专利名称:自行车磨电灯的制作方法
本发明涉及一种用于非机动车辆的发电照明装置，特别是指一种自行车磨电灯。
目前传统的磨电灯产品虽种类较多，但其工作原理和基本构造相同，即主要由永磁发电机和聚光照明装置两部分组成，其中以中国专利号为94237552.1的一种磨电灯产品具有较为广泛的代表性，其工作原理可用图1来表示即通过旋转永磁转子1，使经定子铁芯2闭合、与发电绕组3形成交链关系的工作磁通Φa呈正弦周期性变化，从而使发电绕组3产生交流感应电动势E，并输出工作电压U使照明灯泡通过工作电流I而发光工作；发电机输出的工作电压U与感应电动势E间的相量关系如图2和式1所示。 式中U-为发电机的输出工作电压的有效值(伏)E-为发电机的空载感应电动势的有效值(伏)XL-为发电绕组3通过负载工作电流I时产生的电抗(欧)I-为负载工作电流的有效值(安)N-为发电绕组3的有效匝数Φa-为与发电绕组3相交链的空载工作磁通的等效值(韦)f-为负载电流I和工作磁通Φa的变化频率(赫)L-为发电绕组3的等效电感值(亨)
ω-为永磁转子1的工作转速(弧度/秒)P-为永磁转子1上的磁极对数由于在传统磨电灯产品的永磁发电机中P、N、Φa、L都是相对稳定的工作参数，其输出电压U只随工作转速ω和负载电流I而改变。当发电机的输出电压U随工作转速ω的增大而超过照明灯泡的额定工作电压值时，则将容易造成烧毁灯泡的后果而如要使其实现稳压工作就必须在工作转速ω增大的同时加大负载电流I，即负载电流I等于照明灯泡的额定工作电流与稳压工作电流之和，而稳压工作电流的出现将造成大量额外的功率损耗，使磨电灯产品的工作效率大大降低，其工作运行阻力也将迅速增大，而这对于需人力驱动的磨电灯产品来说是不能够允许的。由于不宜采用普通的稳压装置进行稳压工作，使得大多传统磨电类产品为尽量避免烧毁照明灯泡不得不把其达到额定照明工作状态时的行车速度V0设定在转高车速，从而造成在中低车速行驶时工作照明不足，特别是在拐弯、道路不畅等需较低车速行驶时工作照明严重不足，甚至丧失照明工作能力，而即使这样也不能完全消除其在高速行驶时容易烧毁照明灯泡的缺点。而传统的磨电灯产品的照明装置则一般为灯配式聚光照明装置，如图3所示，其主要特点为灯泡廉价、更换方便，但经抛物状反光镜反射输出的照明灯光约只占从灯丝发出的灯光总量的40％左右，而且反光镜易被污梁、反光性能较低，这都将降低磨电灯产品的照明工作能力。此外，在传统磨电灯产品的永磁发电机中普遍采用的轴套式滑动轴承也存在磨擦阻力大、易磨损的缺点，会进一步降低磨电灯产品的工作效率和使用寿命。由于在传统的磨电灯产品中存在较多明显的性能缺陷，难以确保夜间行车的安全，使其一直不能得到较为广泛的普及使用。
本发明的目的是提供一种能够在各种行车速度时输出充足的工作照明，并具有稳压照明功能和运行阻力小、效率高、使用寿命长等优点的新型自行车磨电灯，从而全面提高磨电灯产品的综合工作性能和普及使用率，进一步保障夜间行车的安全与便捷。
本发明主要的技术实施方案为在永磁发电机中增设一离心式稳压调控工作装置，使其实现无能耗稳压工作效果；采用新型的压制式二次反射型聚光白炽灯代替传统的灯配式聚光照明装置，使灯光的有效照明利用率得到大幅提高。
图4为本发明之永磁发电机的轴向结构示意图。其中，永磁转子1与定子铁芯架2、发电绕组3组成发电机中的发电工作装置，其具体的技术结构可与传统的磨电灯产品相同；而调控铁芯架4与定位架5、弹黄6、拉杆7、离心块8、转轴9、卡簧10则组成发电机中的离心式稳压调控工作装置；图中发电机的其它工作部件为机壳11、轴承12、磨擦轮13，其中轴承12为滚动轴承，用来减小发电机的运行摩擦阻力、并延长其工作寿命。
在发电机的离心式稳压调控工作装置中，调控铁芯架4为爪形工作结构，如图5所示，它与永磁转子1一起作同步运转，并可沿转轴9作轴向移动使其爪部铁芯插入永磁转子1的磁极间隙中，如图6a、b所示；定位架5由非磁极材料制成并固定于永磁转子1上，其结构如图7所示，其定位槽孔与调控铁芯架4的爪部铁芯形成工作配合，从而使调控铁芯架4与永磁转子1一起作用步运转；弹簧6的作用是向调控铁芯架4施加一定的预紧压力Fa，使调控铁芯架4被压附在卡簧10上；拉杆7则由两组长度相同的等较拉杆组成，拉杆的一端与离心块8相连接并等效交于离心块8的质点上，而拉杆的另一端则与调控铁芯架4或转轴9相连接，其等效连接点同处于转轴9的轴芯线上，即各等效拉杆共同构成一个等效的棱形四边形，如图6a所示。
当离心块8随转子1转动时将与拉杆7相互作用产生离心惯性力F和反作用力(向心力)。而离心惯性力F会在各拉杆上产生大小相同的拉力分量，这些拉力分量如作用在调控铁芯架4上将合成一个轴向拉力Fb。而此轴向拉力Fb和向心力分别作用在由各拉杆7构成的等效棱形四边形的两条对角线上，其径向对角线长为2R(R为离心块8的质点到转轴线的上距离)，轴向对角线长为L。因此根据力的一般解法，可得 式中 m——单个离心块8的质量(千克)ω——永磁转子1的工作转速(弧度/秒)L——拉杆7等效交于转轴线上两点间的距离(米)当轴向拉力Fb随工作转速ω的增大而超过弹簧6的预紧压力Fa时将推动调控铁芯架4作轴向移动，使其爪部铁芯插入永磁转子1的磁极间隙中，如图6a、b所示，其目的是调整发电机内的有关电磁参数。
根据有关电磁基础知识可知，从永磁极输出的磁通Φ可分为两部分一部分经定子铁芯架2闭合并与发电绕组3形成交链关系，称之为主磁通Φa；另一部分则不与发电绕组3形成交链关系，主要是通过相邻的磁极间的空气而闭合，称之为漏磁通Φb。当调控铁芯架4的爪部铁芯插入永磁转子1的磁极间隙中时，由于铁芯的磁导率μ远远大于空气的磁导率μ0，使得磁极间的空气磁阻得到大幅减小，漏磁通Φb将迅速增大，如图8所示，而与此同时发电机的主磁路磁阻相对保持不变，因此漏磁通Φb的增大将导致主磁通Φa被相应减小，从而使发电机的空载感应电动势E也相应降低。
同样，当调控铁芯架4的爪部铁芯插入永磁转子1的磁极间了隙中时，由于其爪部铁芯与永磁转子1的磁极工作表面处于同一圆周工作面，而永磁体的回复磁导率μm≈μ0＜＜μ，使得发电绕组3通过负载电流I时产生的电枢反应磁通Φ′也将随之增大，即相当于使发电绕组3的等效电感值L得到增大。因此可以得知，当调控铁芯架4插入永磁转子1的磁极间隙中的爪部铁芯其长度和宽度相应增大时，发电绕组3获得的工作磁通Φa将被相应减小，而其等效电感值L却随之增大，于是根据式1可知，发电机在相同工作转速时输出的工作电压U将被相应降低。
当发电机的工作转速ω较低输出电压U低于额定工作值时，离心式稳压调控工作装置产生的轴向拉力Fb将小于弹簧6的预紧压力Fa，使调控铁芯架4被弹簧6压附在卡簧10上，如图4所示，此时其爪部铁芯基本脱离发电机的工作磁路，使发电机处于正常的发电工作状态，其输出电压U将随工作转速ω的增大而继续升高。当发电机的输出电压U达到其额定工作值、而工作转速ω继续增大时，离心式稳压调控工作装置产生的轴向拉力Fb将大于弹簧6的预紧压力Fa，并推动调控铁芯架4作轴向移动使其爪部铁芯插入永磁转子1的磁极间隙中，从而消除发电机的输出电压U的上升趋势，使其保持在额定工作值附近。由于调控铁芯架4在作轴向移动工作时需要进一步压缩弹簧6使其产生工作弹力，因此调控铁芯架4在轴向拉力Fb作用下产生的轴向位移量(即弹簧6被进一步压缩的长度)与弹簧6的弹力系数有关，因此可通过选用性能合适的弹簧6来控制调控铁芯架4的轴向移动工作，使其能够满足稳压工作的需要，从而达到较为理想的稳压工作效果。
图10为压制式二次反射型聚光白炽灯的轴向结构示意图。它由灯壳a和灯壳b相互密闭封接而成，灯内抽为真空或充以惰性气体。灯壳a为带有平面状外沿、内壁呈椭球面状的玻璃灯壳，其中平面状的灯壳外壁上设有接电灯座d和充排气口e，而呈椭球面状的灯壳内壁上则镀有高反光性能的金属反光膜，灯芯P1为其近焦点。灯壳b则为球面状的玻璃灯壳，灯芯P1点为其球心，灯壳的球面状内壁上除透光窗C外均镀有金属及光膜。图中，带有阴影部分的灯壳表示其镀有金属反光膜。
图11为压制式二次反射型聚光白炽的灯光输出工作示意图。从图中可以看出，从灯芯P1点发出的灯光根据其输出过程可分为三部分一部分从灯芯P1点发出经椭球面状的反光镜a反射后从透光窗C处输出，并以P2点重新聚焦后形成光束角为β的照明光束；另一部分灯光则从灯芯P1点发出后被球面状的反光镜b反射回来并从灯芯P1点附近穿过投射于反光镜a上，再经反光镜a反射从透光穿C处输出，形成与前一部分灯光相重叠的照明光束；其余的一部分灯光则从灯芯P1点发出后直接从透光窗C处输出，形成光束角为Q的散射光束，其中Q≈β。从图中可以看出，由于接电灯座d和充排气口e同处于灯壳a的平面状灯壳的外壁上，不会对灯光的输出工作产生任何遮挡作用，因此从灯芯P1点发出的灯光都能够全部从透光窗C处输出并聚集成一定光束角的照明光束，使灯光的有效照明利用率可达到近100％，其照明工作效果将相当于两倍同等功率以上的传统灯配式聚光照明装置，同时也消除了灯光对行人、车辆的眩目使用，而且灯内的反光膜不易受污染，具有很好的反光性能。
由于发电机在进行稳压调控工作时调控铁芯架4并不参与发电机的功电转换工作，其所需的轴向拉力Fb也是利用离心块8的离心惯性力而产生的，因此发电机在进行稳压调控工作时不会产生额外的功率损耗，从而彻底地解决了长期困挠传统磨电灯产品的稳压工作与工作效率相矛盾的这一重大技术难题。
由于本发明在稳压调控工作时不会产生额外的功率损耗，使其在行车工作时所消耗的机械功率P基本不随行车速度V而改变，即根据功率定式P＝F·V可知，其运行阻力F将随行车速度V的升高而减小，使其在中高车速行驶时具有极为优越的工作性能。同时，由于实现了稳压照明工作，使其可以把达到额定照明工作状态时的行车速度V0降到较低车速甚至是步行推车的速度，而在中高车速行驶时保持稳定的额定照明工作状态，从而消除了传统磨电灯产品存在的低速不亮、高速烧灯的缺点，同时也为本发明采用压制二次反射型聚光白炽灯代替传统的灯配式聚光明装置提供了安全的工作条件。
图1为自行车磨电灯的工作原理示意图；图2为永磁发电机的工作相量图；图3为灯配式聚光照明装置的结构及工作示意图；图4为本发明之永磁发电机的轴向结构示意图；
图5为永磁发电机中的调控铁芯架4的结构示意图。
图6a、b为调控铁芯架4作轴向移动时的工作示意图；图7为定位架5的结构示意图；图8为调控铁芯架4对漏磁路的工作影响示意图；图9为调控铁芯架4对电枢反应磁路的工作影响示意图；图10为压制式二次反射型聚光白炽灯的结构示意图；图11为压制式二次反射型聚光白炽灯的灯光输出工作示意图。
权利要求
1.一种自行车磨电灯，主要由永磁发电机和聚光照明装置两部分组成，其特征在于A、所述的永磁发电机内设有由调控铁芯架(4)、定位架(5)、弹簧(6)、拉杆(7)、离心块(8)、转轴(9)、卡簧(10)组成的离心式稳压调控工作装置；B、所述的聚光照明装置为压制式二次反射型聚光白炽灯，它由带有平面状外沿、内壁呈椭球面状的玻璃灯壳(a)与内壁呈球面状的玻璃灯壳(b)相互密闭封接而成，灯内抽为真空或充以惰性保护气体。
2.根据权利要求
1所述的自行车磨电灯，其特征在于调控铁芯架(4)为爪形结构，它与永磁转子(1)一起作同步运转、并可沿转轴(a)作轴向移动。
3.根据权利要求
1所述的自行车磨电灯，其特征在于拉杆(7)由两根拉杆共同组成，拉杆的同端与离心块(8)相连接，而拉杆的两端则分别与调控铁芯架(4)和转轴(9)相连接。
4.根据权利要求
1所述的自行车磨电灯，其特征在于灯壳(a)的平面状外沿上设有接电灯座(d)和充排气口(e)。
5.根据权利要求
1所述的自行车磨电灯，其特征在于灯壳(a)的椭球面状内壁上镀有金属反光膜，灯芯(P1)点为其近焦点。
6.根据权利要求
1所述的自行车磨电灯，其特征在于灯壳(b)的球面状内壁上除透光窗(C)外均镀有金属反光膜，灯芯(P1)点为其球心。
专利摘要
本发明为一种自行车磨电灯，主要由拥有离心式稳压调控工作装置的永磁发电机和压制式二次反射型聚光白炽灯两部分组成，解决了长期困挠传统磨电灯产品的稳压工作与工作效率相矛盾的这一技术难题，从而使其消除了低速不亮、高速烧灯的缺点，并使灯光的有效照明利用率得到大幅地提高。
文档编号B62J6/08GKCN1095778SQ99119672
公开日2002年12月11日 申请日期1999年9月27日
发明者谢斌辉 申请人:谢斌辉导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (4),