本发明涉及一种用于自行车夜间行驶时提供照明工作的装置，即自行 车磨电灯。

目前传统的磨电灯产品虽型类较多，但其基本工作原理大致相同，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典型的代表性，其发电机输出的照 明工作电压U与空载感应电动势E之间的相量关系如图1和式1所示： $U=\sqrt{E^2-{\left(X_{L}L\right)}^2}=\sqrt{{\left(2\mathrm{\pi fN\Phi }\right)}^2-{\left(2\mathrm{\pi fLI}\right)}^2}=\mathrm{\omega p}\sqrt{N^2{\Phi }^2-L^2{I}^2}$ (式1) 式中XL－发电绕组3通过工作电流I时产生的等效电抗(欧)；

I－发电机输出的工作电流的有效值(安)；

N－发电绕组的有效匝数；

φ－空载时与发电绕组3相交链的工作磁通的有效值(韦)；

f－工作电流I与工作电压U的工作频率；

L－发电绕组3的等效电感值(享)；

ω－发电机转子的工作转速(弧度/秒)；

p－发电机转子上的磁极对数。

由于在传统的永磁发电机中N、φ、L、P都是相对稳定的工作参数， 其输出的照明工作电压U将随工作转速ω的升高而不断增大并可能大幅超 过照明灯泡的额定电压工作值，从而将容易造成烧毁灯泡的后果。而如果 在照明工作电路中增设普通的晶体管稳压电路，如图2(a)、(b)所示，则 由于并联的稳压管W或串联的三极管G经常处于放大工作状态会产生大量 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，使得大多传统的磨电灯产品为尽量避免烧毁照明 灯泡不得不将其达到额定照明工作状态时的行车速度V0设定在较高车速， 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易烧毁照明灯泡的缺点。此外，传统的磨 电灯产品的照明装置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，但经抛物面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，而且反光镜易被污染，反光率较低， 这都将降低磨电灯产品的照明工作能力。同时，在传统的磨电灯产品中普 遍采用的滑套式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的 非常明显的性能缺陷，难以保障夜间行车的安全，使其一直不能得到广泛 的普及使用。

本发明的主要目的是提供一种能够在低速行车时产生充足的工作照明， 而在中高车速行驶时能够实现无能耗稳压照明工作的新型自行车磨电灯， 并使其具有高亮度、高效率、驱动阻力小、使用寿命长等优点，从而全面 提高磨电灯产品的综合工作性能，使其能够得到广泛的普及使用，进一步 保障夜间行车的安全与便捷。

本发明主要由微型永磁发电机和聚光照明装置两部分组成，其主要的技 术实施方案为：在永磁发电机内增设一离心式稳压调控装置，使其能够实 现无能耗稳压工作；同时，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可得到大幅度地提 高。

图4为本发明之永磁发电机的轴向结构示意图。图中，永磁转子(1)与定 子导磁铁芯架(2)、发电绕组(3)构成发电机的发电工作装置；调控铁芯套(4) 与驱动(5)、弹簧(6)、拉杆(7)、离心块(8)、转轴(9)、档圈(10)则构成发电机内 的离心式稳压调控工作装置；发电机的其它工作部件则分别为机壳(11)、轴 承(12)、磨擦驱动轮(13)、端盖(14)，其中轴承(12)为滚动轴承并分别安装于发电 机转子的两端，用来减小发电机的磨擦损耗，并提高发电机转子的安装精 度，延长其工作寿命。

在发电机的离心式稳压调控工作装置中，调控铁芯套(4)为筒形薄壁结构 并与驱动架(5)与形成一体，如图5所示，通过驱动架(5)与转轴(9)之间形成 的驱动联接，可使调控铁芯套(4)随永磁转子(1)作同步运转，并可沿其磁极 表面作轴向自由移动。弹簧(6)的作用是向驱动架(5)与施加一定的预紧压力 Fa，使调控铁芯套(4)脱离于永磁转子(1)与定子导磁铁芯架(2)之间的工作气 隙中。拉杆(7)则由两根长度相同的等效拉杆共同组成，两拉杆的共同端与 离心块(8)相联接，其等效联接点位于离心块(8)的质点上，而两拉杆的两异 端则分别与驱动架(5)和转轴(9相联接，其等效连接点同处于转轴(9)的轴芯 线上。

当发电机运转时，离心块(8)产生的离心惯性力将通过拉杆(7)作用于驱动 架(5)并产生轴向拉力Fb，其拉力大小如式2所示。

Fb=mω2L/2

式中m－离心块8的质量(千克)

    L－拉杆7两异端间的轴向距离(米)

当发电机的工作转速ω较低导致其输出的照明工作电压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，使调控铁芯套(4)在弹簧(6)的作用下脱离于永磁转子(1)与定子铁芯架 (2)之间的气隙磁场，从而可使发电绕组(3)获得最大的磁通量并使发电机处 于最大的发电容量工作状态，其输出的照明工作电压U将随工作转速ω的 升高而不断增大。

当发电机输出的照明工作电压U随工作转速ω的升高而达到并超过其额 定工作值时，离心式稳压调控工作装置产生的轴向拉力Fb将开始大于弹簧 (6)的预紧压力Fa，并将拉动调控铁芯套(4)作轴向移动，使其插入永磁转子 (1)与定子铁芯架(2)之间的气隙磁场中，如图6所示，使部分原通过发电绕 组(3)的工作磁通经调控铁芯套(4)而短路闭合，使发电机在相同的工作转速 时其空载感应电动势E将被相应降低。同时，由于调控铁芯套(4)的介入， 使得发电机在负载运行时产生的电枢反应磁通φ′会得到相应增加，如图7 所示，其作用相当于使发电机的电流自感系数L得到相应增大。因此，当 调控铁芯套(4)因发电机工作转速ω的升高而插入永磁转子(1)与定子铁芯架 (2)之间的气隙磁场中时，将使发电机输出的照明工作电压U的上升趋势得 到遏制或消除，从而使其稳定在额定工作值附近，达到较为理想的稳压工 作效果。

由于调控铁芯套(4)作轴向移动时所需的轴向拉力Fb来源于离心块(8)的 离心运动惯性，而且调控铁芯套(4)因工作于近乎衡定的磁场中而不会产生 涡流感应损耗，因而本发明在进行稳压工作时不会产生额外的能量损耗， 从而彻底地解决了长期以来困绕传统磨电灯产品的稳压工作与工作效率相 互矛盾的这一关键的技术难题。由于本发明实现了无能耗稳压照明工作效 果，使其可以把达到额定照明工作状态时的行车速度设定在较低车速，从 而使其在低速行驶时、甚至是步行推车时也能够获得充足的工作照明，而 在中高速行驶时仍保持额定照明工作状态；而且由于本发明在中高车速行 驶工作时其消耗的总功率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，其工作运行阻力F将随行车速度v的增大而减小，使其在中 高车速行驶工作时具有极为优越的工作性能。

由于本发明需在较低车速行驶达到额定照明工作状态，因此本发明之发 电机在低速行车工作时输出的有效电功率需数倍于传统磨电灯产品的发电 机，即发电机的发电容量需成倍的增大。在传统磨电灯产品的发电机中(如 ZL:94237552.1)，其定子导磁铁芯架呈爪形结构，如图8所示，其导磁铁 芯a段与极度掌b为等宽、等厚的薄片结构，会使导磁铁芯a段产生高度 磁饱和现象，从而使发电机的发电容量和永磁体的利用效率的进一步提高 受到一定限制。在此情况下，如果仅通过简单的增加导磁铁芯片的厚度或 宽度及永磁体的用量来实现增大发电机的发电容量，则会使导磁铁芯架内 部产生的涡流感应损耗急剧增大，或使发电机的体积、用铜量、铜损、永 磁体用量大幅增加，从而使磨电灯产品的工作效率下降并大幅增加生产成 本。为尽量消除这些不利影响，本发明之永磁发电机的定子导磁铁芯架(2) 采用了层叠式结构和整体成形技术。

本发明之永磁发电机的定子导磁铁芯架(2)的层叠式结构的构造原理如 图9a、b所示，它由两层或两层以上的导磁钢片相层叠而成，各层之间通 过一较窄的焊区而焊接成一体，使每层导磁钢片均可共同参与导磁工作， 而在各导磁钢片的非焊区则涂有绝缘层以防止各导磁钢片之间构成涡流感 应回路，可在增大定子导磁铁芯的有效截面面积的同时减小其涡流感应损 耗，从而同时提高发电机的发电容量与工作效率。本发明之定子导磁铁芯 架(2)的整体成形技术方案则可通过用图10、图11、图12、图13、图14来 表述：首先定子导磁铁芯架(2)的制作坏料由两片或两片以上相同的、已切 割成形的导磁钢片相重叠焊接而成，其单层导磁钢片的形状如图10所示， 图中阴影部分表示焊区，(为简化图形，在图10、图11、图12、图13、图 14中均只绘出定子导磁铁芯架的单层结构图)；然后将图10中的导磁钢片 沿虚线y卷曲成柱形结构如图11所示，再将图11中的a段铁芯沿径向展 开使其垂直于轴芯线如图12所示，然后在图12中的铁芯架上绕制发电线 圈(3)如图13所示，最后将图13中的b段铁芯折曲成90度使其成为极掌并 最终成形，如图14所示。由于定子导磁铁芯架(2)采用了整体成形的技术方案， 可以消除传统产品中由于定子导磁铁芯架分段衔接而产生的局部气隙磁 阻，并可以在生产过程中大幅减少导磁钢片的用量。

为尽可能的提高磨电灯产品的照明装置的灯光有效利用率，本发明采用 了新型的二次反射型聚光白炽灯作为照明装置，其具体结构如图15所示。 它主要由灯壳(A)和灯壳(B)相密闭封接而成，灯内抽为真空或充以惰 性气体；其中灯壳(A)为内壁呈椭球面状并镀有金属反光膜的玻璃灯壳， 其平面状的灯壳外沿则与灯壳(B)形成密闭封接，而且灯泡的电极引座(a) 和充排气口(b)均设置在灯壳(A)的平面状灯壳外沿上，灯丝所处位置(P1) 点则位于灯壳(A)的椭球面状反光镜的近焦点上；灯壳(B)则为内壁呈 圆面状的玻璃灯壳，灯壳(P1)为其球心，灯壳的球面状内壁上除透光窗(c) 外均镀有金属反光膜。

图16为本发明之二次反射型聚光白炽灯的灯光输出工作示意图。从图 中可以看出，从灯丝(P1)点发出的灯光根据其输出途径可分成三部分：一 部分灯光从灯丝(P1)点发出后经椭球面状反光镜反射后从透光窗(C)处输 出，然后经远焦点(P2)重新聚焦后形成最大光束角为∠2β的照明光束；另 一部份灯光则从灯芯(P1)点发出后被球面状反光镜反射回来从灯芯(P1)点 附近穿过投射于椭球面状反光镜上，再经椭球面状反光镜第二次反射从透 光窗(C)处输出，形成与前一部分灯光相重叠的照明光束；剩余的一部份灯 光则从灯芯(P1)点发出后直接从透光窗(C)处输出，形成最大光束角为∠2 θ的散射光束，其中∠θ≈∠β。从图16中可以看出，由于二次反射型聚 光白炽灯的电极引座(a)和充排气口(b)均处于灯壳(A)的平面状外沿灯壳 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 光都能够最终全部从透光窗(C)处输出，并形成具有一定光束角的照明光束 投射于车辆正前方需要照明的道路上，使灯光的有效照明利用率可达到近 100％，其照明效果相当于同等功率的传统灯配式聚光照明装置的两倍左右， 同时也消除了灯光对其它行人、车辆的眩目作用，而且灯内的反光膜不易 受污染、反光率较高。

附图说明：

图1永磁发电机的工作相量示意图；

图2普通的晶体管稳压电路的原理图；

图3传统的灯配式聚光照明装置的结构示意图；

图4本发明之永磁发电机的轴向结构示意图；

图5调控铁芯套(4)与驱动架(5)的形状结构示意图；

图6调控铁芯套(4)作轴向移动时的工作示意图；

图7调控铁芯套(4)对电枢反应的工作影响示意图；

图8传统产品中定子铁芯架的结构示意图；

图9本发明之定子导磁铁芯架(2)的层叠式结构示意图；

图10～图14本发明之定子导磁铁芯架(2)的单层铁芯的整体连续变 形过程示意图；

图15本发明之二次反射型聚光白炽灯的工作结构示意图；

图16本发明之二次反射聚光白炽灯的灯光输出工作示意图。