活塞式電磁發(fā)動機模型設(shè)計

萬廣福

摘 要：電磁懸浮技術(shù)利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑等優(yōu)點。在汽車工程領(lǐng)域中利用這一技術(shù)，能很好彌補傳統(tǒng)發(fā)動機能耗大、污染嚴重、效率低下等不足。這一類活塞式電磁發(fā)動機一方面提高了發(fā)動機的效率，另一方面也保護了環(huán)境，具有很大的研發(fā)價值。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 活塞式 發(fā)動機

中圖分類號：TK441 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0029-02

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機能耗大、污染嚴重、效率低下，因此汽車工程領(lǐng)域正積極研發(fā)新型發(fā)動機解決這些問題。考慮到電磁懸浮技術(shù)具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等優(yōu)點，都恰能彌補傳統(tǒng)發(fā)動機的不足，所以該課題試圖將磁懸浮這一高新技術(shù)與汽車發(fā)動機結(jié)合起來，充分發(fā)揮磁懸浮的優(yōu)點，設(shè)計一種以電磁驅(qū)動的新型發(fā)動機，為綠色能源的開發(fā)探索出一條新的道路。

該文將從原理解釋、電路設(shè)計、機械設(shè)計、前景展望等幾個方面來進行理論分析與簡易模型設(shè)計，目的在于探明電磁懸浮的力學特性，運用電磁學規(guī)律設(shè)計電路，最終設(shè)計模型，驗證合理性。

1 基本原理

電磁懸浮技術(shù)簡稱EML（Electromagnetic Levitation）技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實現(xiàn)對金屬的懸浮[1]。簡單來說，電磁懸浮技術(shù)就是利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，進而完全脫離接觸面，懸浮在空中。磁懸浮列車就是這一技術(shù)的最好體現(xiàn)。

實際中，磁懸浮列車不僅能懸浮空中，不與軌道接觸，還能依靠磁力作用驅(qū)動列車前進。這是因為在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動的交流電，能將線圈變成電磁體，而它與列車上的電磁體能夠相互作用，進而使列車開動。這與同步直線電動機的原理一模一樣，即：相當于電動機轉(zhuǎn)子和定子之間的旋轉(zhuǎn)運動變成了磁懸浮列車和軌道之間的直線運功。磁懸浮列車相當于電動機的轉(zhuǎn)子，而軌道相當于電動機的定子[2]。列車前進時，頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體S極所吸引，同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體N極所排斥，產(chǎn)生一個向前的推力，這樣周而復(fù)始，列車不斷前進。

顯然，借鑒磁懸浮列車的基本原理，在傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動機中應(yīng)用電磁懸浮技術(shù)，可以有效避免傳統(tǒng)發(fā)動機能耗大、效率低的缺點，并且因為電磁驅(qū)動沒有附加產(chǎn)物，不會污染環(huán)境，非常符合現(xiàn)代汽車工程中的“低碳”理念。

2 電路設(shè)計

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機（內(nèi)燃機）通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動能。這一過程，活塞隨著氣體狀態(tài)的不斷改變進行往復(fù)直線運動，再由曲柄等機構(gòu)將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的動能，進而使汽車前進。

所以設(shè)計發(fā)動機的關(guān)鍵在于如何使活塞往復(fù)運動。對此，該課題采用的是單向電磁驅(qū)動，即：將活塞置于豎直狀態(tài)下工作，通過電磁的驅(qū)動使活塞完成豎直向上的直線運動，再通過重力讓活塞自由下落，完成豎直向下的直線運動，如此往復(fù)，使活塞得以不停運動。

其中，電磁驅(qū)動部分需要設(shè)計相應(yīng)電路，完成對磁體活塞不斷上推的作用，并在最高點處對電路短路，解除電磁作用使活塞僅受重力作用。考慮到單邊電磁作用下產(chǎn)生的法向作用力，會產(chǎn)生不必要的機械振動與損耗，實際采用雙邊模型[3]，以此消除法向作用力，使活塞能真正懸浮起來。

因為兩邊具有對稱性，電路設(shè)計僅以單邊為例，如圖1所示。整套電路由兩組電極相反的電路組成，每組電路在電磁作用下產(chǎn)生極性相同且相互串聯(lián)的電磁鐵。整個系統(tǒng)中，極性不同的電磁鐵相鄰排列，這樣使得磁體活塞上端的N極被靠上一點的電磁體S極所吸引，同時又被稍下一點的電磁體N極所排斥，產(chǎn)生一個向上的推力。當活塞到達頂端時，短路連通，兩組電磁鐵失去磁力，活塞只受向下的重力作用。

3 機械設(shè)計

活塞式電磁發(fā)動機仍舊采用傳統(tǒng)發(fā)動機的活塞曲柄機構(gòu)，最大的區(qū)別在于活塞采用磁性材料，氣缸壁內(nèi)安有與外界電路相連的電磁鐵。如圖2是一個活塞的電磁發(fā)動機的三維示意圖，曲柄處有固定裝置，一側(cè)曲柄與飛輪相連，使活塞往復(fù)運動的動能能傳遞出去。

由于結(jié)構(gòu)簡單，這一裝置可采用模塊化處理。活塞曲柄機構(gòu)利用市面上現(xiàn)有的型號即可（活塞需要時磁性材料）；考慮到慣性作用，飛輪可采用黃銅等慣性力矩較大的材料；外部電源由兩組極性相反的電池組構(gòu)成。另外，根據(jù)實際情況可在氣缸頂部固定一段適當長度的導電彈簧。

開關(guān)閉合后，活塞兩側(cè)的電磁鐵對活塞磁體產(chǎn)生磁力作用，促使活塞不斷向上運動。當活塞接觸到彈簧時，由于活塞本身和彈簧的導電性，兩組外部電路與活塞和彈簧構(gòu)成通路，使電磁鐵部分短路，電磁力消失，但在飛輪慣性力的作用下，活塞仍舊向上運動。運動到最高點處，彈簧被壓緊。之后在彈性力與重力作用下，活塞開始向下運動。當活塞與彈簧分離時，活塞兩側(cè)的電磁鐵再次對活塞磁體產(chǎn)生磁力作用，但依靠飛輪的慣性力，活塞仍舊向下運動，直到最低點。之后活塞在電磁力的作用下又開始向上運動，這樣循環(huán)往復(fù)，活塞不停運動。

4 結(jié)語

活塞式電磁發(fā)動機不同于傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機，其活塞依靠電磁懸浮技術(shù)與氣缸壁部分無需接觸、無需潤滑，減少了摩擦帶來的機械損失，大大提高了發(fā)動機的效率。同時，因為電磁驅(qū)動僅依靠電力，不會像傳統(tǒng)燃料一般產(chǎn)生附加產(chǎn)物，對環(huán)境沒有直接污染，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保的思想。

但因為技術(shù)水平等因素的限制，這一設(shè)想還很難大幅度地投入生產(chǎn)，應(yīng)用到實際。不可否認的是，結(jié)合電磁懸浮技術(shù)研發(fā)新型發(fā)動機一定是汽車工程領(lǐng)域的重要方向。

參考文獻

[1] 電磁懸浮技術(shù)[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[2] 磁懸浮列車[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[3] 楊帥.永磁直流直線電機推力的優(yōu)化設(shè)計[D].河北工業(yè)大學，2012.

[4] 孫麗，汪邦家.電磁驅(qū)動小車的制作方法[J].中學物理教學參考，2015（4）：72.