设计自行车安全灯的电源

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作者Rune Thygesen

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2016年 11月 22日

今天,我们邀请的特约作者是来自 Reelight 公司的 Rune Thygesen,他将讨论如何使用仿真设计自行车安全灯的电源。

Reelight 公司正着手开发一款价格低廉、安装便捷的自行车安全灯。除了需要设计坚固、灵活的支架系统外,全新的发电平台也是重要的设计目标。借助仿真设计,我们成功开发出了一款易于使用且安装快速的发电平台。

设计可充分满足骑手需求的安全灯

如果您曾经去过丹麦的首都哥本哈根,那一定会注意到,绝大多数自行车的轮毂上都安装了闪光灯。这一类灯很受城市上班族的偏爱,由于灯是固定在自行车上的,因而不会经常将其遗忘在家中。自行车安全灯通常随自行车配套出售,因此其安装服务通常由自行车行负责。

我们旨在研发出一款安装简便的车灯,让每位消费者都能自行安装。对于研发人员而言,易于安装的含义是:车灯能够匹配任意型号(或任意配件类型)的自行车;安装时间应在五分钟之内;除了附赠的内六角小扳手之外不需要其他的安装工具。下方为 Reelight 自行车安全灯的设计概念图。安装在每个车轮上的车灯仅由两部分构成,均可实现快速安装。

图像展示了自行车安全灯的原理。

配有微型内置发电机的 Reelight 自行车安全灯。安装在辐条上的圆形装置每次经过安全灯时,都会对车灯发电机内的转子产生加速作用。安全灯通过带涂层的钢丝绳安装在车架上。

自行车安全灯一直处于照明状态,却不依赖电池来维持运行。车灯的机械部件没有与车轮相连接,因此不会制造恼人的噪声。为了达成设计目标,我们使用仿真创建了一个基于磁感应原理的发电系统。

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟电源

传统的自行车安全灯发电平台是一个纯感应系统。采用这项技术时,为了产生充足的电力,感应模块必须安装在多个相邻的辐条上。在设计全新的车灯时,我们希望缩小辐条装置的尺寸,同时仅在单根辐条上进行安装,从而在最大程度上赋予用户灵活性。为了实现这一目标,我们选用了一种简单的同步电机

在车灯的内部,永磁转子和叠片铁芯(被线圈缠绕)相互对齐。转子受到固定在辐条上的永磁体(又称为励磁机)的驱动,不断地旋转。在此过程中,机械能从自行车的传递给了转子,并最终点亮了 LED 灯。下方附带名称标注的分解图展示了车灯发电机的各类零件。

安全灯分解图展示了转子、线圈、铁芯和励磁机等部件。
安全灯的分解图。转子、线圈、铁芯和励磁机是本文的重点分析对象。

这一设计概念看似简单,但将其变成现实却非常困难。一方面,自行车安全警示灯本身便面临着诸多设计难题。大部分设计难题可以通过建立原型机并进行多次试验来解决。由于自行车安全灯属于小件产品,包含的零件不多,我们可以利用 3D 打印来测试不同的设计,轻松又省时。

另一方面,原型机的制作会给自行车安全灯发电机的设计带来诸多不利因素。举例来说,磁体的研发周期会导致产品换代被推迟。现在,使用了 COMSOL Multiphysics® 后,我们可以模拟发电过程,加从而快研发周期中产品的换代速度。除此之外,借助仿真,我们还可以清楚看到车灯设计中哪些部件运作良好,哪些部件尚存缺陷。相比于依赖原型机的测试,这些重要信息大幅提高了我们产品研发效率。

在 COMSOL Multiphysics® 中建立模型

尽管此发电平台专为自行车设计,但它仍属于电机,因此会表现出常见的物理现象。启动转子类似于启动同步电机的惯性载荷。在某些情况下,转子的惯性和源于永磁体的扭矩会导致转子无法启动,使最终传递的机械动力趋于零。

由于自行车的行驶速度有限,我们可以研究出适合此速度范围的最佳方案。仿真模型的目标之一是研究发电机的启动性能,重点是确认不同行驶速度下的发电效率。

在本文中,电机被简化为由铁芯、永磁转子和励磁机构成的简单模型,如下图所示。我们使用了旋转机械接口,并创建了两个一致对,每个一致对都有相应的旋转运动。励磁机转速与自行车速成正比,在仿真中表示为指定转速;转子旋转则通过动力学方程进行求解,表示为指定旋转。

图像展示了点击的几何结构。
发电机几何结构图展示了线圈绕组中的铁芯、一段弧形永磁体和励磁机磁体(最右的磁体)。其余的几何部分被用作旋转机械接口中的一致对,或者用于网格控制操作。

根据牛顿第二定律,为了确定角速度和转子角度,我们首先要计算传递给系统的扭矩和转子的惯量。计算转子惯量的步骤是:首先创建一个积分算子,以求解转子的体积,然后使用这个积分算子对变量栏中的密度积分,从而得到转子的惯量。根据经验我们将图中轴的惯量增加了 10% ,模型中并未直接模拟该轴。

截图显示了在 COMSOL Multiphysics 中转子永磁体的积分。
对转子永磁体进行积分,目的是确定变量栏中的转子惯量。

我们建立了力计算以获取转子的电磁扭矩,由此计算出磁体之间的力与磁阻力。我们还添加了由轴承上的阻尼以及电力产生的扭矩。上述操作在全局方程节点中创建,在此节点中,扭矩的总和与惯量被用于计算角度和角速度。

我们可以对铁芯中的磁通量进行微分,并用微分结果乘以绕组数,由此计算出感应电流,这种方式不仅能简化模型,还有利于降低计算成本。对三维线圈进行这样的近似处理后,我们就能够忽略线圈本身及其附带的矢势公式,不过仿真的计算精度会稍受影响。我们在变量栏中添加了一个方程来模拟电路,由此计算电路中的功率,并进一步求解出旋转方程中的扭矩。

评估仿真结果

在对移动部件运行仿真时,我们推荐您在 COMSOL Multiphysics 中为仿真结果创建动画,就像我们为自行车安全灯模型创建的动画一样。动画是一种更为直观的表现形式,有助于深入观察和理解仿真结果。


t = 0.0 s 时转子线圈中的磁场。
t = 0.025 s 时转子线圈中的磁场。
t = 0.050 s 时转子线圈中的磁场。
t = 0.075 s 时转子线圈中的磁场。

四张图分别展示了 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)时转子线圈中的磁场。

此模型为通过转子中心,并垂直于旋转轴方向的切面。箭头代表空间(旋转)框架内的B矢量。

我们也可以直接在模型中分析线圈内的感应电压,然后通过所得数据估算车灯发出的光的光通量。其中几个参数对感应电压的影响极大。由于发电机主要用于产生电压,所以必须进一步优化电压输出。此模型中线圈的电压输出如下图所示。

绘图展示了转子中定子线圈的感应电压。
转子中定子线圈的感应电压。

扭矩贡献是示例模型中最有趣的参数,同时该参数是分析启动性能的关键。一般来说,传输的机械动力是产生电能和使车灯发光的先决条件。

绘图展示了扭矩贡献。
来源于励磁机、轴承阻尼和电路的扭矩。

动态模型的求解基于一组静态扫描研究,求解过程约耗时 30 分钟,如此高的分析效率让我们可以更深入、快速地研究由不同组件构成的几何模型。借助仿真,我们能够深入探索磁感应现象,进而优化自行车安全灯电源的设计。

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特约作者介绍

Rune Thygesen 的照片。

Rune Ryberg Thygesen 是一名机械工程师,毕业于丹麦奥尔堡大学(Aalborg University),获得机电系统设计专业硕士学位。他目前在Reelight ApS担任研发经理。Reelight ApS 是一家专门为二级市场设计无电池自行车灯的丹麦公司。

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