設計自行車安全燈的電源

04-15

今天，我們邀請的特約作者是來自 Reelight 公司的 Rune Thygesen，他將討論如何使用模擬設計自行車安全燈的電源。

Reelight 公司正著手開發一款價格低廉、安裝便捷的自行車安全燈。除了需要設計堅固、靈活的支架系統外，全新的發電平台也是重要的設計目標。藉助模擬設計，我們成功開發出了一款易於使用且安裝快速的發電平台。

設計可充分滿足騎手需求的安全燈

如果您曾經去過丹麥的首都哥本哈根，那一定會注意到，絕大多數自行車的輪轂上都安裝了閃光燈。這一類燈很受城市上班族的偏愛，由於燈是固定在自行車上的，因而不會經常將其遺忘在家中。自行車安全燈通常隨自行車配套出售，因此其安裝服務通常由自行車行負責。

我們旨在研發出一款安裝簡便的車燈，讓每位消費者都能自行安裝。對於研發人員而言，易於安裝的含義是：車燈能夠匹配任意型號（或任意配件類型）的自行車；安裝時間應在五分鐘之內；除了附贈的內六角小扳手之外不需要其他的安裝工具。下方為 Reelight 自行車安全燈的設計概念圖。安裝在每個車輪上的車燈僅由兩部分構成，均可實現快速安裝。

配有微型內置發電機的 Reelight 自行車安全燈。安裝在輻條上的圓形裝置每次經過安全燈時，都會對車燈發電機內的轉子產生加速作用。安全燈通過帶塗層的鋼絲繩安裝在車架上。

自行車安全燈一直處於照明狀態，卻不依賴電池來維持運行。車燈的機械部件沒有與車輪相連接，因此不會製造惱人的雜訊。為了達成設計目標，我們使用模擬創建了一個基於磁感應原理的發電系統。

使用 COMSOL Multiphysics? 模擬電源

傳統的自行車安全燈發電平台是一個純感應系統。採用這項技術時，為了產生充足的電力，感應模塊必須安裝在多個相鄰的輻條上。在設計全新的車燈時，我們希望縮小輻條裝置的尺寸，同時僅在單根輻條上進行安裝，從而在最大程度上賦予用戶靈活性。為了實現這一目標，我們選用了一種簡單的同步電機。

在車燈的內部，永磁轉子和疊片鐵芯（被線圈纏繞）相互對齊。轉子受到固定在輻條上的永磁體（又稱為勵磁機）的驅動，不斷地旋轉。在此過程中，機械能從自行車的傳遞給了轉子，並最終點亮了 LED 燈。下方附帶名稱標註的分解圖展示了車燈發電機的各類零件。

安全燈的分解圖。轉子、線圈、鐵芯和勵磁機是本文的重點分析對象。

這一設計概念看似簡單，但將其變成現實卻非常困難。一方面，自行車安全警示燈本身便面臨著諸多設計難題。大部分設計難題可以通過建立原型機並進行多次試驗來解決。由於自行車安全燈屬於小件產品，包含的零件不多，我們可以利用 3D 列印來測試不同的設計，輕鬆又省時。

另一方面，原型機的製作會給自行車安全燈發電機的設計帶來諸多不利因素。舉例來說，磁體的研發周期會導致產品換代被推遲。現在，使用了 COMSOL Multiphysics? 後，我們可以模擬發電過程，加從而快研發周期中產品的換代速度。除此之外，藉助模擬，我們還可以清楚看到車燈設計中哪些部件運作良好，哪些部件尚存缺陷。相比於依賴原型機的測試，這些重要信息大幅提高了我們產品研發效率。

在 COMSOL Multiphysics? 中建立模型

儘管此發電平台專為自行車設計，但它仍屬於電機，因此會表現出常見的物理現象。啟動轉子類似於啟動同步電機的慣性載荷。在某些情況下，轉子的慣性和源於永磁體的扭矩會導致轉子無法啟動，使最終傳遞的機械動力趨於零。

由於自行車的行駛速度有限，我們可以研究出適合此速度範圍的最佳方案。模擬模型的目標之一是研究發電機的啟動性能，重點是確認不同行駛速度下的發電效率。

在本文中，電機被簡化為由鐵芯、永磁轉子和勵磁機構成的簡單模型，如下圖所示。我們使用了旋轉機械 介面，並創建了兩個一致對，每個一致對都有相應的旋轉運動。勵磁機轉速與自行車速成正比，在模擬中表示為指定轉速；轉子旋轉則通過動力學方程進行求解，表示為指定旋轉。

發電機幾何結構圖展示了線圈繞組中的鐵芯、一段弧形永磁體和勵磁機磁體（最右的磁體）。其餘的幾何部分被用作 旋轉機械介面中的一致對，或者用於網格控制操作。

根據牛頓第二定律，為了確定角速度和轉子角度，我們首先要計算傳遞給系統的扭矩和轉子的慣量。計算轉子慣量的步驟是：首先創建一個積分運算元，以求解轉子的體積，然後使用這個積分運算元對變數欄中的密度積分，從而得到轉子的慣量。根據經驗我們將圖中軸的慣量增加了 10% ，模型中並未直接模擬該軸。

對轉子永磁體進行積分，目的是確定 變數欄中的轉子慣量。

我們建立了力計算以獲取轉子的電磁扭矩，由此計算出磁體之間的力與磁阻力。我們還添加了由軸承上的阻尼以及電力產生的扭矩。上述操作在全局方程 節點中創建，在此節點中，扭矩的總和與慣量被用於計算角度和角速度。

我們可以對鐵芯中的磁通量進行微分，並用微分結果乘以繞組數，由此計算出感應電流，這種方式不僅能簡化模型，還有利於降低計算成本。對三維線圈進行這樣的近似處理後，我們就能夠忽略線圈本身及其附帶的矢勢公式，不過模擬的計算精度會稍受影響。我們在變數欄中添加了一個方程來模擬電路，由此計算電路中的功率，並進一步求解出旋轉方程中的扭矩。

評估模擬結果

在對移動部件運行模擬時，我們推薦您在 COMSOL Multiphysics 中為模擬結果創建動畫，就像我們為自行車安全燈模型創建的動畫一樣。動畫是一種更為直觀的表現形式，有助於深入觀察和理解模擬結果。

四張圖分別展示了 t = 0.0 s（左上），t = 0.025 s（右上），t = 0.050 s（左下）和 t = 0.075 s（右下）時轉子線圈中的磁場。

此模型為通過轉子中心，並垂直於旋轉軸方向的切面。箭頭代表空間（旋轉）框架內的 B 矢量。

我們也可以直接在模型中分析線圈內的感應電壓，然後通過所得數據估算車燈發出的光的光通量。其中幾個參數對感應電壓的影響極大。由於發電機主要用於產生電壓，所以必須進一步優化電壓輸出。此模型中線圈的電壓輸出如下圖所示。

轉子中定子線圈的感應電壓。

扭矩貢獻是示例模型中最有趣的參數，同時該參數是分析啟動性能的關鍵。一般來說，傳輸的機械動力是產生電能和使車燈發光的先決條件。

來源於勵磁機、軸承阻尼和電路的扭矩。

動態模型的求解基於一組靜態掃描研究，求解過程約耗時 30 分鐘，如此高的分析效率讓我們可以更深入、快速地研究由不同組件構成的幾何模型。藉助模擬，我們能夠深入探索磁感應現象，進而優化自行車安全燈電源的設計。

特約作者介紹

Rune Ryberg Thygesen 是一名機械工程師，畢業於丹麥奧爾堡大學（Aalborg University），獲得機電系統設計專業碩士學位。他目前在 Reelight ApS 擔任研發經理。Reelight ApS 是一家專門為二級市場設計無電池自行車燈的丹麥公司。

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Rune Thygesen（GUEST）。