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电动自行车再生制动发电装置说明书终结版

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2020年4月19日
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电动自行车再生制动发电装置设计说明书
设计者：王银鸽、杨硕、王波
（西南交通大学电气工程学院，成都，611756）
【摘要】
电动自行车在制动的过程中，采用橡胶摩擦达到目的，这样将动能转化成热能，造成能量熵的增大，使其利用性变低，从另一方面说也是一种能量的浪费，我们就设想将这部分能量利用起来，转化为电能达到节能的目的。
我们基于法拉第电磁感应定律，设计了电动自行车制动发电装置。该装置能够将刹车时需要舍去的动能转化为电能，利用蓄电池，进一步将电能转化为化学能储存起来，方便再次供电动自行车使用。
该装置分两大部分：机械传动系统与发电充电系统。
机械传动部分是将车轮的惯性转动依次经齿轮啮合，常开摩擦离合器，具有无极变速的带传动组传递到发电机。该传动系统的控制开关是刹车把的张合，只有进行刹车制动时才工作。当制动力小于一定数值时，传动系统工作，进而带动发电机发电，发电机的阻力产生一定的制动效果。当制动力大于这个数值时，刹车把的张合程度会达到第二阶段，为确保制动安全，开始采用自带橡胶摩擦制动和发电机阻力制动二者的混合制动。两者的组合既能够达到能源的回收再利用又保障制动的安全性。
发电充电部分由小型发电机、稳压电路与蓄电池构成。
本设计能够有效的再生制动，到达节能的作用。由于现在的大部分电力由火电厂燃煤产生，与此同时会排放大量污染气体，该设计制动产生的能源能够以电能的形式重新被利用，进一步说到达了减排的作用。
关键词：无级变速 制动发电 混合制动 发电机 法拉第电磁感应定律
联系人：殷悦、、
一、 作品背景及意义
1.1 作品背景
随着煤炭资源的日益困乏，节约用电和寻找可替代资源或者技术发电，已经成为人们亟待解决的问题。同时，由于我们国家人口众多，人均资源拥有水平低，人均GDP不高，因此汽车拥有量相对于发达国家就较少。而由于电动自行车操作简单、占用空间小、行驶速度可控、行驶自动省人力、利用电能来驱动等优点，极大填补了这方面的不足，受到广大国民的喜爱。对建立节约型和谐社会，有着非常重大的意义。据统计现在中国电动自行车拥有量已经突破2亿辆，占据中国巨大的交通工具市场。

1.2 市场上现有电动自行车的发电装置
(1) 摩擦发电照明灯
(2) 脚踩发电机
1.3 本设计的优点
随着节能减排被人们接受并积极响应，电动自行车的设计者们逐步增加或者改进装置，来起到节能减排的目的，同时方便消费者。例如：摩擦发电照明灯、电动车脚踩充电。可是摩擦发电的转化率低，而脚踩充电又消耗人力，我们就想对这部分进行改进，采取齿轮啮合制动发电，既达到了提高能源收集再利用的效率，又节省人力，同时起到节能减排的作用。
二、 设计方案
2.1 系统工作原理
本设计主要分两个部分：再生制动与辅助制动。

开始
工作流程如下：

驾驶者控制手闸

手闸握力≥设计阈值

是

否

齿轮啮合

橡胶摩擦制动(辅助制动)

变速传送带传送

发电机制动并发电

结束

图1 系统工作流程图
运行原理：
（一） 工作模式一：再生制动
电动车匀速运行，待需要减速时，驾驶者按下手闸的压力小于设定的制动阈值时，传动系统启动。传动系统带动变速箱齿轮与车轮轴上的齿轮啮合，用车轮的动能带动发电机产生电能。发电机工作时对车轮产生制动效果，这样经过变速箱传动达到自行车制动和动能发电的目的。
（二） 工作模式二：辅助制动
当遇到紧急情况时，驾驶者按下手闸的压力大于设定的阈值。此时，传动系统为了保证驾驶者的安全，启动刹车片摩擦制动装置。刹车片制动装置和发电机制动同时作用，保证自行车在尽可能短的时间内停止下来，充分保证了行车安全。

装置总体结构图：

6
5
4
3
2
1

图2 装置总体结构图
主要结构组成介绍：1.车轴到带轮的齿轮组 2.常开离合器 3.变速带轮 4,带轮到发电机的齿轮组 5.发电机 6.蓄电池
主要零件设计：
变速带轮的设计：每一个带轮由两个圆锥台构成。其中一个固定，另一个可在轴向移动（经过改变两个圆锥台的相对距离，实现对带轮直径的改变，进而改变传动比）。可移动锥台和一复位弹簧固定，同时经过轴的中心与刹车线连接，带轮轴与离合器输出轴连接。

系统整体安装：

图3 系统整体安装
大致安装如上图所示，第一个齿轮与车轮的轮毂固定，与其配合的齿轮及同轴的离合器和带轮固定在下边的车架上。第二个带轮，带轮轴及齿轮安装在上边车架上。发电机及其齿轮安装在下面车架上。所有的安装位置，视齿轮配合中心距和带轮中心距而定。尽量将装置整体向车体后部安置，使其不影响脚踏板的转动。同时尽量将装置安装成后座脚支撑板的姿态，并设计外壳，将其转化为支撑板，以此优化外观。
三、可行性分析
设计一个产品时，需验证其原理的科学性与使用的经济性，下面对本系统的可行性进行分析。我们着重分析了本系统的技术可行性与经济可行性。
3.1经济可行性分析
3.1.1发电量分析计算
结合调查结果和实际情况，按每户平均使用电动车的频率为每两天天一次。采用本系统后，每次刹车时可发电112J，平均每次出行能够发电560J。就成都而言，以最少400万台电动车计算，每年就可发电113515度。以成都市现行居民生活电价每度0.56元计算，本系统每年可为成都市居民节约人民币6.3万元。折算成燃煤量为37838kg，减少C排放量94330.134kg。
3.1.2成本核算
在成本核算部分，我们主要计算了购买材料及加工费用。家庭安装费用折算在了加工费中，其中大部分的材料价格采纳自淘宝网。人工费参考了08版《建设工程定额与概预算》。成本核算见下表：
项目
单位成本（元）
机械部分
电气部分
材料成本
原料
200
45
辅助原料
8
3
加工费用
动力
5
5
人工
20
10
合计
233
63
根据上表，计算出总成本为233+63=296元。这是单位成本，考虑规模效应，随着大规模生产这套系统，人工费和材料购置费会下降很多。其中特别是如果在电动车出场前就安装这套系统，利用生产工厂里的机械和人力，费用就更为低。按照30%的折减来计算，则成本为267.2元。
3.2技术可行性分析
3.2.1技术理论分析
发电机部分：
主要计算在一次急刹时可发的电量：
解：由直流发电机转矩平衡方程组：

其中，为原动机的拖动转矩，为空载转矩，为电磁转矩
当电动车急刹时，后轮对发电机的输入转矩约为9600,直流电机的空载转矩为300，则直流电机的电磁转矩为9300。
当发电机输入转矩为9300时，因为，能够求得发电机的转速约为3000rad/min。大于电动机起动的最小输入转速，故发电机能够用来发电。计算完毕。
稳压部分:
由永磁发电机发出的三相电经过三相全波整流电路(如图一)变换为带谐波分量的直流量(如图二)

图4 三相全波整流电路 图5 三相全波整流波形
经过整流后的电流进入稳压电路(如图三)进行稳压

图6 基于LM2596的48V稳压电路
该电路先过滤掉三相全波整流输出的谐波分量，再经过LM2596将输入电压(11-60V)降压并稳压，有效避免了交流发电机输出电压不稳对充电电池的影响。经过LM2596稳压后的输出电压经过反馈回路经过R2反馈给LM2596，从而实现了对输出电压的反馈控制，最终实现输出给充电电池两端的电压为48V的额定充电电压。
3.2.2技术实验分析
一、实验目的
1、验证刹车发电的可行性。
2、获得发电机输出电压的实验值。
二、实验设备
测压表头、小型电动机、手摇发电机、电压表各一个
三、实验内容
用电动机拖动发电机，测量发电机的输出电压和电流。
四、实验歩骤
调节电动机的输入电压，使输出转矩约等于电动车刹车时对发动机的输入的转矩，用电动机拖动发电机，测量发电机的输出电压，输出电流。
五、实验数据
输入转矩
输出电压
输出电流
9300
54.4V
18.9A

六、实验结论
综上所述，实际实验值与理论值在误差范围内一致，故技术可行性在理论与实验两方面得到论证，方案可行。
四、创新点及推广应用
4.1产品创新点
1．与现有的专利相比，此装置将要废弃的能量重新利用，延长了电瓶的使用时间，减少充电次数，做到了真正的节能。
2．适用于生活中常见的电动车，适用于各大中小城市及城镇农村地区，本设计采用较成熟的制造工艺，经济成本低，有较高的性价比。
3.结构简单，机械结构布置简单，便于安装和维护。
4.充分结合力学、机械、电气学科的基础知识，实现了跨学科结合。
4.2推广应用
在全国各大中小城市，电动车使用者的数量很大，此作品将驾驶过程中废弃的能力储存起来以备使用，即方便了驾驶者，又达到了节能减排的目的。同时该作品还可用于自行车，电动汽车。地铁平均时速35km/h，若地铁每公里停靠站一次，那么地铁每小时停靠站35次，根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定的比例被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的发热的方式消耗掉或被线路上吸收装置吸收，若将此能量回收，则会节省大量的资源，我们的理念也能够适用于地铁的再生制动。
此作品性能优良，应用前景广阔。节能减排从生活细节做起，地球的明天将会更加美好。
五、心得体会
4个月前，我们来自电气学院的3个同学组成了一个团队，还记得，从刚开始项目选题到现在，我们都坚持着一个理念，就是追本溯源，不能让比赛变了味，融于生活，解决实际问题，不空虚，要实用。
的1月，我们节能减排团队成立；2月初，我们完成了项目的选题和所需的社会调查工作；3，4，5月我们经历了最具挑战和意义的作品设计和实验期，期间高兴过、彷徨过也失落过，有想过退缩，也有想过放弃，最终在我们互相之间的鼓励下走到了现在，而今我们希望广大群众能经过我们的作品感觉到节能减排能够无处不在，节能减排从身边做起，相信祖国人民的生活一定会更加美好。
参考文献
【1】康立.电动自行车的市场优势.中国自行车， ,(10).
【2】电动自行车通用技术条件，国家标准GB17761－1999
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【5】何康伟，陈国新.建设工程的概预算与决算.上海：同济大学出版社【M】，
【6】任艳君.电机与拖动.北京：机械工业出版社【M】，