能装置供电，满足用电需求。通过合理的齿数搭配可实现飞轮直接通过链条与自行车传动部分相连，使得飞轮发电部分与市场现有的大部分自行车具有良好的适应性。

自行车；电磁感应；飞轮；高速；传动；供电

私家车出行不仅造成交通拥堵，而且造成了环境污染，面临越来越严重的雾霾，为了响应国家节能减排的号召，绿色出行将成为趋势，而作为绿色出行的主力军，自行车必将成为绝大多数人的选择。但是，自行车出行也往往有许多困扰，比如夜间骑行的照明问题、随身电器的充电问题、长途骑行的助力问题等。为了解决这些问题，自行车供能系统应运而生，而发电效率较高的电磁发电就有可能成为首选，本文讨论的飞轮发电系统则可称为是一种高效率、可持续的发电方式。

1 设计方案

自行车供能系统电磁发电的部分利用了飞轮，通过将永磁体固定作为定子，将线圈固定于飞轮上随飞轮作为转子转动，可充分利用飞轮转速高和惯性大的特点，在整个骑行过程中可持续为蓄能装置供电，满足骑行过程中对电力的需求。通过合理的齿数搭配可实现飞轮直接通过链条与自行车传动部分相连，在保障传动稳定性的前提下使得飞轮发电部分与市场现有的大部分自行车具有良好的适应性。

1.1 电磁发电

比较现有的发电方式并结合实际应用，自行车供能系统采用了能量损耗较小，并且发电效率较高的电磁发电。所谓电磁发电，即利用电磁感应定律，使线圈在磁场中作切割磁感线运动，产生感应电流，为蓄能装置充电实现功能。若将传统小型发电机直接应用于自行车，将不可避免的存在较大的机械摩擦，这将不利于骑行，而我们所采用的电磁发电避免了发电部分与传动部分的直接接触，进而减少了机械摩擦，基本不影响骑行。

1.2 飞轮的应用

飞轮是一种新型的机械储能装置，它可以将电能、转动能、制动能,或者诸如风能、太阳能等自然能转化成飞轮的旋转动能加以储存，大储能、强功率、高效率、无污染、适用广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点[1]。切割磁感线产生的感应电动势公式为：E=nBSω，显然增大转子的转速即可增大感应电动势的，通过采用飞轮就可达到这一目的，由于飞轮的工作特性，飞轮通常安装于高速轴上，而通过将线圈安装于飞轮上就可以较为轻松地获取大的角速度，保证了发电的功率与效率。并且飞轮往往具有较大的自重，因此即使在不施加外力的情况下，飞轮仍可以保持一段时间的转动，这就保证了在骑行过程中发电的持续性。飞轮通过自行车可锁死的活飞装置与轴相连，活飞不锁死时，飞轮可实现发电的预设功能，当骑行过程中突遇爬坡或其它艰难路况时，可锁死该活飞，飞轮由于惯性和高速的旋转可为后轮提供额外的驱动力，使骑行更加轻松。

2 传动系统的设计

理论上讲，飞轮通常安装于高速轴，这意味着飞轮的安装轴需要较高的转速，但是链传动又不适用于高速场合，为了解决这一问题，我们充分利用了齿轮的传动特点，对自行车用的齿轮加链条传动进行了深入了解，发现通过合理的齿轮搭配就可以以较低的传动速度得到较大的转速，保证传动的稳定性。自行车齿轮通过链传动时角速度与半径的关系为：ω1/ω2=r2/r1，可见，在齿轮模数相同的情况下，只需增大前一级齿轮的半径即可增大后一级齿轮的角速度，即以低的传动速度得到高转速，飞轮传动的结构如图1。同时采用链传动使得飞轮发电部分与市场现有的大部分自行车具有良好的适应性，而且现有的自行车大部分都具有变速功能，可较为轻松地使飞轮转动起来。

图1 飞轮传动部分

3 创新点

1) 以全新结构的电磁发电代替了传统的发电机，避免了发电部分与传动结构的直接接触，降低了机械摩擦，减少了骑行负担。

2) 在发电结构中大胆引进飞轮，并且充分利用了飞轮转速高惯性大的特点，实现了可持续、高效率的发电，满足了骑行过程中的用电需求。

3) 通过对传动系统进行设计，以较低的传动速度实现了飞轮的高转速，保留了链传动，使得飞轮发电部分与现有的自行车有较高的兼容性，可直接安装。

4 应用前景

当今社会，私家车出行不仅造成交通拥堵，而且造成了环境污染，为了响应国家节能减排的号召，绿色出行逐渐成为大多数人的选择，而自行车又成为绿色出行的首选，本文设计的飞轮发电装置，从满足人们出行用电需求为起点出发设计，对传动结构进行大胆设计，对先进原理技术大胆应用，在不影响基本骑行的情况下实现了可持续、高效率的发电，可直接安装于绝大多数自行车上，满足了人们骑行过程中的用电需求，为自行车的环保出行及自行车的长距离出行提供了保障，使得骑行更加方便，应用前景十分广阔。

[1] 赵韩.飞轮储能装置设计初探[J].太阳能学报，2002，23(4)：493-497.

The Application of Flywheel in Energy Supply System of Bicycle

Zhu Yingcui, Zhao Jianwei, Wang Zhiqiao, Zhou Qingxiang, Sun Dandan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Flywheel is mainly used in bicycle power system with its characteristics of high speed and the big inertia. There are two ways for the energy supply system of bicycle which are solar power and electromagnetic power. The articles mainly discusses the electromagnetic power generation. The so-called electromagnetic power generation is to use the law of electromagnetic induction to make the coil in the magnetic field for cutting magnetic line motion, then produce electromotive force and charge for energy storage device. The coil is fixed on the flywheel to rotate as the rotor, which can fully utilize the characteristics of high speed and large inertia of the flywheel, and the power supply of the energy storage device can be continuously and efficiently made in the whole riding process, and the utility model can meet the requirement of electricity consumption. The flywheel can be directly connected with the transmission part of the bicycle through a chain with reasonable tooth number matching, so that the flywheel power generation part has good adaptability to most existing bicycles in the market.

bicycle; electromagnetic induction; flywheel; high speed; drive; power supply

2016-11-04

国家级大学生创新创业训练计划项目(201510448032)

朱英翠(1996- )，女，山东菏泽人，本科在校，研究方向：机械电子/能源与动力工程。

1674- 4578(2017)01- 0015- 02

U484；TM619

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