CN102826188B - 机电转换轻便自行车 - Google Patents

Abstract

机电转换轻便自行车，涉及自行车技术领域，主轴上依次设置限倒转飞轮、飞轮、机电转换器；机电转换器的结构包括：壳体通过轴承设置于主轴上，电机的定子与转子分装于壳体与主轴上，壳体的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧；所述转子或定子内设置有储放电装置、电子换向器及相关电路，储放电装置的充电与放电为电子换向器及相关电路所控制；电机功率输出为自动开关所控制，平时为发电机，可通过骑行带动转子相对定子转动而进行充电，发电结束可转化为电动机，即可实现放电做功。本发明的有益效果是：1、结构简单，安装于自行车的后轮轴处，不影响自行车的结构与美观；2、骑行轻便，可实现兼顾自行车代步与锻炼的两项功能。

Description

机电转换轻便自行车

技术领域

本发明涉及自行车技术领域，进一步是可实现将机械能与电能转换的具有储放电功能的自行车。

背景技术

自行车的出现已有100多年的历史了，虽然通过多次的革新，但效果并不理想，始终还保持着原始的运行模式，好像自行车的革新之路始终有一条难以逾越的障碍。目前，自行车作为代步工具的功能，已逐步为汽车、摩托车、电动自行车所替代。目前无论在城市或乡村，电动自行车在人们出行中占了主角地位。与此同时，人们追求日益健康，更加注重锻炼身体。而自行车是锻炼身体的选择之一。

然而，对大多数人而言，如果目的地的距离太近，则多选择步行；如果目的地的距离太远，多选择电动自行车。而电动车也存在续航，充电等使用中存在的问题，使用范围受到了很大的限制，只有目的地适中，人们才会愿意骑自行车。

随着人们生活节奏的加快，人们需要在速度与锻炼间找出一个大致的平衡点，即：既要有一定速度，又要能锻炼身体，这样，一般的电动车和一般的自行车都无法满足人们的需要。于是，自行车赛车就为许多人所选择。然而赛车无法满足人们轻松骑行的需要。

一般的自行车存在着浪费能量问题，例如；自行车启动时需要50公斤的牵引力，当脚踩踏板从0至49公斤时自行车并没有前进，只有达到50公斤以上时自行车才能前进，那么；就是说当0至49公斤时自行车并没有表现出对外做功，这个损失发明人把它称为过程损失。如果把这个损失储存起来，待合适时再利用，就大大的减少了骑车人的劳动强度；此外，如果把刹车、下坡等丢失的能量回收再利用，就会使自行车表现出非凡的能力。

研究开发出既可作一般自行车骑行，又可轻便代步的轻便型的自行车，是很有必要的。曾经也有人假想过，如果能边骑车边发电，把电能再利用使自行车骑起来更轻快，由于受到各种因素制约，使其一直还停留在想象状态，没有得到实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机电转换轻便自行车，它结构简单，骑行轻便，可实现兼顾自行车代步与锻炼的两项功能，骑行者可在骑行中轻松锻炼身体。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

机电转换轻便自行车，包括正常连接的前轮，后轮，车架，车把，车座，制动器，制动器设置于后轮毂上，其特征在于：主轴通过轴承置于两端的轴承座内，主轴上依次设置限倒转飞轮、飞轮、机电转换器；所述限倒转飞轮固定于主轴上，并与轴承座或车架其它处固定，限倒转飞轮只可单向转动，从而起到限制主轴倒转的作用；飞轮固定于主轴上，允许链条相对主轴反转；机电转换器的结构包括：壳体通过轴承设置于主轴上，电机的定子与转子分装于壳体与主轴上，壳体的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧；所述转子或定子内设置有储放电装置、电子换向器及相关电路，储放电装置的充电与放电为电子换向器及相关电路所控制；电机功率输出为自动开关所控制，平时为发电机，可通过骑行带动转子相对定子转动而进行充电，发电结束电路自动升压后，电流自主的返回电机做功，形成电动机，即可实现放电做功。

本发明的目的是可通过以下方案进一步实现：

机电转换轻便自行车，包括正常连接的前轮，后轮，车架，车把，车座，制动器，制动器设置于主轴上，其特征在于：主轴通过轴承置于两端的轴承座内，主轴上依次设置限倒转飞轮、飞轮、机电转换器；所述限倒转飞轮固定于主轴上，并与轴承座或车架其它处固定，限倒转飞轮只可单向转动，从而起到限制主轴倒转的作用；飞轮固定于主轴上，允许链条相对主轴反转；机电转换器的结构包括：壳体通过轴承设置于主轴上，电机的定子与转子分装于壳体与主轴上，壳体的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧；所述转子或定子内设置有储放电装置、遥控开关、电子换向器及相关电路，储放电装置的充电与放电为遥控开关、电子换向器及相关电路所控制；电机功率输出为开关或遥控开关所控制，平时为发电机，可通过骑行带动转子相对定子转动而进行充电，开关或遥控开关接上为电动机，即可实现放电做功。

进一步：

所述的机电转换器的结构是：壳体包括两侧壳和环壳，两侧壳均通过轴承与主轴连接；两侧壳通过螺丝固定于环壳上，环壳的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧，环壳沿内环固定设置有磁铁，环壳的内主轴上，固定有转子，转子沿内环或外环设置有线圈，转子内设置有储放电装置。

所述的机电转换器的结构是：壳体包括两侧壳和环壳，两侧壳均通过轴承与主轴连接；两侧壳通过螺丝固定于环壳上，环壳的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧，环壳沿内环固定设置有线圈，环壳的一侧为直流换向器，环壳的内主轴上固定有转子，转子沿内环或外环设置有磁铁，转子内设置有储放电装置。

所述转子或定子内设置的储放电装置为电池或电容组，电池或电容组由若干个电池或电容器组成，电池或电容组间设置有并联串联转换器，可使电池或电容组实现并联与串联互变，以应对发电充电与放电做功两种情况；发电机发电时，电池或电容器处于并联充电状态；动力输出时，电池或电容器便由并联充电模式转变为串联输出模式。

所述电池或电容器上还连接有二极管、稳压管等辅助元件，以防止电池或电容器漏电或击穿。

所述并联串联转换器，由三极管及相关电路充当，利用三极管的电压自动截止功能，实现并联与串联的转换。

所述并联串联转换器，由遥控继电器及相关电路充当，遥控继电器接受指令后，进行电路的重新开关分配，从而实现实现并联与串联的转换。

所述并联串联转换器，由倍压整流及相关电路充当，电机发出的电能首先给电容充电，再由电容与电机的电压叠加输出。

所述储放电装置指超级电容器或磷酸铁锂可充电电池，可以是一个或多个超级电容器或磷酸铁锂可充电电池串联、并联或串并混联而成。

本发明的原理是：其通过外力使电机的内转子与电机外转子（车轮)，做差速运动发电，在差速发电的情况下，通过电机的电磁阻尼产生牵引力与制动力（包括加速蹬车和刹车两种情况），通过差速所发出的电能储存于储能设备（电池或电容器）中，在放电过程中通过电机做功，从而带动车轮转动。

本发明的有益效果是：1、结构简单，安装于自行车的后轮轴处，不影响自行车的结构与美观；2、骑行轻便，它可将蹬车和刹车的能量储存，并根据需要释放，形成锻炼与放松的分阶段享受；这样能量（速度）被相对均匀的分散于骑行的过程中，骑行者蹬车加速或刹车减速的能量不会被完全浪费，骑行过程较为轻松。可实现兼顾自行车代步与锻炼的两项功能，骑行者可在骑行中轻松锻炼身体。

本发明，打破了传统自行车运行模式，通过独特的电路设计与能量合理分配回收再利用。使自行车这种代步工具有了一个跨时代的发展，展现出一种全新的面貌，具备了健身，休闲，娱乐，代步，聚于一身的新型代步工具。

附图说明

图1为本发明无刷装配结构示意图，

图2为本发明自动升降压电路示意图，

图3为本发明机械升降压电路示意图，

图4为本发明倍压整流电路示意图。

图中：1为主轴，2为轴承，3为限倒转飞轮，4为飞轮，5为侧壳，6为磁铁，7为环壳，8为转子，9为储能电池，10为电子换向器，11为侧壳，12为制动器，13为轴承，14为线圈，15为遥控开关，16为幅条连接孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例：

如图1所示，主轴1（后轮轴，也可以根据需要设置于前轮轴上）通过轴承2和轴承13置于车架轴承座内，主轴1上依次设置有限倒转飞轮3、飞轮4、机电转换器，限倒转飞轮3固定于主轴1上，并与轴承座（或车架其它处）固定，起到限制主轴倒转的作用；飞轮4为正常自行车后轮轴上所用飞轮，作用也与自行车飞轮相同；机电转换器的结构是：壳体包括侧壳5、侧壳11和环壳7，侧壳5、侧壳11均通过轴承与主轴1连接；侧壳5、侧壳11通过螺丝固定于环壳7上，环壳7的幅条连接孔16通过辐条连接自行车后轮毂内侧，环壳7沿内环固定设置有磁铁6，环壳7的内主轴1上固定有转子8，转子8沿外环设置有线圈14，转子8内设置有储能电池9，储能电池9用于储能及动力输出，储能电池9可用超级电容或磷酸铁锂可充电电池（其规格是A123可充电动力电池），可用4－12块串联，充满电后电压可达12.8－38.4V，放电电流可达20A，功率可达200－500W；在转子8内还设置有电子换向器10、遥控开关15，电子换向器10、遥控开关15为设置于车把上的遥控器所控制；遥控开关15可以选择用宽电压输入（如DC5－40V智能学习型无线遥控开关，双路遥控模块，遥控距离1000米）改为两路一体点动模式；其作用是：通过遥控，控制电机的充电与动力输出的模式转换。电子换向器10，还可实现三相电与直流电的相互转换。在主轴1的一侧设置制动器12，制动器包括刹车环和刹车片，两者配合实现制动。

正常骑行时，链条带动飞轮4，从而带动主轴1和转子8，转子8的线圈相对于磁铁6运动，通过电磁阻尼从而带动外转子（车轮）的前进，同时电机形成发电机，产生电流，并将电能储存于储能电池9中。

当停止骑行时，打开设置于车把的遥控器，遥控器即向遥控开关15发出打开指令，此时，储能电池9输出电流，转子8与磁铁6形成电动机，使促使磁铁6及环壳16转动，从而带动后轮转动。

图2－图4为本发明控制电路示意图。

无刷自动升降压电路如图2所示。

G为无刷电机，作用是发电与动力输出。

C1、C2、C3、C4为储电元件，可以是电容器，超级电容器，锂电池之一种。其中，C1、C2、C3为主储电元件，C4为摇控开关提供起动电流。

H为控制器，其作用是，G作为发电机发电时，将电机的三相电转变为直流电，给所有储电元件充电；动力输出时，将储电元件提供的直流电转变为三相电，供无刷电机输出。

K1、K2为遥控开关，通过遥控指令，令其由充电模式转变为功率输出模式。

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为二极管，作用是防止C1、C2、C3、C4反向自行放电。

BG1、BG2为PNP三极管，充电时关，平时开；作用是：充电时，由于基极受到来自D6、R1、D7、R2电压作用，自动使C1、C2、C3的连接断开，使C1、C2、C3处于并联充电模式；当发电机停止发电后，由于三极管基极失去了控制电压，BG1、BG2便自动导通，使C1、C2、C3由并联模式自动转变为串联放电模式。

BG3为NPN三极管，充电时开，平时关；作用是电机发电时，基极受到来自R3电压作用，使BG3处于连接模式，可让充过C1的电流通过其返回；同时阻止C2自行放电，如果动力电池组串联较多，中间的所有NPN三极管输出端都需加二极管，防止电池组自行放电。

DW为双向稳压管，作用是保护C1、C2、C3、C4不被过压击穿。

工作电流路径：

发电时，电流的流通线路是：G→H→K1→K2→H→G

其中：K1→K2间又分为数条路径，其中①K1→D1→C1→BG3→K2；②K1→D2→C2→D4→K2③K1→D3→C3→D5→K2；④K1→D8→C4→K2。从而实现对储电元件C1、C2、C3、C4的充电。

做功时，电流的流通线路是：C3→BG2→C2→BG1→C1→K1→H→G→K2→C3。

图2为自动升降压方式电路，电机作为发电机时，电机发出的三相电流由控制器(电子换向器)转变为直流电，通过大功率三极管（电子开关）BG1、BG2；由于PNP三极管基极受到来自发电机正向电压的控制，使三极管的集电极与发射极自动断开连接，自动的将电容组分隔成并联充电，以降低充电阻抗；当发电机停止发电三极管基极控制解除，集电极与发射极自动导通，电容组由并联自动转变为串联，电压升高为动力输出做好准备。当需要动力输出时，遥控继电器K1，K2接到指令常开端闭合，常闭端分离，电容组电流，便通过电子换向器将直流电转变为三相电驱动电机做功，完成功率输出。

无刷机械式升降压电路如图3所示。

G为电机，作用是：担当发电机与电动机两种角色。

H为控制器（电子换向器），作用是：G作为发电机时，H将电机发出的三相电转变为直流电，给储电元件充电。G作为电动机时，H将电池提供的直流电转变为三相电，供电机动力输出。

K1通过遥控指令使电路整体由充电模式转变为动力输出模式。

K2、K3与K1同时动作，作用是：1、平时断开C1、C2、C3之间的连接，使其处于并联以降低充电阻抗，2、当需要动力输出时，通过遥控指令使K1、K2、K3由并联模式转变为串联模式，提供较高的输出电压。

C1、C2、C3为动力电容组或电池组(可以多个串联),作用是：储存发电机的电能，提供电动做功的所需电能。

C4为超级电容器，作用是：为遥控开关提供启动电能。

DW为稳压管，作用是：保护C1、C2、C3、C4不至于过压击穿而损坏。

D1、D2、D3、D4为二极管，作用是：防止各个储电元件自行放电。

工作电流路径；

发电时：G→H→K2、K3、D4→C1、C2、C3、C4→D1、D2、D3、KI→H→G负极。

做功时：C3→K3→C2→K2→C1→H→G→H→K1→C3负极。

图3所示为机械升降压电路；发电机发电时（充电时），继电器常开端断开，使电容组处于并联充电，做功时继电器得到指令常开端接合常闭端分离，使电容组由并联转变为串联电压升高，由控制器（电子换向器），将直流电转变为三相电驱动电机做功，完成做功循环，以上的升降压电路应对发电与放电两种情况。

有刷电机倍压整流电路如图4所示。

G为电机，作用是：发电与动力输出。

KI、K2为遥控开关，作用是：通过指令使发电模式转变为电动模式。

K3、K4与K1、K2同时动作，作用是：通过遥控指令，使动力电池电容组C4、C5、C6、C7、C8、C9由并联模式转变为串联模式。

DW1为双向稳压管，作用是：保护C1、C2，防止过压击穿而损坏。

C1、C2为超级电容器，作用是：1、吸收储存来自电机的大电流冲击，能短时使发电机处于类似短路状态，增加电机的电磁阻尼，防止电机转子出现打滑现象。2、储存的电能，能与发电机的电压叠加输出，提高发电效率。

D3、D4、D5、D6，D14，D15，组成整流器，作用是：将发电机发出的电流整为直流电为储电元件充电。

DW2为稳压管，作用是：保护C3及动力电容电池组不被过压击穿损坏。

C4、C5、C6、C7、C8、C9为电容与电池混联的储装置，其作用是：储存电能和电能输出，通过混联互补了电容与电池的优缺点，电容（可以为超级电容器）的优点是；储电速度快，爆发力强，缺点是；容量小。电池的优点是；容量大，缺点是；充电速度慢，不支持大电流充放电，容易损坏等缺点，通过混联弥补了两种储能元件的缺点，使能发挥其所长，更好的利用。

D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15为二极管，作用是：防止各个储电元件自行放电。

工作电路路径：

1、脚蹬发电时；

①G--K1→D2→C2→K2→G。

②G→K1→C1→D4→D7、D8、D10、D12→C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9→D9、D11、D13→D6→K2→G。

③G→K1→D14→D4→D7、D8、D10、D12→C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9→D9、D11、D14→D6→K2→G。

2、刹车下坡发电时；

①G→K2→D1→C1→K1→G。

②G→K2→C2→D5…D7、D8、D10、D12→C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9→D9、D11、D15→D3→K1→G。

③G→K2→D15→D5→D7、D8、D10、D12→C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9→D9、D11、D15→D3→K1→G。

做功时：超级电容与电池属于并联连接，由于电机需要很大的瞬间启动电流，超级电容便承担起动时大电流放电的责任，起到延长电池寿命的作用，混联的好处还有；可以自由应对充放电时间长短的问题，如；在城市骑车，充放电时间较短的情况下，充放电的任务主要以电容为主，如；在山区充放电时间较长的情况下，充放电的任务主要以电池为主，互补了两种储电元件的缺点。

放电路径：

C8、C9→K4→C6、C7→K3→C4、C5→K2→G→K1→C8、C9。

图4所示电路是一种倍压整流电路，此电路的作用是（1）整流，将发电机的交流电转变为直流电。（2）以倍压的方式充电，以增加电机的电磁阻尼，当发电机无论向那个方向输出电流（脚蹬与刹车），电流首先给C5或C7或C9（超级电容）充电，使电流直接返回发电机输入端，由于超级电容有接受大电流冲击的特性，使电机短时间内就像短路一样在电机内部产生强大的电磁阻尼，有效的克服了转子打滑现象，超级电容储存的电能，在发电机电流转换方向时与发电机电压叠加输出，实现倍压效果。充电时由于遥控继电器k3，k4常闭端断开，使电容或电池组分隔成并联充电，做功时遥控继电器得到指令K1，K2与k3，k4同时动作常开端闭合，常闭端分离，此时电容或电池组由并联转为串联，升高电压与电机形成闭合回路，驱动电机做功，完成做功循环。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机电转换轻便自行车，包括正常连接的前轮，后轮，车架，车把，车座，制动器，制动器设置于主轴上，其特征在于：主轴通过轴承置于两端的轴承座内，主轴上依次设置限倒转飞轮（3）、飞轮（4）、机电转换器；所述限倒转飞轮固定于主轴上，并与轴承座固定，限倒转飞轮只可单向转动，从而起到限制主轴倒转的作用；飞轮固定于主轴上，允许链条相对主轴反转；机电转换器的结构包括：壳体通过轴承设置于主轴上，电机的定子与转子分装于壳体与主轴上，壳体的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧；所述转子（8）内设置有储放电装置、遥控开关（15）、电子换向器（10）及相关电路，储放电装置的充电与放电为遥控开关（15）、电子换向器（10）及相关电路所控制；遥控开关（15）为设置于车把上的遥控器所控制；电机功率输出为遥控开关（15）所控制，平时为发电机，通过骑行带动转子（8）相对定子转动而进行充电，遥控开关（15）接上为电动机，即可实现放电做功；所述的机电转换器的结构是：壳体包括两侧壳和环壳，两侧壳均通过轴承与主轴连接；两侧壳通过螺丝固定于环壳上，环壳的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧，环壳沿内环固定设置有线圈，环壳的一侧为直流换向器，环壳的内主轴上固定有转子，转子沿内环或外环设置有磁铁，转子内设置有储放电装置；所述转子内设置的储放电装置为电池或电容组，电池或电容组由若干个电池或电容器组成，电池或电容组间设置有并联串联转换器，可使电池或电容组实现并联与串联互变，以应对发电充电与放电做功两种情况；发电机发电时，电池或电容器处于并联充电状态；动力输出时，电池或电容器便由并联充电模式转变为串联输出模式；所述的储放电装置指超级电容器或磷酸铁锂可充电电池，是一个或多个超级电容器或磷酸铁锂可充电电池串联、并联或串并混联而成。

2.一种机电转换轻便自行车，包括正常连接的前轮，后轮，车架，车把，车座，制动器，制动器设置于主轴上，其特征在于：主轴通过轴承置于两端的轴承座内，主轴上依次设置限倒转飞轮（3）、飞轮（4）、机电转换器；所述限倒转飞轮固定于主轴上，并与轴承座固定，限倒转飞轮只可单向转动，从而起到限制主轴倒转的作用；飞轮固定于主轴上，允许链条相对主轴反转；机电转换器的结构包括：壳体通过轴承设置于主轴上，电机的定子与转子分装于壳体与主轴上，壳体的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧；所述转子（8）内设置有储放电装置、遥控开关（15）、电子换向器（10）及相关电路，储放电装置的充电与放电为遥控开关（15）、电子换向器（10）及相关电路所控制；遥控开关（15）为设置于车把上的遥控器所控制；电机功率输出为遥控开关（15）所控制，平时为发电机，通过骑行带动转子（8）相对定子转动而进行充电，遥控开关（15）接上为电动机，即可实现放电做功；所述的机电转换器的结构是：壳体包括两侧壳和环壳，两侧壳均通过轴承与主轴连接；两侧壳通过螺丝固定于环壳上，环壳的幅条连接孔通过辐条连接自行车后轮毂内侧，环壳沿内环固定设置有磁铁，环壳的内主轴上，固定有转子（8），转子（8）沿内环或外环设置有线圈，转子（8）内设置有储放电装置；所述转子内设置的储放电装置为电池或电容组，电池或电容组由若干个电池或电容器组成，电池或电容组间设置有并联串联转换器，可使电池或电容组实现并联与串联互变，以应对发电充电与放电做功两种情况；发电机发电时，电池或电容器处于并联充电状态；动力输出时，电池或电容器便由并联充电模式转变为串联输出模式；所述的储放电装置指超级电容器或磷酸铁锂可充电电池，是一个或多个超级电容器或磷酸铁锂可充电电池串联、并联或串并混联而成。

3.根据权利要求1或2所述的机电转换轻便自行车，其特征在于：所述的电池或电容器上还连接有二极管、稳压管等辅助元件，以防止电池或电容器漏电或击穿。

4.根据权利要求1或2所述的机电转换轻便自行车，其特征在于：所述并联串联转换器，由三极管及相关电路充当，利用三极管的电压自动截止功能，实现并联与串联的转换。

5.根据权利要求1或2所述的机电转换轻便自行车，其特征在于：所述并联串联转换器，由遥控继电器及相关电路充当，遥控继电器接受指令后，进行电路的重新开关分配，从而实现并联与串联的转换。

6.根据权利要求1或2所述的机电转换轻便自行车，其特征在于：所述并联串联转换器，由倍压整流及相关电路充当，电机发出的电能首先给电容充电，再由电容与电机的电压叠加输出。

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