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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 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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