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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(yùn)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(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(mén)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(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。
低成本太陽(yáng)能電磁助力單車(chē)是針對(duì)現(xiàn)今電動(dòng)車(chē)費(fèi)電、燃油車(chē)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(pán)實(shí)現(xiàn)自行車(chē)騎行助力，自行車(chē)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(chē)采用太陽(yáng)能電池板供電，節(jié)省能源，節(jié)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(xiàn)有電動(dòng)助力車(chē)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(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(jié)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(xiàn)自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)騎行者的體力，避免了現(xiàn)有電動(dòng)助力車(chē)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(chē)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(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.線路;13.輻板孔;14.電控板
電磁助力盤(pán)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(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(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(chē)剎車(chē)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(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，電磁鐵線圈供電線與剎車(chē)線歸并為一束剎車(chē)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(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(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(chē)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(chē)輪開(kāi)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(chē)輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)助力。
參考文獻(xiàn)
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電磁學(xué)中關(guān)于能量的思考【2】
摘 要：本文應(yīng)用能量守恒定律驗(yàn)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(qiáng)調(diào)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(xiàn)。
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(duì)處于其中的電荷有力的作用，磁場(chǎng)的本質(zhì)則是對(duì)處于其中的運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用。
因此我們?cè)诮虒W(xué)中往往是強(qiáng)調(diào)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(guī)律――能量守恒定律應(yīng)用到電磁場(chǎng)之中，對(duì)一些電磁現(xiàn)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(yīng)用能量守恒定律驗(yàn)證靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線不相交
靜電場(chǎng)中的電場(chǎng)線是永不閉合的曲線，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(shè)有一電場(chǎng)線閉合成為一個(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)力都沿著電力線的切線方向，對(duì)圓心的力矩都沿著逆時(shí)針?lè)较颍覀儗?huì)發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)會(huì)加速轉(zhuǎn)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)線是不能閉合的。
二、應(yīng)用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律推導(dǎo)法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)定律傳統(tǒng)的推導(dǎo)方法時(shí)，先是“法拉第在大量精確實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納得出”，直接提出感生電動(dòng)勢(shì)的公式E=n ，而后在這個(gè)公式的基礎(chǔ)上提出動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)E=Blv。
這樣讓人較難理解，一是與前面知識(shí)結(jié)合不緊密，二是對(duì)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(zhuǎn)換和守恒定律來(lái)推導(dǎo)一下，可能效果就大不一樣。
在如圖2所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，有一個(gè)矩形線框abcd放在這個(gè)磁場(chǎng)里，它的平面與磁感應(yīng)線垂直，導(dǎo)線ab的長(zhǎng)度為l，它在與磁感應(yīng)線垂直的方向上以速度v向右運(yùn)動(dòng)。
設(shè)導(dǎo)線在△t時(shí)間內(nèi)，由原來(lái)位置ab移動(dòng)到位置a′b′，則aa′=vΔt。
要使導(dǎo)線ab在切割磁感應(yīng)線的過(guò)程中能產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)E，即其他形式的能通過(guò)導(dǎo)線ab做功轉(zhuǎn)化的電能為：W=qE=EIΔt。
而要使導(dǎo)線能以穩(wěn)定的速度v做切割磁感應(yīng)線的運(yùn)動(dòng)，它必定受到平衡力的作用，就有：F =F 。
則外力對(duì)導(dǎo)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(yīng)用能量守恒定律解釋愣次定律
1833年，愣次在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)判定電磁感應(yīng)中感應(yīng)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(yīng)電流I的方向，是要使感應(yīng)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(yīng)電流的磁通量的變化。
考慮圖3所示的那樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一塊條形磁鐵穿過(guò)一個(gè)閉合線圈的過(guò)程。
圖(a)是磁鐵向左運(yùn)動(dòng)靠近線圈的情況，由愣次定律可判斷線圈中感應(yīng)電流的方向如圖所示。
圖(b)是磁鐵已穿過(guò)線圈繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)的情況，同樣由愣次定律可判斷出線圈中感應(yīng)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(xiàn)象。
在實(shí)驗(yàn)中閉合線圈里有感生電流產(chǎn)生，于是線圈中應(yīng)有能量釋放出來(lái)，如發(fā)出焦耳熱。
應(yīng)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(yīng)在閉合線圈上產(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。
線圈的N極會(huì)排斥磁鐵的N極，阻止它的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
因而，要進(jìn)行電磁感應(yīng)，磁鐵就必須要克服斥力而做功，通過(guò)做功，磁鐵運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
可見(jiàn)電磁感應(yīng)中釋放的能量并不是憑空而來(lái)的，而是其它能量如機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。
如果楞次定律不是感應(yīng)電流的磁通量去反抗引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，而是支持這種變化，那么上述實(shí)驗(yàn)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(yùn)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)線圈，然后繼續(xù)加速向左運(yùn)動(dòng)。
在左側(cè)安裝一個(gè)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(jī)械能，在線圈上獲得無(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(yīng)中的體現(xiàn)。
四、應(yīng)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(dāng)不太長(zhǎng)的條形磁鐵在閉合線圈內(nèi)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(jié)論，即B選項(xiàng)，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(dāng)磁鐵通過(guò)線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(tǒng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來(lái)。
當(dāng)機(jī)械能減少時(shí)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)的振幅必減小，同樣我們判斷出正確答案為B選項(xiàng)。
從對(duì)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(qiáng)調(diào)的是我們?cè)趹?yīng)用電能、磁能時(shí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到電磁場(chǎng)的能量是儲(chǔ)存在場(chǎng)中而不是儲(chǔ)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(xiàn)在人類(lèi)已能探測(cè)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(xiàn)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，并能攜帶著能量來(lái)啟動(dòng)我們的儀器使我們探測(cè)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(yīng)用能量守恒定律處理電磁學(xué)問(wèn)題的實(shí)例，強(qiáng)調(diào)了電磁場(chǎng)不僅僅是對(duì)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)。
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