太陽(yáng)能電磁助力單車(chē)論文

　　太陽(yáng)能電磁助力單車(chē)論文【1】

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;電磁助力單車(chē);助力裝置;自行車(chē);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(yáng)能電磁助力單車(chē)，性能上克服了現有機械液壓助力系統能耗比較高、管路結構非常復雜、各種控制油液的閥門(mén)數量繁多以及電動(dòng)助力轉向系統中該系統隔離了人與路面的直接聯(lián)系，使得路感信息匱乏、存在超調等缺陷，并且巧妙地運用電磁助力盤(pán)來(lái)實(shí)現轉向助力。

　　低成本太陽(yáng)能電磁助力單車(chē)是針對現今電動(dòng)車(chē)費電、燃油車(chē)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(guò)電磁助力盤(pán)實(shí)現自行車(chē)騎行助力，自行車(chē)的機械結構沒(méi)有任何改變，能提高騎行者的樂(lè )趣。

　　該自行車(chē)采用太陽(yáng)能電池板供電，節省能源，節省自行車(chē)騎行者的體力，讓自行車(chē)的騎行變得輕松，避免了現有電動(dòng)助力車(chē)電子部件較多、電機和蓄電池重量過(guò)大的缺點(diǎn)，助力系統重量極低，是一種性能優(yōu)越、外觀(guān)小巧的助力裝置，結構極其簡(jiǎn)單，提高了可靠性，降低了制造成本，實(shí)現了輕便、節能、響應迅速的目標，兼具多種優(yōu)點(diǎn)。

　　2 未來(lái)前景

　　目前對環(huán)境最友好的交通工具就是自行車(chē)，但是自行車(chē)卻限于騎行者的體力，如何以最小的改變來(lái)節省自行車(chē)騎行者的體力，讓自行車(chē)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(pán)實(shí)現自行車(chē)騎行助力，由于本發(fā)明沒(méi)有采用電動(dòng)機，因而無(wú)需通過(guò)控制程序控制電動(dòng)助力系統，這就完全消除超調，自行車(chē)的機械結構沒(méi)有任何改變，助力系統也不會(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，節省能源，剎車(chē)時(shí)，將機械能轉化為電能，實(shí)現自動(dòng)回饋電能，節省自行車(chē)騎行者的體力，避免了現有電動(dòng)助力車(chē)重量過(guò)大的缺點(diǎn)，助力系統重量極低，是一種性能優(yōu)越小巧的助力裝置，結構極其簡(jiǎn)單，提高了可靠性，降低了制造成本。

　　該發(fā)明實(shí)現了輕便、節能、響應迅速的目標，兼具多種優(yōu)點(diǎn)，改變了現有電動(dòng)自行車(chē)的缺點(diǎn)，極具市場(chǎng)前景，對保護環(huán)境具有重大的意義，對自行車(chē)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(chē)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(xiàn)路;13.輻板孔;14.電控板

　　電磁助力盤(pán)5由一對左右助力電磁鐵、對應的助力電磁鐵線(xiàn)圈及剎車(chē)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(pán)設置外殼，助力電磁鐵線(xiàn)圈纏繞在U形電磁鐵中央腰部，自行車(chē)剎車(chē)皮設置燕尾槽，可安裝固定于U電磁鐵兩端頭部位，整個(gè)電磁助力盤(pán)5安裝在原剎車(chē)皮位置，取代原剎車(chē)皮，左右電磁助力盤(pán)5固定于自行車(chē)的剎把閘上，剎把閘安裝于自行車(chē)的后上叉11上，電磁鐵線(xiàn)圈供電線(xiàn)與剎車(chē)線(xiàn)歸并為一束剎車(chē)電控組合線(xiàn)12，U形電磁鐵一側安裝固定一個(gè)傳感器固定支架。

　　該固定支架設置一個(gè)位置傳感器4，位置傳感器4由位置信號電磁感應線(xiàn)圈及其電磁鐵心構成，該支架長(cháng)度可以微調，使得電磁助力盤(pán)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扭矩信號觸發(fā)齒固定安裝在中軸上，兩個(gè)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(xiàn)圈安裝固定在中軸套上，扭矩信號觸發(fā)齒為n個(gè)小永磁體，均分圓周360度，轉動(dòng)時(shí)，扭矩信號感應線(xiàn)圈產(chǎn)生感生電動(dòng)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，利用現有相位差轉換電路將一對觸發(fā)信號間相位差轉換為扭矩電壓信號。

　　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(shí)扭矩傳感器檢測到騎車(chē)人對踏板施加壓力，通過(guò)單片機給出控制信號，使電流通過(guò)電磁助力線(xiàn)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)左側助力永磁體的N極處于U形電磁鐵SN之間，右側永磁體的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(chē)輪開(kāi)始運動(dòng)，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(guò)單片機給出反向控制信號，反相電流通過(guò)助力線(xiàn)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)左側助力永磁體的S極處于U形電磁鐵NS之間，右側永磁體的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(chē)輪繼續運動(dòng)，從而實(shí)現助力。

　　參考文獻

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　　電磁學(xué)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(chǎng)有旋性，解釋了愣次定律，并處理了一道具體的電磁學(xué)題目，從而強調了電磁場(chǎng)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。

　　關(guān)鍵詞：電磁學(xué) 場(chǎng) 能量守恒定律

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

　　因此我們在教學(xué)中往往是強調電場(chǎng)、磁場(chǎng)的方向及其中電荷所受的力，而忽視了場(chǎng)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律――能量守恒定律應用到電磁場(chǎng)之中，對一些電磁現象、定律的理解及一些電磁學(xué)題目的求解將起到事半功倍的效果。

　　下面我們就一些實(shí)例來(lái)討論：

　　一、應用能量守恒定律驗證靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)不相交

　　靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線(xiàn)是永不閉合的曲線(xiàn)，這一特點(diǎn)叫做靜電場(chǎng)的無(wú)旋性。

　　靜電場(chǎng)的這一特點(diǎn)實(shí)際上是和電磁相互作用過(guò)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(chǎng)線(xiàn)閉合成為一個(gè)逆時(shí)針?lè )较虻膱A周，我們就可以以該圓周的大小制作一個(gè)圓盤(pán)并使其邊緣帶電，例如帶正電，然后將圓盤(pán)放在該電場(chǎng)中。

　　由于圓盤(pán)上每一個(gè)地方受到的電場(chǎng)力都沿著(zhù)電力線(xiàn)的切線(xiàn)方向，對圓心的力矩都沿著(zhù)逆時(shí)針?lè )较�，我們將�?huì )發(fā)現圓盤(pán)會(huì )加速轉動(dòng)，動(dòng)能不斷增加。

　　這顯然違背了能量守恒定律，因此，靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)是不能閉合的。

　　二、應用能量轉化和守恒定律推導法拉第電磁感應定律

　　在現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的推導方法時(shí)，先是“法拉第在大量精確實(shí)驗的基礎上歸納得出”，直接提出感生電動(dòng)勢的公式E=n ，而后在這個(gè)公式的基礎上提出動(dòng)生電動(dòng)勢E=Blv。

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

　　如果用能量轉換和守恒定律來(lái)推導一下，可能效果就大不一樣。

　　在如圖2所示的勻強磁場(chǎng)中，設磁感應強度為B，有一個(gè)矩形線(xiàn)框abcd放在這個(gè)磁場(chǎng)里，它的平面與磁感應線(xiàn)垂直，導線(xiàn)ab的長(cháng)度為l，它在與磁感應線(xiàn)垂直的方向上以速度v向右運動(dòng)。

　　設導線(xiàn)在△t時(shí)間內，由原來(lái)位置ab移動(dòng)到位置a′b′，則aa′=vΔt。

　　要使導線(xiàn)ab在切割磁感應線(xiàn)的過(guò)程中能產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢E，即其他形式的能通過(guò)導線(xiàn)ab做功轉化的電能為：W=qE=EIΔt。

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

　　則外力對導線(xiàn)ab所做的功為：W=F S=F S=BIlvΔt。

　　根據能量轉換和守恒定律：EIΔt=BIlvΔt，所以E=Blv。

　　三、應用能量守恒定律解釋愣次定律

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

　　其內容如下：閉合回路中感應電流I的方向，是要使感應電流在回來(lái)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(gè)實(shí)驗，一塊條形磁鐵穿過(guò)一個(gè)閉合線(xiàn)圈的過(guò)程。

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

　　圖(b)是磁鐵已穿過(guò)線(xiàn)圈繼續向左運動(dòng)的情況，同樣由愣次定律可判斷出線(xiàn)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(lái)解釋上述現象。

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

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

　　線(xiàn)圈的N極會(huì )排斥磁鐵的N極，阻止它的相對運動(dòng)。

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

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

　　可見(jiàn)電磁感應中釋放的能量并不是憑空而來(lái)的，而是其它能量如機械能轉換而來(lái)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(shí)驗中的一切都會(huì )倒過(guò)來(lái)，那物理學(xué)就會(huì )天下大亂了。

　　試想在圖(a)中，我們只須給磁鐵一點(diǎn)很少的啟動(dòng)能量使之向左運動(dòng)，如果楞次定律反過(guò)來(lái)，那么磁鐵受到的就將是引力而不是斥力，它就會(huì )加速通過(guò)線(xiàn)圈，然后繼續加速向左運動(dòng)。

　　在左側安裝一個(gè)彈性壁使之反彈向左并繼續加速，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(xiàn)圈上獲得無(wú)窮無(wú)盡的電能，而我們卻沒(méi)有輸入任何能量。

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

　　四、應用能量守恒定律求解電磁學(xué)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(cháng)的條形磁鐵在閉合線(xiàn)圈內做振動(dòng)時(shí)()。

　　A. 振幅會(huì )逐漸增大B. 振幅會(huì )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(huì )逐漸減小的結論，即B選項，但是其過(guò)程比較繁瑣。

　　下面我們從能量守恒的角度來(lái)判斷：當磁鐵通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈會(huì )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(huì )憑空產(chǎn)生，此題中焦耳熱必然由系統機械能轉化而來(lái)。

　　當機械能減少時(shí)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統的振幅必減小，同樣我們判斷出正確答案為B選項。

　　從對比中可見(jiàn)，后一種解法條理清晰、簡(jiǎn)潔明了，解題效率較高。

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

　　這一點(diǎn)我們可以簡(jiǎn)潔地說(shuō)明如下：現在人類(lèi)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(chǎng)。

　　最初產(chǎn)生電磁場(chǎng)的那些電荷分布現在是否存在我們無(wú)從知道，但它產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所依然存在，并能攜帶著(zhù)能量來(lái)啟動(dòng)我們的儀器使我們探測到它的存在，可見(jiàn)能量確實(shí)存在于場(chǎng)之中，電能就是電場(chǎng)的能量，磁能也就是磁場(chǎng)的能量。

　　本文列舉了幾個(gè)應用能量守恒定律處理電磁學(xué)問(wèn)題的實(shí)例，強調了電磁場(chǎng)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。

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