太陽能電磁助力單車研究

王灝　康博元　楊培斌　段國飛　陳蜀喬

摘要：文章所述發(fā)明為一種低成本太陽能電磁助力單車，由單車購物籃太陽能蓋板、位置傳感器、電磁助力盤、后衣架太陽能電池板、助力永磁體、扭矩傳感器構成。該發(fā)明是一種性能優(yōu)越、外觀小巧的助力裝置，結構極其簡單，極具市場前景，零排放，對自行車的普及使用具有極其重要的價值。

關鍵詞：太陽能；電磁助力單車；助力裝置；自行車；零排放 文獻標識碼：A

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

本發(fā)明是一種屬于載運工具技術領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、管路結構非常復雜、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、存在超調等缺陷，并且巧妙地運用電磁助力盤來實現(xiàn)轉向助力。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，自行車的機械結構沒有任何改變，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，結構極其簡單，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，自行車的機械結構沒有任何改變，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，結構極其簡單，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成，該支架長度可以微調，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，轉動時，扭矩信號感應線圈產生感生電動勢，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產生磁場SN，L2產生磁場NS，此時下一個左側助力永磁體的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，同時產生一個向前的拉力，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產生反向磁極，L1產生磁場NS，L2產生磁場SN此時下一個左側助力永磁體的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，也產生一個向前的拉力，推動車輪繼續(xù)運動，從而實現(xiàn)助力。

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作者簡介：王灝（1994-），男，浙江杭州人，昆明理工大學交通工程學院學生，研究方向：汽車。

（責任編輯：周 瓊）