专利名称：磁悬浮地球仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电磁悬浮并有准确的倾角23. 5°倾角的科学地球仪。这是一种可以取代旧的有轴支撑式的和不科学的垂直式的，并含有磁悬浮原理的集力学、电磁学、电子学、控制学为知识背景的可用于课堂教学以及物理实验的教学仪器。
背景技术：
目前，磁悬浮技术作为世界上公认的前沿科学，具有其极大的应用前景。在国外，此项技术的应用领域异常广泛，如机械加工、核能源、化工、航空航天、食品医药等方面。著名的磁悬浮列车就是让人感兴趣的一项产品。同样地，在国内我们的应用主要在重工业上，民用产业较少。 本实用新型使用的电磁悬浮技术(electromagnetic levitation)简称EML技术。
主要原理是利用电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属的悬浮。将金属物体放置在通
有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属表面产生高频涡流，而高频涡流会与外磁场
相互作用，使金属受到洛沦兹力的作用。在匹配的间隙下，改变高频源的功率使电磁力与重
力相等，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，支撑金属物体，达到悬浮。 目前我国只有垂直式的磁悬浮地球仪，球体受垂直的两个分力，制作简易，技术含
量较少，而且与传统的有地轴及倾角的地球仪外观上不同，使观察者误以为地球的旋转轴
是垂直于赤道平面的，这样不利于教学示范，也增加了示范对象的困惑。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺陷提供一种磁悬浮地球仪。基于科学的态度，将直拉式的磁悬浮地球仪，植入更多的力学分析，还原科学的展示，另外，使用成本较低但是高性能的控制元件达到磁悬浮地球仪球体是具有与轴不接触的外观特性，作为美观的展品和馈赠礼品，它具有很高的观赏价值。
为达到上述目的，本实用新型的构思是外观上看将现在的地球自转轴垂直于水平面的不科学的结构，将其设计成外加轴与竖直方向夹角①=23. 5° 。另外将控制箱内固定控制电路板，可以节约空间，以及节省导线并且增加底座质量，增加整个装置稳定性。上下两个电磁铁只在下部的电磁铁内安装一个传感器，以节省成本。[0007]传感器的性能参数如下灵敏度为8mv/iim ;量程1. 85mm ;供电电压士24V。[0008] 根据上述实用新型构思，本实用新型采用下述技术方案 —种磁悬浮地球仪，包括球体和支架，其特征在于所述球体的上下两极由磁悬浮轴承支承，使球体与支架之间实现非接触关联，且球体的上下两极中心连线与垂直线的夹角为23. 5° ±2° 。 上述磁悬浮轴承的机械机构为内部铁芯和外部套筒组成电磁铁，作为提供悬浮电磁力的元件。铁芯与套筒之间放置漆包线，并缠绕在铁芯上；电磁铁的外部是定位铁圈，其作用是夹住并固定电磁铁，并用于调节和固定电磁铁的位置，使其在工作时与所述吸铁片之间保持有效距离的气隙。两个所述吸铁片装在球体两端，由拉杆连接固定；所述支架的圆弧连接杆内部结构为空心，用于通过与漆包线相连接的控制导线，从而连接控制回路。[0011] 上述控制系统的结构是控制器内置于地球仪底座下方的一个控制器箱内，通过底座的通孔沿所述圆弧连接杆以及铁芯底座的槽与上下两个铁芯上的漆包线相连接；一个传感器的探头分别装于下部的两个铁芯的内孔中；一个传感器的前置器安装在控制箱内，前置器与焊接好的电路板上的控制器相连，控制器是由PID电路与放大电路两部分集成的一块电路板；从上部电磁铁引出两根导线，为漆包线的两个端子，通过圆弧连接杆，作为两个输入信号接入控制器。从下部电磁铁引出三根导线，其中两根与上部电磁铁的引出导线相同，作为电磁铁中流过电流信号通过底座的通孔与控制器相连接，剩下的第三根线是传感器的探头的引线，也作为输入信号与控制器相连接。 上述支架的结构是圆弧连接杆内部开槽，从上端电磁铁引出的导线沿着圆弧连接杆通过底座的通孔与控制器的输入端相连接；圆弧连接杆与底座采用螺纹进行连接；定位铁圈和电磁铁通过内六角螺钉和螺母与圆弧连接杆相连接，连接处采用单个螺钉保证定位铁圈的角度可调节；底座下方控制箱内固定传感器的前置器，以及安装控制电路板。[0013] 上述控制系统采用了模拟PID电路，将传感器输入的信号调理并输出信号给放大电路，经放大电路输出控制信号以调节铁芯的绕组电流。 上述传感器的安装结构是铁芯的中心通孔用于放置位移传感器的探头，孔有内螺纹可将传感器牢固安装。 上述模拟PID电路使用PI两个模块之后再加入D的环节；所述控制系统中的放大电路反馈部分为电流并联负反馈，选用贴片元件。 本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和有点本实用新型采用磁悬浮地球仪时，不但实现球体与支架非接触关联，而且使球体的上下两极中心连线与垂直线的夹角为23.5。 ±2° 。这符合现实中地球仪自转轴与垂直于水平面的垂直平面之间的夹角，有利于用作教学示范和科学展览。本发明设计合理，结构紧凑，成本低，作为展品和馈赠礼品，有很高的观赏价值。
图1是本实用新型一个实施例磁悬浮地球仪整体外形图 图2是图1磁悬浮地球仪沿A-A位置的剖面图 图3是电磁轴承结构的剖面图 图4是内部铁芯的剖面图 图5是外部套筒的剖面图 图6是电磁铁未安装电磁绕组的结构图 图7是铁芯的结构图 图8是定位铁圈的结构图 图9是地球仪的受力分析示意图 图10是圆弧连接杆的外形图 图11是圆弧连接杆局部放大示意图 图12是圆弧连接杆示意图
4[0029] 图13是底座的结构图 图14是控制系统的布线图 图15是球体以及上下电磁轴承外形图 图16是控制流程框图 图17是控制电路的接线原理图 图18是控制板的PID电路图 图19是控制板的放大电路图
具体实施方式本实用新型的一个优选实施例结合附图详述如下参见图l，一种磁悬浮地球仪，包括球体1和支架，球体1的上下两极由磁悬浮轴承支承，使球体1与支架之间实现非接触关联，且球体1的上下两极中心连线与垂直线的夹角为23.5。 ±2° 。[0037] 参见见图1——图15，磁悬浮轴承的机械结构为内部铁芯2和外部套筒3组成电磁铁，作为提供悬浮电磁力的元件。铁芯2与套筒3之间放置漆包线13，并缠绕在铁芯2上；电磁铁的外部是定位铁圈5，其作用是夹住并固定电磁铁，并用于调节和固定电磁铁的位置，使其在工作时与所述吸铁片4之间保持有效距离的气隙。两个所述吸铁片4装在球体两端，由拉杆ll连接固定；所述支架的圆弧连接杆8内部结构为空心，用于通过与漆包线13相连接的控制导线16，从而连接控制回路。 参见图1、图7、图8、图10、图11、图12、图13和图14，支架的结构是圆弧连接杆8内部开槽，从上端电磁铁引出的导线沿着圆弧连接杆8通过底座9的通孔与控制器15的输入端相连接；圆弧连接杆8与底座9采用螺纹进行连接；定位铁圈5和电磁铁通过内六角螺钉6和螺母7与圆弧连接杆8相连接，连接处采用单个螺钉保证定位铁圈5的角度可调节；底座9下方控制箱10内固定传感器的前置器14，以及安装控制电路板15。[0039] 参见图11、图12、图13、图14、图16、图17控制系统的结构是控制器15内置于地球仪底座9下方的一个控制器箱10内，通过底座9的通孔沿所述圆弧连接杆8以及铁芯2底座的槽与上下两个铁芯2上的漆包线13相连接；一个传感器的探头12分别装于下部的两个铁芯2的内孔中；一个传感器的前置器14安装在控制箱10内，前置器14与焊接好的电路板上的控制器15相连，控制器15是由PID电路与放大电路两部分集成的一块电路板；从上部电磁铁引出两根导线，为漆包线13的两个端子，通过圆弧连接杆8，作为两个输入信号接入控制器15。从下部电磁铁引出三根导线，其中两根与上部电磁铁的引出导线相同，作为电磁铁中流过电流信号通过底座9的通孔与控制器15相连接，剩下的第三根线是传感器的探头12的引线17，也作为输入信号与控制器15相连接。 参见图9，对球体l进行受力分析，在平行与参考地面的方向列出X轴平衡方程，在垂直与参考地面的方向列出Y轴的平衡方程，解出需要匹配的m(球体的质量)值作为设计的参数值。内部铁芯2和外部套筒3组成电磁铁，提供悬浮电磁力，电磁力将球体1支承起来，但是不接触球体l，实现磁悬浮的目的。 参见图16，提供的电磁力大小由传感器和电磁铁以及PID电路和放大电路构成的控制回路实现。在铁芯的中心孔安装传感器的探头。传感器的探头接收到的位移信号作为传感器的输出信号经变换成为控制电路的输入信号。输入信号以及输出信号与控制电路构成连通的控制回路，通过控制线圈电流的变化以达到控制上下电磁力大小的目的，PID电路以及放大电路的作用是将传感器的输出信号调制并放大，再改变电磁铁绕组电路，以调节电磁力的大小，实现悬浮时需要的平衡电流稳定值域，将电磁铁的绕组电流调节到合适的变化范围。通过快速而有效的调节，球体迅速平衡。 参见图17，导线由于密集因而分布于机械结构的各处，需小心而谨慎的布线。铁芯2与套筒3之间放置的漆包线13需保护完整不能有破损，将其缠绕在铁芯2上，漆包线圈接入电源后使铁心2与吸铁片4之间产生相互作用力，以平衡球体1的重力。铁芯2内的线圈电流是控制回路的输出信号。电磁铁的绕组通过圆弧连接杆8与传感器和控制电路分别相连。PID电路和放大电路均放置于电路控制箱IO。控制箱10的集成电路板内装有直流电源以供给电磁铁和控制电路所需要的功率。 电磁铁的外部定位铁圈5，调节和固定电磁铁的位置，使其在工作时与吸铁片4之间保持有效距离的气隙。圆弧连接杆8内部结构为空心(参见图7)，用于通过控制导线。导线在尖利的边界处应有保护措施，防止被机械结构磨损而漏电。圆弧连接杆8与底座9进行连接。底座9下方为控制箱10。 控制回路使用了传感器，实现了闭环控制，PID电路和放大电路的性能可靠，可以稳定悬浮。参见图18，19。图中所示的R为电阻，C为电容，VCC为输入电压，Ui为输入信号端口， Uo为输出信号端口， 0PAMP为运算放大器，RL为负载电阻，Rw为变阻器。
权利要求一种磁悬浮地球仪，包括球体(1)和支架，其特征在于所述球体(1)的上下两极由磁悬浮轴承支承，使球体(1)与支架之间实现非接触关联，且球体(1)的上下两极中心连线与垂直线的夹角为23.5°±2°。
2. 根据权利要求1所述的磁悬浮地球仪，其特征在于磁悬浮轴承的机械结构为内部铁芯(2)和外部套筒(3)组成电磁铁，作为提供悬浮电磁力的元件；铁芯(2)与套筒(3)之间放置漆包线(13)，并缠绕在铁芯(2)上；电磁铁的外部是定位铁圈(5)，其作用是夹住并固定电磁铁，并用于调节和固定电磁铁的位置，使其在工作时与所述吸铁片(4)之间保持有效距离的气隙；两个所述吸铁片(4)装在球体两端，由拉杆(11)连接固定；所述支架的圆弧连接杆(8)内部结构为空心，用于通过与漆包线(13)相连接的控制导线(16)，从而连接控制回路。
3. 根据权利要求2所述的磁悬浮地球仪，其特征在于所述的控制回路的结构是控制器(15)内置于地球仪底座(9)下方的一个控制器箱(10)内，通过底座(9)的通孔沿所述圆弧连接杆(8)以及铁芯(2)底座的槽与上下两个铁芯(2)上的漆包线(13)相连接；一个传感器的探头(12)分别装于下部的两个铁芯(2)的内孔中；一个传感器的前置器(14)安装在控制箱(10)内，前置器(14)与焊接好的电路板上的控制器(15)相连，控制器(15)是由pid电路与放大电路两部分集成的一块电路板；从上部电磁铁引出两根导线，为漆包线(13)的两个端子，通过圆弧连接杆(8)，作为两个输入信号接入控制器(15);从下部电磁铁引出三根导线，其中两根与上部电磁铁的引出导线相同，作为电磁铁中流过电流信号通过底座(9)的通孔与控制器(15)相连接，剩下的第三根线是传感器的探头(12)的引线(17)，也作为输入信号与控制器(15)相连接。
4. 根据权利要求2所述的磁悬浮地球仪，其特征在于所述的支架的结构是圆弧连接杆(8)内部开槽，从上端电磁铁引出的导线沿着圆弧连接杆(8)通过底座(9)的通孔与控制器(15)的输入端相连接；圆弧连接杆(8)与底座(9)采用螺纹进行连接；定位铁圈(5)和电磁铁通过内六角螺钉(6)和螺母(7)与圆弧连接杆(8)相连接，连接处采用单个螺钉保证定位铁圈(5)的角度可调节；底座(9)下方控制箱(10)内固定传感器的前置器(14)，以及安装控制电路板(15)。
5. 根据权利要求3所述的磁悬浮地球仪，其特征在于控制回路采用了模拟pid电路，将传感器输入的信号调理并输出信号给放大电路，经放大电路输出控制信号以调节铁芯(2)的绕组电流。
6. 根据权利要求3所述的磁悬浮地球仪，其特征在于传感器的安装结构是铁芯(2)的中心通孔用于放置位移传感器的探头(12)，孔有内螺纹可将传感器牢固安装。
专利摘要本实用新型涉及一种磁悬浮地球仪。它包括球体和支架，球体的上下两极由磁悬浮轴承支承，使球体与支架之间实现非接触关联，且球体的上下两极中心连线与垂直线的夹角为23.5°±2°。本实用新型将直拉式的磁悬浮地球仪，植入更多的力学分析，实现科学展示。本实用新型成本低，可作美观的展品和馈赠礼品，具有很高的观赏价值。
文档编号G09B27/08GK201465415SQ200920069450
公开日2010年5月12日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者张可喜, 朱礼进, 汪希平, 田丰, 钱婧 申请人:上海大学