专利名称：一种磁悬浮运动实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于电磁原理的、集永磁悬浮与电磁驱动于一体的磁悬浮运动仪，是用于探究磁悬浮运动原理的实验教学仪器。
背景技术：
目前已有的展示磁悬浮运动原理的装置主要有超导磁悬浮、永磁悬浮和电磁悬浮微缩模型，其中以超导磁悬浮模型居多，这类模型利用超导体的特性使车体悬浮，利用演示者的外力使其运动，如德国IFW实验室超导磁悬浮列车模型、重庆大学物理学院的磁悬浮列车模型等，同时，也有完全利用永磁体使车体悬浮和驱动的模型，如上海师范大学魏乐汉教授研发的MAS制磁浮列车模型等。但是现有的此类磁悬浮运动模型基本是着力展示其悬浮部分而忽略其驱动部分，同时都只限于科普演示功能，而不能用于教学实验。本实用新型克服了上述现有技术中同类微缩模型的不足，提出了一种磁悬浮运动实验仪，结合了永磁悬浮和电磁驱动两种技术，使得本实用新型的磁悬浮运动实验仪能够利用电磁学原理实现物体的悬浮和运动。本实用新型中的装置可拆分，并配以相应的器件， 本实用新型不仅是现代前沿科技的微缩演示仪，同时兼具科学探究、教育教学功能。
实用新型内容本实用新型提出了一种磁悬浮运动实验仪，其包括悬浮小车、悬浮轨道、电磁驱动装置和电源；其中，所述电源与所述电磁驱动装置连接，所述悬浮小车设置在所述悬浮轨道上方，所述电磁驱动装置设置在所述悬浮小车下方；所述悬浮小车两侧设置有小车永磁阵列，所述悬浮轨道上设置有轨道永磁阵列。其中，所述电磁驱动装置包括矽钢片、三相线圈和铝片；所述矽钢片设置在所述悬浮轨道中间，所述矽钢片上绕有三相线圈；所述铝片与所述矽钢片相对设置在悬浮小车底部下方。其中，所述小车永磁阵列包括分别设置在面对所述悬浮轨道的两侧车身上的χ列相同磁性的磁体；所述轨道永磁阵列包括分别设置在所述悬浮轨道内侧的h+1列磁体，其中，第列磁体与所述小车永磁阵列中磁体磁性相异，其余磁体与所述小车永磁阵列中磁体磁性相同。其中，χ大于等于1。其中，在所述悬浮小车两侧设置有轴承滑轮。其中，所述三相线圈通电后，产生的行波磁场驱使所述悬浮小车在所述悬浮轨道方向上作直线运动。其中，所述悬浮小车运动的方向通过改变所述三相线圈中的电流方向实现变换。其中，所述三相线圈与可改变所述电源电压大小的三相调压器连接。其中，所述三相调压器与电源直接连接。其中，所述铝片与所述矽钢片之间的距离通过改变铝片的高度实现调节。其中，所述铝片通过导线与力传感器连接，所述力传感器与数据采集器和电脑依次连接。本实用新型中，力传感器是指数字化信息系统(DIS)中用于测量受力大小的传感[0017]本磁悬浮运动实验仪克服了现有微缩模型的不足，结合部分现有技术，提出了永磁悬浮与电磁驱动结合而成的磁悬浮运动模型，同时，增加相关器件，使模型具备了探究性实验教学的功能，用于探究磁悬浮运动原理。具体地，本实用新型一种能够用于探究性实验教学的磁悬浮运动实验仪可分为永磁悬浮系统、电磁驱动系统和配套实验器件三部分，整套装置具有可拆分的特点。将5列相邻为相异磁性的磁体沿垂直方向等间隔地固定于轨道上，小车面对轨道的两侧车身上固定有2列与轨道上第2、4列磁体高度相同而磁性相异的磁体，从而形成用于悬浮的永磁阵列。小车上配有4个导向并加强水平平衡作用的轴承；利用直线电机驱动原理，由处于“悬浮小车”下端的矩形铝片、三相线圈、矽钢片组成电磁驱动系统提供驱动力；通过配备的器件可利用本实用新型进行“探究‘气隙’高度对驱动力的影响”、“探究导电材料对驱动力的影响”、“探究电源的供电方式”、“探究三相线圈中电压大小对驱动力的影响”等实验。为了实现以上目的，本实用新型采用了如下的技术方案本实用新型中采用了永磁悬浮系统装置，利用永磁体间的相互作用规律来实现小车的悬浮。该永磁悬浮系统主要由悬浮小车车身上面对轨道的两侧的小车永磁阵列与悬浮轨道内侧的轨道永磁阵列组成。根据受力分析可知，该永磁悬浮系统在水平方向上的磁
力，由于磁铁排布的对称性，能相互抵消，g卩ΣΛ= ；而在竖直方向上，Σ4#。，由
此形成悬浮力。依据这种方式组合的永磁悬浮系统，使得悬浮小车具有在一定的位置变化范围内“既抗下压，又抗上提”的悬浮特征，因此，本实用新型的永磁悬浮系统很容易使小车处于稳定悬浮状态。本实用新型中磁悬浮运动实验仪中当χ=2，即轨道磁体为5列，小车上的磁体为2列，可在本实用新型某一特定承重要求下使小车在运动中保持较好的稳度。随着承重要求的增加，可通过增加磁体列数保持稳度。具体地，小车上每增加一列磁体(其磁性与已有的小车悬浮阵列磁性应相同)，轨道悬浮阵列上则相对应地增加两列磁性相异的磁体，得到的小车和轨道悬浮阵列仍保持原来的夹心式对应关系。举例来说，原小车悬浮阵列磁性为(Ν-Ν)，则轨道悬浮阵列为(N-S-N-S-N)，小车可在轨道上保持平衡；当小车悬浮阵列增加一列磁体变为(Ν-Ν-Ν)，则轨道悬浮阵列变为(N-S-N-S-N-S-N)。在平衡状态下， 小车上的N磁性磁体应当始终与轨道上的S磁性磁体相对。本实用新型中，χ的具体数值与系统的承重要求等因素有关。另外，为了使悬浮小车达到稳定平衡，还在本实用新型的小车两侧面各添加了 2 个导向与加强水平平衡作用的轴承滑轮。本实用新型中还采用了电磁驱动装置，利用直线电机的驱动原理来实现对悬浮小车提供有效的驱动，是形成本实用新型中电磁驱动装置设计思路的主要依据。当将直线电机的初级绕组沿直线方向按一定规律排列时，在通以三相交流电时，将会产生“行波磁场”， 此“行波磁场”会与处于小车下方的金属块发生具有电磁特征的相互作用，由此驱动悬浮小车作直线运动。依据以上设计思路，本实用新型中电磁驱动装置主要由处于“悬浮小车”下端的矩形铝片、三相线圈、矽钢片等组成。其中，三相线圈按一定规律的绕在矽钢片上，且矽钢片被置于悬浮轨道中间。在本装置中铝片被固定在悬浮小车的底部下方，且与下面绕在矽钢片上的平铺的三相线圈正对并保持适当的间隙。这样在给三相线圈通以三相交流电后，就会在三相线圈产生的“行波磁场”作用下，使铝片感生出涡旋电流，此时在行波磁场与涡旋电流的相互作用下，铝片即会受到一个沿行波方向上的推力。为使本实用新型能够适应于各类探究性实验的使用，以下介绍所引入实现教学及实验功能的配件。在探究“气隙”高度对驱动力的影响的实验中，实验器件主要有电磁驱动装置及三相变频交流电源、规格为U9mmX90mmX2mm的铝板及铝板支架、力传感器(精确到0. 1N)、 三相调压器、数据采集器、电脑、数字式多用表、最小精度为Imm的刻度尺等构成。在探究导电材料对驱动力的影响的实验中，实验器件主要有电磁驱动装置及三相变频交流电源、规格均为U9mmX90mmX2mm的铝板、铜板、铁板、钢板、镁板及支架、力传感器(精确到0. 1N)、三相调压器、数据采集器、电脑、数字式多用表、最小精度为Imm的刻度尺等构成。在探究电源的供电方式的实验中，实验器件主要有电磁驱动装置及三相变频交流电源、悬浮小车、力传感器(精确到0. 1N)、三相调压器、数据采集器、电脑和导线若干。在探究三相线圈中电压大小对驱动力的影响的实验中，实验器件主要有电磁驱动装置及三相变频交流电源、规格为U9mmX90mmX2mm的铝板及铝板支架、力传感器(精确到0. 1N)、三相调压器、数据采集器、电脑、数字式多用表、最小精度为Imm的刻度尺等构成。本磁悬浮运动实验仪是集永磁悬浮与电磁驱动于一体的磁悬浮运动仪，自身具备可拆解的特点，并配有相关实验器件，使其具备了作为探究磁悬浮运动原理的实验教学仪器的功能。本套装置蕴含了丰富的学科知识，同时，它又实现了对现代前沿科技的微缩，能为初、高等物理教学提供具有学科探究价值的实践平台。
图1所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪的俯视结构示意图。图2所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪中悬浮小车及悬浮轨道的剖面图。图3所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪中悬浮小车及悬浮轨道的局部放大图。图4所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪中悬浮小车及悬浮轨道的侧视图。图5所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪中驱动部分中的轨道侧上视图。图6所示为本实用新型磁悬浮运动实验仪中气隙高度h对驱动力F影响的曲线图。附图中1表示电源，2表示电磁驱动装置，3表示悬浮小车，4表示悬浮轨道，5表示轴承滑轮，6表示铝片，7表示实验接线柱，8表示小车永磁阵列，9表示轨道永磁阵列，10表示矽钢片，11表示三相交流线圈。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施例1如图1一图4所示的本实用新型磁悬浮运动实验仪，其包括悬浮小车3、悬浮轨道 4、电磁驱动装置2和电源1 ；其中，电源1与电磁驱动装置2连接，悬浮小车3设置在悬浮轨道4上方，电磁驱动装置2设置在悬浮小车3下方；悬浮小车3上面对轨道的两侧车身上
5设置有小车永磁阵列8，悬浮轨道4内侧设置有轨道永磁阵列9。其中，电磁驱动装置2包括矽钢片10、三相线圈11和铝片6 ；矽钢片10设置在悬浮轨道4中间，矽钢片10上绕有三相线圈11 ；铝片6与矽钢片10相对，设置在悬浮小车3 车身下方。三相线圈11在矽钢片10上的缠绕方式如图5所示，以五块矽钢片10为一组， 其上缠绕有三相线圈11。线圈之间的间隔为一块矽钢片，线圈之间的相位差为2/3Π。其中，轨道永磁阵列9的排布方式为两边轨道内侧分别排布有5列磁体，同侧轨道上沿垂直方向上每隔5mm排有相异极性的磁体，即由上至下磁性为N-S-N-S-N，两侧轨道的磁体排布方式相同。所述小车永磁阵列的排布方式为处于轨道中间的小车车身两侧各排有 2列磁性同为N的磁体，分别与轨道上的第2和第4列磁体相对并具有相异磁性，车体上的磁体与轨道上的磁体水平距离为3mm-4mm。所有磁体均采用规格为15cm*lcm*0. 5cm的铁氧体。本实用新型中小车车身上的磁体磁性也可为S，则当小车车身上两侧分别有2列磁体时，轨道悬浮阵列应为S-N-S-N-S。本实用新型中，小车及轨道上磁体的数量与系统的承重要求等因素有关。其中，在悬浮小车两侧设置有轴承滑轮。本实用新型中的轴承滑轮用于提高悬浮小车在轨道间运动的稳度，其还可以用其他摩擦系数小的结构或装置替代，例如磁铁等。其中，三相线圈通电后，产生的行波磁场驱使悬浮小车在悬浮轨道方向上作直线运动，悬浮小车运动的方向通过改变三相线圈中的电流方向实现变换。其中，三相线圈与可改变电源电压大小的三相调压器连接，三相调压器与三相交流电源直接连接。其中，铝片与矽钢片之间的距离通过改变铝片的高度实现调节。其中，铝片通过导线与力传感器连接，力传感器与数据采集器和电脑依次连接。如将图2所示位置视为平衡位置，则当悬浮小车的位置高于平衡位置时，其所受到的向下的磁力将增大，驱使小车回到平衡位置；反之，当悬浮小车的位置低于平衡位置时，其竖直方向上所受到的磁力变化情况则正好相反。也就是说，依据这种方式组合的永磁悬浮系统，具有在一定的位置变化范围内“既抗下压，又抗上提”的悬浮特征，因此，它很容易使小车处于稳定悬浮状态。进一步实验发现，如果需要更大的承载力，只需要增加轨道上和车体上磁体的数量即可。本装置的电磁驱动部分，调节三相交流线圈中各相电压额定值约为60V左右，线圈间的相位差为2/3Π，小车下方的金属片选为铝制导电材料，规格为U9mmX90mmX2mm， 调节金属板与轨道线圈表面间距离约为5mm左右，接通电源，使三相电流均处于导通状态， 小车开始运动。通过改变电流方向，可以改变小车运行方向。实施例2利用本实用新型磁悬浮运动实验仪探究“气隙”高度对驱动力的影响，在保持电流频率、电流强度、金属板材质(选择的材料为铝板，其规格为U9mmX90mmX2mm)不变的情况下，依次改变同一铝板与轨道线圈表面间的距离力，通过改变支架的高度来实现铝片与轨道线圈表面间距离的改变。然后，铝片通过固定于其上的细线将铝片与力传感器相连，通过力传感器装置将铝片所受力的大小传入电脑，绘制驱动力与铝片-轨道线圈表面间的距离的关系，得到如下表1所示的实验结果。表1为利用实用新型测得的数据，其中力为“气隙”高度，为铝板受的水平驱动力。 表1 气隙高度与铝板受力情况
权利要求1.一种磁悬浮运动实验仪，其特征在于，其包括悬浮小车、悬浮轨道、电磁驱动装置和电源；其中，所述电源与所述电磁驱动装置连接，所述悬浮小车设置在所述悬浮轨道上方， 所述电磁驱动装置设置在所述悬浮小车下方；所述悬浮小车两侧设置有小车永磁阵列，所述悬浮轨道上设置有轨道永磁阵列。
2.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述电磁驱动装置包括矽钢片、三相线圈和铝片；所述矽钢片设置在所述悬浮轨道中间，所述矽钢片上绕有三相线圈； 所述铝片与所述矽钢片相对设置在悬浮小车底部下方。
3.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述小车永磁阵列包括分别设置在面对所述悬浮轨道的两侧车身上的χ列相同磁性的磁体；所述轨道永磁阵列包括分别设置在所述悬浮轨道内侧的列磁体，其中，第列磁体与所述小车永磁阵列中磁体磁性相异，其余磁体与所述小车永磁阵列中磁体磁性相同；其中，χ大于等于1。
4.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，在所述悬浮小车两侧设置有轴承滑轮。
5.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述三相线圈通电后，产生的行波磁场驱使所述悬浮小车在所述悬浮轨道方向上作直线运动。
6.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述悬浮小车运动的方向通过改变所述三相线圈中的电流方向实现变换。
7.如权利要求1所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述三相线圈与可改变所述电源电压大小的三相调压器连接，所述三相调压器与所述电源直接连接。
8.如权利要求2所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述铝片与所述矽钢片之间的距离通过改变铝片的高度实现调节。
9.如权利要求2所述的磁悬浮运动实验仪，其特征在于，所述铝片通过导线与力传感器连接，所述力传感器与数据采集器和电脑依次连接。
专利摘要本实用新型提出了一种磁悬浮运动实验仪，其包括悬浮小车、悬浮轨道、电磁驱动装置和电源；其中，所述电源与所述电磁驱动装置连接，所述悬浮小车设置在所述悬浮轨道上方，所述电磁驱动装置设置在所述悬浮小车下方；所述悬浮小车两侧设置有小车永磁阵列，所述悬浮轨道上设置有轨道永磁阵列。本磁悬浮运动实验仪是集永磁悬浮与电磁驱动于一体的磁悬浮运动仪，具备作为探究磁悬浮运动原理的实验教学仪器的功能，能为初、高等物理教学提供具有学科探究价值的实践平台。
文档编号G09B23/18GK202153406SQ20112020301
公开日2012年2月29日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者张路一, 景培书 申请人:华东师范大学