太陽能電磁助力單車論文

　　太陽能電磁助力單車論文【1】

　　關(guān)鍵詞：太陽能;電磁助力單車;助力裝置;自行車;零排放

　　本發(fā)明是一種屬于載運工具技術(shù)領(lǐng)域的低成本太陽能電磁助力單車，性能上克服了現(xiàn)有機械液壓助力系統(tǒng)能耗比較高、管路結(jié)構(gòu)非常復雜、各種控制油液的閥門數(shù)量繁多以及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中該系統(tǒng)隔離了人與路面的直接聯(lián)系，使得路感信息匱乏、存在超調(diào)等缺陷，并且巧妙地運用電磁助力盤來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

　　低成本太陽能電磁助力單車是針對現(xiàn)今電動車費電、燃油車排廢氣而設計的，對環(huán)境保護具有重大的意義。

　　1 研究目標

　　通過電磁助力盤實現(xiàn)自行車騎行助力，自行車的機械結(jié)構(gòu)沒有任何改變，能提高騎行者的樂趣。

　　該自行車采用太陽能電池板供電，節(jié)省能源，節(jié)省自行車騎行者的體力，讓自行車的騎行變得輕松，避免了現(xiàn)有電動助力車電子部件較多、電機和蓄電池重量過大的缺點，助力系統(tǒng)重量極低，是一種性能優(yōu)越、外觀小巧的助力裝置，結(jié)構(gòu)極其簡單，提高了可靠性，降低了制造成本，實現(xiàn)了輕便、節(jié)能、響應迅速的目標，兼具多種優(yōu)點。

　　2 未來前景

　　目前對環(huán)境最友好的交通工具就是自行車，但是自行車卻限于騎行者的體力，如何以最小的改變來節(jié)省自行車騎行者的體力，讓自行車的騎行變成一種輕松快樂的行為，這就需要一種性能優(yōu)越小巧的助力裝置。

　　本發(fā)明采用電磁助力盤實現(xiàn)自行車騎行助力，由于本發(fā)明沒有采用電動機，因而無需通過控制程序控制電動助力系統(tǒng)，這就完全消除超調(diào)，自行車的機械結(jié)構(gòu)沒有任何改變，助力系統(tǒng)也不會改變騎行者的感覺，提高了騎行者的樂趣;本發(fā)明采用太陽能電池板供電，節(jié)省能源，剎車時，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)自動回饋電能，節(jié)省自行車騎行者的體力，避免了現(xiàn)有電動助力車重量過大的缺點，助力系統(tǒng)重量極低，是一種性能優(yōu)越小巧的助力裝置，結(jié)構(gòu)極其簡單，提高了可靠性，降低了制造成本。

　　該發(fā)明實現(xiàn)了輕便、節(jié)能、響應迅速的目標，兼具多種優(yōu)點，改變了現(xiàn)有電動自行車的缺點，極具市場前景，對保護環(huán)境具有重大的意義，對自行車的普及使用具有極其重要的價值。

　　3 工作原理和方案

　　1.剎車把;2.太陽能電池板;3.踏板;4.位置傳感器;5.電磁助力裝置;6.太陽能電池板;7.蓄電池;8.助力永磁體;9.輪胎;10.輻板外沿;11.后上叉;12.線路;13.輻板孔;14.電控板

　　電磁助力盤5由一對左右助力電磁鐵、對應的助力電磁鐵線圈及剎車皮組成，電磁鐵為U形電磁鐵，該電磁鐵采用硅鋼片等具有退磁特性的材料，電磁助力盤設置外殼，助力電磁鐵線圈纏繞在U形電磁鐵中央腰部，自行車剎車皮設置燕尾槽，可安裝固定于U電磁鐵兩端頭部位，整個電磁助力盤5安裝在原剎車皮位置，取代原剎車皮，左右電磁助力盤5固定于自行車的剎把閘上，剎把閘安裝于自行車的后上叉11上，電磁鐵線圈供電線與剎車線歸并為一束剎車電控組合線12，U形電磁鐵一側(cè)安裝固定一個傳感器固定支架。

　　該固定支架設置一個位置傳感器4，位置傳感器4由位置信號電磁感應線圈及其電磁鐵心構(gòu)成，該支架長度可以微調(diào)，使得電磁助力盤5與位置傳感器4中心間距精確等于輻板外沿10上兩個助力永磁體8之間的中心間距。

　　扭矩傳感器是將一對扭矩信號觸發(fā)齒固定安裝在中軸上，兩個扭矩信號觸發(fā)齒環(huán)的外形和相位完全相同，扭矩信號感應線圈安裝固定在中軸套上，扭矩信號觸發(fā)齒為n個小永磁體，均分圓周360度，轉(zhuǎn)動時，扭矩信號感應線圈產(chǎn)生感生電動勢，騎行者踩踏腳踏板3，曲柄施加扭矩于中軸，使得中軸發(fā)生彈性變形，每一對扭矩觸發(fā)信號之間存在相位差，利用現(xiàn)有相位差轉(zhuǎn)換電路將一對觸發(fā)信號間相位差轉(zhuǎn)換為扭矩電壓信號。

　　助力的基本原理是：前方位置傳感器探測到存在磁極N，同時扭矩傳感器檢測到騎車人對踏板施加壓力，通過單片機給出控制信號，使電流通過電磁助力線圈L1和L2，L1產(chǎn)生磁場SN，L2產(chǎn)生磁場NS，此時下一個左側(cè)助力永磁體的N極處于U形電磁鐵SN之間，右側(cè)永磁體的S極處于U形電磁鐵NS之間，同時產(chǎn)生一個向前的拉力，車輪開始運動，前方位置傳感器探測到存在磁極S且扭矩傳感器也發(fā)出信號。

　　通過單片機給出反向控制信號，反相電流通過助力線圈L1和L2產(chǎn)生反向磁極，L1產(chǎn)生磁場NS，L2產(chǎn)生磁場SN此時下一個左側(cè)助力永磁體的S極處于U形電磁鐵NS之間，右側(cè)永磁體的N極處于U形電磁鐵SN之間，也產(chǎn)生一個向前的拉力，推動車輪繼續(xù)運動，從而實現(xiàn)助力。

　　參考文獻

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　　電磁學中關(guān)于能量的思考【2】

　　摘 要：本文應用能量守恒定律驗證了靜電場有旋性，解釋了愣次定律，并處理了一道具體的電磁學題目，從而強調(diào)了電磁場作為物質(zhì)存在的一種普遍形式具有物質(zhì)性，自然界中最普遍的一種能量――電磁能的存在就是其物質(zhì)性的體現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：電磁學 場 能量守恒定律

　　電磁學理論是物理體系中的重要組成部分，電場的性質(zhì)是對處于其中的電荷有力的作用，磁場的本質(zhì)則是對處于其中的運動電荷有力的作用。

　　因此我們在教學中往往是強調(diào)電場、磁場的方向及其中電荷所受的力，而忽視了場作為物質(zhì)存在的一種普遍形式是具有能量的。

　　如果將自然界的基本規(guī)律――能量守恒定律應用到電磁場之中，對一些電磁現(xiàn)象、定律的理解及一些電磁學題目的求解將起到事半功倍的效果。

　　下面我們就一些實例來討論：

　　一、應用能量守恒定律驗證靜電場的電場線不相交

　　靜電場中的電場線是永不閉合的曲線，這一特點叫做靜電場的無旋性。

　　靜電場的這一特點實際上是和電磁相互作用過程中的能量守恒聯(lián)系在一起的。

　　如圖1所示，假設有一電場線閉合成為一個逆時針方向的圓周，我們就可以以該圓周的大小制作一個圓盤并使其邊緣帶電，例如帶正電，然后將圓盤放在該電場中。

　　由于圓盤上每一個地方受到的電場力都沿著電力線的切線方向，對圓心的力矩都沿著逆時針方向，我們將會發(fā)現(xiàn)圓盤會加速轉(zhuǎn)動，動能不斷增加。

　　這顯然違背了能量守恒定律，因此，靜電場的電場線是不能閉合的。

　　二、應用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律推導法拉第電磁感應定律

　　在現(xiàn)行人教版高中物理課本中，講到關(guān)于法拉第電磁感應定律傳統(tǒng)的推導方法時，先是“法拉第在大量精確實驗的基礎(chǔ)上歸納得出”，直接提出感生電動勢的公式E=n ，而后在這個公式的基礎(chǔ)上提出動生電動勢E=Blv。

　　這樣讓人較難理解，一是與前面知識結(jié)合不緊密，二是對這個公式只能采取死記硬背，效果也不太理想。

　　如果用能量轉(zhuǎn)換和守恒定律來推導一下，可能效果就大不一樣。

　　在如圖2所示的勻強磁場中，設磁感應強度為B，有一個矩形線框abcd放在這個磁場里，它的平面與磁感應線垂直，導線ab的長度為l，它在與磁感應線垂直的方向上以速度v向右運動。

　　設導線在△t時間內(nèi)，由原來位置ab移動到位置a′b′，則aa′=vΔt。

　　要使導線ab在切割磁感應線的過程中能產(chǎn)生動生電動勢E，即其他形式的能通過導線ab做功轉(zhuǎn)化的電能為：W=qE=EIΔt。

　　而要使導線能以穩(wěn)定的速度v做切割磁感應線的運動，它必定受到平衡力的作用，就有：F =F 。

　　則外力對導線ab所做的功為：W=F S=F S=BIlvΔt。

　　根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律：EIΔt=BIlvΔt，所以E=Blv。

　　三、應用能量守恒定律解釋愣次定律

　　1833年，愣次在總結(jié)大量實驗的基礎(chǔ)上，提出了一個判定電磁感應中感應電流方向的法則，即愣次定律。

　　其內(nèi)容如下：閉合回路中感應電流I的方向，是要使感應電流在回來所圍面積上產(chǎn)生的磁通量，去抵消或反抗引起感應電流的磁通量的變化。

　　考慮圖3所示的那樣一個實驗，一塊條形磁鐵穿過一個閉合線圈的過程。

　　圖(a)是磁鐵向左運動靠近線圈的情況，由愣次定律可判斷線圈中感應電流的方向如圖所示。

　　圖(b)是磁鐵已穿過線圈繼續(xù)向左運動的情況，同樣由愣次定律可判斷出線圈中感應電流I′的方向如圖。

　　下面我們就從能量守恒的角度來解釋上述現(xiàn)象。

　　在實驗中閉合線圈里有感生電流產(chǎn)生，于是線圈中應有能量釋放出來，如發(fā)出焦耳熱。

　　應該考慮一下，這些能量究竟是從哪兒來的?看圖(a)，電磁感應在閉合線圈上產(chǎn)生的電流會形成一個磁矩，按右手螺旋法則，磁矩向右，即右邊是N極。

　　線圈的N極會排斥磁鐵的N極，阻止它的相對運動。

　　因而，要進行電磁感應，磁鐵就必須要克服斥力而做功，通過做功，磁鐵運動的機械能轉(zhuǎn)化為了電能。

　　同樣圖(b)的過程中磁鐵也要克服引力做功，把機械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　可見電磁感應中釋放的能量并不是憑空而來的，而是其它能量如機械能轉(zhuǎn)換而來的。

　　如果楞次定律不是感應電流的磁通量去反抗引起感應電流的磁通量的變化，而是支持這種變化，那么上述實驗中的一切都會倒過來，那物理學就會天下大亂了。

　　試想在圖(a)中，我們只須給磁鐵一點很少的啟動能量使之向左運動，如果楞次定律反過來，那么磁鐵受到的就將是引力而不是斥力，它就會加速通過線圈，然后繼續(xù)加速向左運動。

　　在左側(cè)安裝一個彈性壁使之反彈向左并繼續(xù)加速，然后反彈加速……這樣我們就能在磁鐵上獲得源源不絕的機械能，在線圈上獲得無窮無盡的電能，而我們卻沒有輸入任何能量。

　　可見，楞次定律是能量守恒定律這個自然界的普遍法則在電磁感應中的體現(xiàn)。

　　四、應用能量守恒定律求解電磁學中的具體題目

　　我們看下面一道例題：在如圖4所示的裝置中，當不太長的條形磁鐵在閉合線圈內(nèi)做振動時()。

　　A. 振幅會逐漸增大B. 振幅會逐漸減小

　　C. 振幅不變D. 振幅先減小后增大

　　這道題目可以由愣次定律判斷每一種情況下磁鐵的受力方向，綜合各種情況得出振幅會逐漸減小的結(jié)論，即B選項，但是其過程比較繁瑣。

　　下面我們從能量守恒的角度來判斷：當磁鐵通過線圈時，線圈會產(chǎn)生感應電流，隨即產(chǎn)生焦耳熱。

　　由能量守恒定律可以判斷能量不會憑空產(chǎn)生，此題中焦耳熱必然由系統(tǒng)機械能轉(zhuǎn)化而來。

　　當機械能減少時，簡諧振動系統(tǒng)的振幅必減小，同樣我們判斷出正確答案為B選項。

　　從對比中可見，后一種解法條理清晰、簡潔明了，解題效率較高。

　　需要強調(diào)的是我們在應用電能、磁能時，應認識到電磁場的能量是儲存在場中而不是儲存在激發(fā)電磁場的電荷中。

　　這一點我們可以簡潔地說明如下：現(xiàn)在人類已能探測到一百億光年以外星體的發(fā)光，光是電磁波即變化的電磁場。

　　最初產(chǎn)生電磁場的那些電荷分布現(xiàn)在是否存在我們無從知道，但它產(chǎn)生的電磁場所依然存在，并能攜帶著能量來啟動我們的儀器使我們探測到它的存在，可見能量確實存在于場之中，電能就是電場的能量，磁能也就是磁場的能量。

　　本文列舉了幾個應用能量守恒定律處理電磁學問題的實例，強調(diào)了電磁場不僅僅是對處于其中的電荷有力的作用，作為物質(zhì)存在的一種普遍形式具有物質(zhì)性，自然界中最普遍的一種能量――電磁能的存在就是其物質(zhì)性的體現(xiàn)。

　　參考文獻：

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