CN107618612A - 太阳能电磁助力单车 - Google Patents

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CN107618612A CN201710893126.XA CN201710893126A CN107618612A CN 107618612 A CN107618612 A CN 107618612A CN 201710893126 A CN201710893126 A CN 201710893126A CN 107618612 A CN107618612 A CN 107618612A
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董润
陈进奇
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Abstract

本发明涉及一种太阳能电磁助力单车，由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6共同为蓄电池7提供电力。本发明不采用电动机，助力系统不会改变骑行者的感觉，采用太阳能电池板供电，节省能源，刹车时，能自动回收电能，节省自行车骑行者的体力，本发明是一种性能优越小巧的助力装置，结构极其简单，极具市场前景，零排放，对自行车的普及使用具有极其重要的价值。

Description

太阳能电磁助力单车
技术领域
本发明为一种低成本太阳能电磁助力单车，属于载运工具技术领域。
背景技术
目前的助力自行车分为两类，各有其优缺点。电动自行车用电，不产生废气，环保；燃油助力车烧油会产生废气，不环保。电动自行车的缺点是骑行时间受制于电池特性，目前使用的主要是铅酸电池，储能密度低，限制了骑行距离，电瓶使用一年后，常常需要每天充电，你如果住在楼上，电动助力车太重，无法抬上楼，如果上坡，普遍电机的功率不足，偏软，若增加电机功率，电池和电机的重量将大大增加，制造成本相应增加；对于燃油助力车，发动机功率大于电机功率，且燃油重量远远小于电池重量，爬坡很有劲，而且不用天天加油，速度还快，比电动车快捷，但本身车体因安装发动机，车体也很沉重，且燃烧燃油，会排出废气，污染环境。电动助力车的大量使用要耗电能，这些电能大部分是火力发电厂提供的电能，火力发电厂同样要排除大量的CO2，对环境同样存在破坏。目前对环境最友好的交通工具就是自行车，但是自行车却受制于骑行者的体力，如何以最小的改变来节省自行车骑行者的体力，让自行车的骑行变成一种轻松快乐的行为，这就需要一种性能优越小巧的助力装置，这不仅是市场需要，更重要的是对保护环境具有重大的意义，对自行车的普及推广具有极其重要的价值。
发明内容
本发明为了克服现有机械液压助力系统能耗比较高，管路结构非常复杂，各种控制油液的阀门数量繁多以及电动助力转向系统中该系统隔离了人与路面的直接联系，使得路感信息匮乏，存在超调等缺陷，为避免两类助力转向系统存在的诸多缺点，本发明提供一种低成本太阳能电磁助力单车，采用电磁主力盘来实现转向助力。
本发明由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；位置传感器4位于5电磁助力盘的前方，两者距离等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的距离，扭矩传感器25位于自行车中轴21上，扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6经过稳压器W调压后，共同为蓄电池7提供电力，如图1所示。
电磁助力盘5由一对左右助力电磁铁15、对应的助力电磁铁线圈16及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈16缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸27上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12（如图2所示），U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架19，该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4位置信号电磁感应线圈20极其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的中心间距（如图3、图4所示）。
扭矩传感器的将一对扭矩信号触发齿22固定安装在中轴21上、两个扭矩信号触发齿环的外形和相位完全相同，扭矩信号感应线圈24安装固定为中轴套之上，扭矩信号触发齿为n个小永磁体，均分圆周360o，转动时，扭矩信号感应线圈24产生感生电动势，骑行者踩踏脚踏板3，曲柄23施加扭矩于中轴21，使得中轴发生弹性变形，每一对扭矩触发信号之间存在相位差，利用现有相位差转换电路将一对触发信号间相位差转换为扭矩电压信号。
本发明中，车轮采用塑料辐板结构，车轮辐板18设置辐板孔13，以减轻惯性质量，助力永磁体对称嵌入辐板外缘10两侧之上，永磁体顶面与辐板外缘面处于相同平面，辐板外缘面与U形磁铁底端面相隔3~5mm，助力永磁体的数量n可根据自行车轮圈14的大小及助理强弱决定，一般n取3~42。
本发明中的单车购物篮安装单车购物篮太阳能盖板2，在单车后衣架安装后衣架太阳能电池板6，后衣架太阳能电池板采用抽屉式推拉结构，可重叠放置两块的太阳能板，后衣架下方设置电池盒，电控板安放在电池盒内。
电控板设置两路信号放大电路，分别用于放大扭矩信号和位置信号，位置信号需整理放大成为方波电压，由于助力永磁体8的极性相反，相邻方波电压相反，幅值相等，利用全对称互补OTL放大电路将正负方波进行分离，正方波电压控制三极管T1的开启和关断，出现正方波打开三极管，否则关断，负方波电压控制三极管T3开启和关断，出现负方波打开三极管，否则关断；扭矩信号电压幅值的大小对应于扭矩的大小，电压的正负对应扭矩的方向，利用全对称互补OTL放大电路将正负波进行分离，正波电压通过三极管T2基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于正波电压；负波电压通过三极管T4基极控制该三极管射极电流大小，电流的大小正比于负波电压。
在供电电路板中，设置5只三极管，三只NPN型三极管T1、T2、Ta4，两只PNP型三极管T3、T4，其中T1、T3的集电极连接开关K的常闭触点，连通蓄电池正极，每一个三极管之间设置保护二极管D1、D2，位置放大信号输入T1、T3的基极，扭矩放大信号输入T2、Ta4的基极，Ta4的集电极接T4的基极，发射极接地，T4的射极接L1、L2的下端，T2射极接L1、L2的上端，T2的射极通过二极管后接T4射极，正负极之间并联电容C，线圈并联升压变压器L的初级线圈，次级线圈并联桥堆D后，负极接地，正极连接开关K的常开触点。其工作原理是：放大的位置信号被分离为正频A和负频B信号，正频进入T1的基极，T1打开；负频进入T3的基极，此时无负频信号，T3关闭。T1打开后，扭矩信号进入T2、Ta4基极，控制T2、Ta4的电流强度，其中Ta4射极连接T4基极，T4的基极电压处于低电压，T4处于放大状态，电流的强度正比于扭矩信号强弱，T2、T4处于导通状态，电流通过T2进入L1、L2上端，由L1、L2下端流入T4后，由于Dp、T3、D3不通，只有D4导通，电流经过T4到D4流回到电池负极。当负频进入T3的基极，此时，T1关闭，T3打开，扭矩信号进入T2、Ta4基极，控制T2、Ta4的电流强度，其中Ta4射极连接T4基极，T4的基极电压处于低电压，T4处于放大状态，电流的强度正比于扭矩信号强弱，T2、T4处于导通状态，电流通过T4进入L1、L2上端，由L1、L2上端流入T2后，由于T1、D2不通，只有Dp、D4导通，电流经过T2经Dp、D4流回到电池负极，此时的电流与正频信号的电流相反。电力的补充通过太阳能电池板经过稳压器W后，对蓄电池进行充电。
助力的基本原理是：前方位置传感器探测到存在磁极N给出控制信号，控制打开三极管T1，扭矩信号控制T2射极电流通过电磁助力线圈L1和L2，如图4所示（左边），L1产生磁场SN，L2产生磁场NS，此时下一个左侧助力永磁体8的N极处于U形电磁铁SN之间，右侧永磁体的S极处于U形电磁铁NS之间，同时产生一个向前的拉力力，车轮继续运动，前方位置传感器探测到存在磁极S给出反向控制信号，控制打开三极管T3，扭矩信号控制T3射极电流通过反相电流，电磁助力线圈L1和L2产生反向磁极，如图4所示（右边），L1产生磁场NS，L2产生磁场SN此时下一个左侧助力永磁体8的S极处于U形电磁铁NS之间，右侧永磁体的N极处于U形电磁铁SN之间，也产生一个向前的拉力，推动车轮继续运动，实现助力。
回能原理：刹车时，手握紧刹把1，K断开常闭触点，打开敞开触点，助力系统停止工作。刹车线回拉，刹把闸27向内收缩，刹车皮17贴近辐板外缘平面，助力永磁体8快速运动，上方的助力电磁铁线圈16产生交流感生电动势，经升压变压器提升电压，然后通过桥堆转变为直流电，对蓄电池进行充电，将动能转换为电能，若紧急刹车，刹车皮17贴紧辐板外缘平面，在发电的同时，还利用摩擦力刹车。
有益效果：本发明采用电磁助力盘实现自行车骑行助力，由于本发明没有采用电动机，因而无需通过控制程序控制电动助力系统，这就完全消除超调，自行车的机械结构没有任何改变，人与路面的联系没有改变，助力系统不会改变骑行者的感觉，大大提高了骑行者的乐趣；本发明采用太阳能电池板供电，节省能源，刹车时，将机械能转化为电能，实行自动回馈电能，节省自行车骑行者的体力，让自行车的骑行变成一种轻松快乐的行为，能避免了现有电动助力车电子部件较多，电机和蓄电池重量过大的缺点，助力系统重量极低，是一种性能优越小巧的助力装置，结构极其简单，提高了可靠性高，降低了制造成本。实现了轻便、节能、响应迅速的目标，兼具多种优点，改变了现有电动，极具市场前景，对保护环境具有重大的意义，对自行车的普及使用具有极其重要的价值。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图，
图2为本发明电磁助力盘截面视示意图，
图3为本发明电磁助力盘正视示意图，
图4为本发明位置传感器及电磁助力盘俯视剖面示意图，
图5为本发明扭矩传感剖视示意图，
图6为本发明扭矩、位置信号放大电路原理图，
图7为本发明电磁助力盘电路原理图。
图1-7中：1、刹把，2、单车购物篮太阳能盖板，3、脚踏板，4、方位传感器，5、电磁助力盘，6、后衣架太阳能电池板，7、蓄电池，8、助力永磁体，9、轮胎，10、辐板外缘，11、后上叉，12、刹车线，13、辐板孔，14、轮圈，15、助力电磁铁，16、助力电磁铁线圈，17、刹车皮，18、车轮辐板，19、传感器固定支架，20、位置信号电磁感应线圈，21、中轴，22、扭矩信号触发齿，23、曲柄，24、扭矩信号感应线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
例一：本发明由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；位置传感器4位于5电磁助力盘的前方，两者距离等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的距离，扭矩传感器25位于自行车中轴21上，扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6经过稳压器W调压后，共同为蓄电池7提供电力。
电磁助力盘5由一对左右助力电磁铁15、对应的助力电磁铁线圈16及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈16缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸27上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12（如图2所示），U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架19，该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4位置信号电磁感应线圈20极其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的中心间距。
例二：本发明由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；位置传感器4位于5电磁助力盘的前方，两者距离等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的距离，扭矩传感器25位于自行车中轴21上，扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6经过稳压器W调压后，共同为蓄电池7提供电力。
电磁助力盘5由一对左右助力电磁铁15、对应的助力电磁铁线圈16及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈16缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸27上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12（如图2所示），U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架19，该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4位置信号电磁感应线圈20极其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的中心间距。
扭矩传感器的将一对扭矩信号触发齿22固定安装在中轴21上、两个扭矩信号触发齿环的外形和相位完全相同，扭矩信号感应线圈24安装固定为中轴套之上，扭矩信号触发齿为n个小永磁体，均分圆周360o，转动时，扭矩信号感应线圈24产生感生电动势，骑行者踩踏脚踏板3，曲柄23施加扭矩于中轴21，使得中轴发生弹性变形，每一对扭矩触发信号之间存在相位差，利用现有相位差转换电路将一对触发信号间相位差转换为扭矩电压信号。
车轮采用塑料辐板结构，车轮辐板18设置辐板孔13，以减轻惯性质量，助力永磁体对称嵌入辐板外缘10两侧之上，永磁体顶面与辐板外缘面处于相同平面，辐板外缘面与U形磁铁底端面相隔3~5mm，助力永磁体的数量n可根据自行车轮圈14的大小及助理强弱决定，一般n取3~42。
一种低成本太阳能电磁助力单车，其特征是单车购物篮安装单车购物篮太阳能盖板2，在单车后衣架安装后衣架太阳能电池板6，后衣架太阳能电池板采用抽屉式推拉结构，可重叠放置两块的太阳能板，后衣架下方设置电池盒，电控板安放在电池盒内。
例三：本发明由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；位置传感器4位于5电磁助力盘的前方，两者距离等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的距离，扭矩传感器25位于自行车中轴21上，扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6经过稳压器W调压后，共同为蓄电池7提供电力。
电磁助力盘5由一对左右助力电磁铁15、对应的助力电磁铁线圈16及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈16缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸27上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12（如图2所示），U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架19，该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4位置信号电磁感应线圈20极其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的中心间距。
扭矩传感器的将一对扭矩信号触发齿22固定安装在中轴21上、两个扭矩信号触发齿环的外形和相位完全相同，扭矩信号感应线圈24安装固定为中轴套之上，扭矩信号触发齿为n个小永磁体，均分圆周360o，转动时，扭矩信号感应线圈24产生感生电动势，骑行者踩踏脚踏板3，曲柄23施加扭矩于中轴21，使得中轴发生弹性变形，每一对扭矩触发信号之间存在相位差，利用现有相位差转换电路将一对触发信号间相位差转换为扭矩电压信号。
车轮采用塑料辐板结构，车轮辐板18设置辐板孔13，以减轻惯性质量，助力永磁体对称嵌入辐板外缘10两侧之上，永磁体顶面与辐板外缘面处于相同平面，辐板外缘面与U形磁铁底端面相隔3~5mm，助力永磁体的数量n可根据自行车轮圈14的大小及助理强弱决定，一般n取3~42。
单车购物篮安装单车购物篮太阳能盖板2，在单车后衣架安装后衣架太阳能电池板6，后衣架太阳能电池板采用抽屉式推拉结构，可重叠放置两块的太阳能板，后衣架下方设置电池盒，电控板安放在电池盒内。
电控板设置两路信号放大电路，分别用于放大扭矩信号和位置信号，位置信号需整理放大成为方波电压，由于助力永磁体8的极性相反，相邻方波电压相反，幅值相等，利用全对称互补OTL放大电路将正负方波进行分离。
在供电电路板中，设置5只三极管，三只NPN型三极管T1、T2、Ta4，两只PNP型三极管T3、T4，其中T1、T3的集电极连接开关K的常闭触点，连通蓄电池正极，每一个三极管之间设置保护二极管D1、D2，位置放大信号输入T1、T3的基极，扭矩放大信号输入T2、Ta4的基极，Ta4的集电极接T4的基极，发射极接地，T4的射极接L1、L2的下端，T2射极接L1、L2的上端，T2的射极通过二极管后接T4射极，正负极之间并联电容C，线圈并联升压变压器L的初级线圈，次级线圈并联桥堆D后，负极接地，正极连接开关K的常开触点。

Claims (3)

1.一种电磁助力盘，其特征是由一对左右助力电磁铁15、对应的助力电磁铁线圈16及刹车皮组成，电磁铁为U形电磁铁，该电磁铁采用硅钢片等具有退磁特性的材料，电磁助力盘设置外壳，助力电磁铁线圈16缠绕在U形电磁铁中央腰部，自行车刹车皮设置燕尾槽，可安装固定于U电磁铁两端头部位，整个电磁助力盘5安装在原刹车皮位置，取代原刹车皮，左右电磁助力盘5固定于自行车的刹把闸27上，刹把闸安装于自行车的后上叉11上，电磁铁线圈供电线与刹车线归并为一束刹车电控组合线12（如图2所示），U形电磁铁一侧安装固定一个传感器固定支架19，该固定支架设置一个位置传感器4，位置传感器4位置信号电磁感应线圈20极其电磁铁心构成，该支架长度可以微调，使得电磁助力盘5与位置传感器4中心间距精确等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的中心间距。
2.一种低成本太阳能电磁助力单车的工作方法，其特征是该单车由单车购物篮太阳能盖板2、位置传感器4、电磁助力盘5、后衣架太阳能电池板6、助力永磁体8、扭矩传感器构成25；位置传感器4位于5电磁助力盘的前方，两者距离等于辐板外缘10上两个助力永磁体8之间的距离，扭矩传感器25位于自行车中轴21上，扭矩信号感应线圈24和位置传感器4将自行车运动状态的扭矩信号和方位信号传输至电控板26中，电控板通过刹车电控组合线12控制电磁助力盘5，单车购物篮太阳能盖板2与后衣架太阳能电池板6经过稳压器W调压后，共同为蓄电池7提供电力；
扭矩传感器将一对扭矩信号触发齿22固定安装在中轴21上、两个扭矩信号触发齿环的外形和相位完全相同，扭矩信号感应线圈24安装固定为中轴套之上；
所述的工作方法，包括：转动时，扭矩信号感应线圈24产生感生电动势，骑行者踩踏脚踏板3，曲柄23施加扭矩于中轴21，使得中轴发生弹性变形，每一对扭矩触发信号之间存在相位差，利用现有相位差转换电路将一对触发信号间相位差转换为扭矩电压信号；
车轮采用塑料辐板结构，车轮辐板18设置辐板孔13，以减轻惯性质量，助力永磁体对称嵌入辐板外缘10两侧之上，永磁体顶面与辐板外缘面处于相同平面，辐板外缘面与U形磁铁底端面相隔3~5mm。
3.根据权利要求2所述的工作方法，其特征是单车购物篮安装单车购物篮太阳能盖板2，在单车后衣架安装后衣架太阳能电池板6，后衣架太阳能电池板采用抽屉式推拉结构。
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