太陽(yáng)能電磁助力單車研究

王灝　康博元　楊培斌　段國(guó)飛　陳蜀喬

摘要：文章所述發(fā)明為一種低成本太陽(yáng)能電磁助力單車，由單車購(gòu)物籃太陽(yáng)能蓋板、位置傳感器、電磁助力盤、后衣架太陽(yáng)能電池板、助力永磁體、扭矩傳感器構(gòu)成。該發(fā)明是一種性能優(yōu)越、外觀小巧的助力裝置，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，極具市場(chǎng)前景，零排放，對(duì)自行車的普及使用具有極其重要的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；電磁助力單車；助力裝置；自行車；零排放 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U484 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.012

本發(fā)明是一種屬于載運(yùn)工具技術(shù)領(lǐng)域的低成本太陽(yáng)能電磁助力單車，性能上克服了現(xiàn)有機(jī)械液壓助力系統(tǒng)能耗比較高、管路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、各種控制油液的閥門數(shù)量繁多以及電動(dòng)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(yùn)用電磁助力盤來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。低成本太陽(yáng)能電磁助力單車是針對(duì)現(xiàn)今電動(dòng)車費(fèi)電、燃油車排廢氣而設(shè)計(jì)的，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重大的意義。

1 研究目標(biāo)

通過(guò)電磁助力盤實(shí)現(xiàn)自行車騎行助力，自行車的機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何改變，能提高騎行者的樂(lè)趣。該自行車采用太陽(yáng)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(dòng)助力車電子部件較多、電機(jī)和蓄電池重量過(guò)大的缺點(diǎn)，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(jiǎn)單，提高了可靠性，降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)了輕便、節(jié)能、響應(yīng)迅速的目標(biāo)，兼具多種優(yōu)點(diǎn)。

2 未來(lái)前景

目前對(duì)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(lái)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(lè)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(shí)現(xiàn)自行車騎行助力，由于本發(fā)明沒(méi)有采用電動(dòng)機(jī)，因而無(wú)需通過(guò)控制程序控制電動(dòng)助力系統(tǒng)，這就完全消除超調(diào)，自行車的機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何改變，助力系統(tǒng)也不會(huì)改變騎行者的感覺(jué)，提高了騎行者的樂(lè)趣；本發(fā)明采用太陽(yáng)能電池板供電，節(jié)省能源，剎車時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回饋電能，節(jié)省自行車騎行者的體力，避免了現(xiàn)有電動(dòng)助力車重量過(guò)大的缺點(diǎn)，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(jiǎn)單，提高了可靠性，降低了制造成本。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輕便、節(jié)能、響應(yīng)迅速的目標(biāo)，兼具多種優(yōu)點(diǎn)，改變了現(xiàn)有電動(dòng)自行車的缺點(diǎn)，極具市場(chǎng)前景，對(duì)保護(hù)環(huán)境具有重大的意義，對(duì)自行車的普及使用具有極其重要的價(jià)值。

3 工作原理和方案

1.剎車把；2.太陽(yáng)能電池板；3.踏板；4.位置傳感器；5.電磁助力裝置；6.太陽(yáng)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(duì)左右助力電磁鐵、對(duì)應(yīng)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(shè)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(shè)置燕尾槽，可安裝固定于U電磁鐵兩端頭部位，整個(gè)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(gè)傳感器固定支架，該固定支架設(shè)置一個(gè)位置傳感器4，位置傳感器4由位置信號(hào)電磁感應(yīng)線圈及其電磁鐵心構(gòu)成，該支架長(zhǎng)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(gè)助力永磁體8之間的中心間距。

扭矩傳感器是將一對(duì)扭矩信號(hào)觸發(fā)齒固定安裝在中軸上，兩個(gè)扭矩信號(hào)觸發(fā)齒環(huán)的外形和相位完全相同，扭矩信號(hào)感應(yīng)線圈安裝固定在中軸套上，扭矩信號(hào)觸發(fā)齒為n個(gè)小永磁體，均分圓周360度，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩信號(hào)感應(yīng)線圈產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，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(duì)扭矩觸發(fā)信號(hào)之間存在相位差，利用現(xiàn)有相位差轉(zhuǎn)換電路將一對(duì)觸發(fā)信號(hào)間相位差轉(zhuǎn)換為扭矩電壓信號(hào)。

助力的基本原理是：前方位置傳感器探測(cè)到存在磁極N，同時(shí)扭矩傳感器檢測(cè)到騎車人對(duì)踏板施加壓力，通過(guò)單片機(jī)給出控制信號(hào)，使電流通過(guò)電磁助力線圈L1和L2，L1產(chǎn)生磁場(chǎng)SN，L2產(chǎn)生磁場(chǎng)NS，此時(shí)下一個(gè)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(shí)產(chǎn)生一個(gè)向前的拉力，車輪開始運(yùn)動(dòng)，前方位置傳感器探測(cè)到存在磁極S且扭矩傳感器也發(fā)出信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)給出反向控制信號(hào)，反相電流通過(guò)助力線圈L1和L2產(chǎn)生反向磁極，L1產(chǎn)生磁場(chǎng)NS，L2產(chǎn)生磁場(chǎng)SN此時(shí)下一個(gè)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(gè)向前的拉力，推動(dòng)車輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)助力。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟昭淵，李金剛.太陽(yáng)能電動(dòng)自行車可行性分析與實(shí)踐[J].太陽(yáng)能，2007，（7）.

[2] 范小春.電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].萍鄉(xiāng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1998，（4）.

[3] 吳柳機(jī)，杜智敏，何華妹.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4] 唐小琦，關(guān)勇刖，趙國(guó)慶.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33（7）.

[5] 董曉倩，黃素平.智能輪椅導(dǎo)航定位研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].沿海企業(yè)與科技，2005，（8）.

[6] 商國(guó)華.對(duì)超輕型電動(dòng)車幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題的探討[J].摩托車技術(shù)，1999，（4）.

作者簡(jiǎn)介：王灝（1994-），男，浙江杭州人，昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：汽車。

（責(zé)任編輯：周 瓊）