磁懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)演示儀的設(shè)計(jì)與測(cè)試

高琳惠，閻澤琛，高琳然，程蒙蒙，張靜茹，陳英杰

(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165)

磁懸浮因被懸浮體和磁懸浮支架之間不存在相互的接觸,克服了由于摩擦帶來的能量消耗，因此利用這一技術(shù)做成的器件具有長壽命、無污染、無噪聲、能耗低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-3]. 目前各國已廣泛地開展磁懸浮控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與理論的研究[4-5]. 磁懸浮技術(shù)不僅可以應(yīng)用于磁懸浮列車，而且在磁懸浮軸承、磁懸浮飛輪儲(chǔ)能、航天器與電磁炮的磁懸浮發(fā)射、磁懸浮精密平臺(tái)、磁懸浮冶煉等方面也有廣泛的應(yīng)用[6-7]. 為了能夠準(zhǔn)確直觀地展現(xiàn)磁性懸浮體的懸浮、旋轉(zhuǎn)和由旋轉(zhuǎn)到靜止穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象，使學(xué)生更深刻地理解磁懸浮原理及通電線圈外部磁場(chǎng)的相關(guān)性質(zhì)，體驗(yàn)與感悟物理學(xué)的魅力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，研制了磁懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)演示儀，以此作為開發(fā)相關(guān)教學(xué)教具的載體.

1 演示儀的工作原理

圖1為磁懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)演示儀的正面和背面.

(a)正面

(b)背面

實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，L1～L4為電磁鐵，M為釹鐵硼磁鐵，V1為直流穩(wěn)壓電源，V2～V4為可調(diào)穩(wěn)壓電源. 演示儀主要由主控制電路、副控制電路、驅(qū)動(dòng)部分和制動(dòng)部分組成，4部分電路中電磁鐵的磁場(chǎng)分別以不同方式作用在磁性懸浮體上，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性懸浮體狀態(tài)的控制.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 主控制電路

主控制電路主要依靠位移傳感器探測(cè)磁性懸浮體的位移，并由傳感器輸出的位移信號(hào)控制電磁鐵的磁力，實(shí)現(xiàn)一定質(zhì)量范圍磁性懸浮體穩(wěn)定懸浮. 該部分電路主要由電磁鐵L1(可通過調(diào)整鐵芯在電磁鐵內(nèi)的高度控制其磁性)和功率放大部分組成. 如果磁性懸浮體M(N極靠近傳感器)在平衡位置有向下的位移，即磁性懸浮體與傳感器IC2之間的距離增大，則傳感器輸出電平降低. 由于傳感器的輸出端接在比較器IC1的同相端，通過控制電路對(duì)同相端和反向端的輸入電壓比較，比較器輸出低電平，場(chǎng)效應(yīng)管VT低電平開啟，電磁鐵L1磁性增大，從而把磁性懸浮體拉回平衡位置.

同理，若磁性懸浮體在平衡位置有向上的位移，傳感器的輸出電壓增大，使得比較器同相端和反相端的輸入電壓相近，比較器輸出高電平，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉. 電磁鐵L1中的電流流經(jīng)二極管VD形成回路，電流緩慢減弱，電磁鐵L1磁性減小，由于重力作用，磁性懸浮體被拉回平衡位置.

1.2 副控制電路

由于電磁鐵L1的線圈匝數(shù)一定且其所能承受的電壓一定等因素，對(duì)磁性懸浮體的質(zhì)量范圍有一定限制. 為了擴(kuò)大磁性懸浮體質(zhì)量的范圍，設(shè)計(jì)了副控制電路.

副控制電路主要由電磁鐵L2和可調(diào)穩(wěn)壓電源V2組成. 當(dāng)磁性懸浮體質(zhì)量過小或過大時(shí)，副控制電路對(duì)磁性懸浮體施加向下或向上的力，使磁性懸浮體重新達(dá)到受力平衡.

借助副控制電路，可以通過以下2種方法來實(shí)現(xiàn)懸浮體的受力平衡：

1)固定電壓，改變高度. 當(dāng)電磁鐵L2兩端的電壓一定時(shí)，它產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定. 若磁性懸浮體有向上的趨勢(shì)即F1>G+F2，則給電磁鐵L2向上的位移，使F2增大，達(dá)到平衡效果；反之亦然.

2)固定高度，改變電壓. 當(dāng)電磁鐵L2的高度一定時(shí)，則通過改變其兩端的電壓而改變F2. 若磁性懸浮體有向上的趨勢(shì)即F1>G+F2,則增加電磁鐵L2的電壓以增大F2，達(dá)到平衡效果；反之亦然.

1.3 驅(qū)動(dòng)部分

為了能更好地控制磁性懸浮體的懸浮狀態(tài)，在裝置中添加了驅(qū)動(dòng)部分，其中，驅(qū)動(dòng)部分1如圖2所示，驅(qū)動(dòng)部分2如圖3所示.

圖3 驅(qū)動(dòng)部分2

驅(qū)動(dòng)部分1利用通電線圈的外部磁場(chǎng)使磁性懸浮體實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn). 其主要由電磁鐵L3和可調(diào)穩(wěn)壓電源V3組成. 電磁鐵L3通電后產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)，使磁性懸浮體受到旋轉(zhuǎn)力矩的作用，同時(shí)電磁鐵L3給磁性懸浮體向上的分力，此時(shí)磁性懸浮體產(chǎn)生微小的向上位移，使磁性懸浮體勢(shì)能增大，當(dāng)關(guān)閉電磁鐵L3的電源時(shí)，磁性懸浮體回到原來的位置，該部分勢(shì)能轉(zhuǎn)換為磁性懸浮體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能. 由于慣性及磁懸浮無接觸、無摩擦磨損的特性，磁性懸浮體保持持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)了磁性懸浮體的轉(zhuǎn)動(dòng).

驅(qū)動(dòng)部分2主要由滑軌N、電磁鐵L5、電動(dòng)機(jī)m、順逆開關(guān)S和穩(wěn)壓電源V5～V6組成. 驅(qū)動(dòng)部分2利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，通過順逆開關(guān)實(shí)現(xiàn)滑軌上電磁鐵的正反轉(zhuǎn). 通電空心線圈在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，在變化磁場(chǎng)的作用下，磁性懸浮體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，鐵質(zhì)磁性懸浮體表面會(huì)形成磁化電流，磁化電流與變化的磁場(chǎng)相互作用，會(huì)產(chǎn)生電磁推力，使磁性懸浮體與電磁鐵之間產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

為使磁性懸浮體以不同角速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)以下2種操作方式：

1)固定電磁鐵兩端電壓，改變電磁鐵的起始作用位置. 當(dāng)電磁鐵兩端電壓一定時(shí)，通過改變電磁鐵的起始作用位置，改變電磁鐵與磁性懸浮體相互作用的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)磁性懸浮體旋轉(zhuǎn)角速度的變化.

2)固定電磁鐵的起始作用位置，改變滑軌電壓. 當(dāng)電磁鐵的起始作用位置一定時(shí)，通過改變可調(diào)穩(wěn)壓電源V6的電壓，改變滑軌電壓，實(shí)現(xiàn)磁性懸浮體旋轉(zhuǎn)角速度的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性懸浮體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的控制.

1.4 制動(dòng)部分

制動(dòng)部分主要由電磁鐵L4和可調(diào)穩(wěn)壓電源V4組成. 接通電磁鐵L4的電源時(shí)，電磁鐵L4形成其特有的磁場(chǎng)分布，旋轉(zhuǎn)的磁性懸浮體受到相反旋轉(zhuǎn)力矩的作用，同時(shí)磁性懸浮體受到向上的分力，產(chǎn)生向上的微小位移，因此磁性懸浮體發(fā)生由旋轉(zhuǎn)到擺動(dòng)再到靜止的狀態(tài)變化. 關(guān)閉制動(dòng)部分的電源后，磁性懸浮體恢復(fù)穩(wěn)定懸浮的狀態(tài).

2 演示儀的制作方法

1)用1 cm厚的木板制成26 cm×15 cm×30 cm演示儀的主體框架，如圖1所示，其主體是上下2層的空心長方體框架. 框架上層高度為25 cm，下層高度為5 cm，為了便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將框架上層切掉7 cm寬.

2)按照實(shí)驗(yàn)原理焊接電路板，并將其置于框架下層.

3)在框架頂部的中央位置固定線性霍爾傳感器ss495a，將電磁鐵L1放在霍爾傳感器正上方，連接電磁鐵L1與電路板，組成主控制電路部分.

4)將電磁鐵L2置于框架上層底面中心位置，保證其位于電磁鐵L1正下方，將其接入電路，組成副控制電路部分.

5)在上層框架內(nèi)部兩側(cè)水平固定2塊2 cm厚的木板，左側(cè)木板與頂層間距10 cm，右側(cè)木板與頂層間距11 cm. 在左右兩側(cè)木板上分別放置電磁鐵L3和電磁鐵L4，用導(dǎo)線將二者接到電路板上相應(yīng)位置，組成驅(qū)動(dòng)部分1和制動(dòng)部分.

6)用木條、齒條、齒輪、蝸桿、順逆開關(guān)和電動(dòng)機(jī)制成可雙向移動(dòng)的滑軌，將電磁鐵L5固定在滑軌上，組成驅(qū)動(dòng)部分2. 為使該部分達(dá)到要求的高度，制作木制支架以做調(diào)整.

3 演示儀的使用方法及開展的研究實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)裝置可以使一定質(zhì)量的磁性物體懸浮、轉(zhuǎn)動(dòng)及制動(dòng). 通過改變電磁鐵鐵芯高度和副控制電路電壓等，可使不同質(zhì)量的磁性懸浮物體在不同位置穩(wěn)定懸?。煌ㄟ^改變滑軌上電磁鐵的起始作用位置和滑軌電壓可以控制磁性懸浮體的旋轉(zhuǎn)速度.

3.1 使一定質(zhì)量的磁性物質(zhì)懸浮

磁懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)演示儀的主控制電路部分可以使一定質(zhì)量的磁性物體穩(wěn)定懸浮. 電磁鐵L1不加鐵芯，電路通電，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，使得其輸出電壓為20.0 V. 然后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得其輸出電壓為3.0 V，將磁性物質(zhì)的N極靠近距離線性霍爾傳感器約2.00 cm的位置，實(shí)現(xiàn)磁性物體的穩(wěn)定懸浮.

3.2 鐵芯的高度與磁性懸浮體質(zhì)量的關(guān)系

主控制電路部分使磁性物體穩(wěn)定懸浮時(shí)，磁性懸浮體的質(zhì)量與電磁鐵L1內(nèi)鐵芯的高度如表1所示.

表1 電磁鐵L1內(nèi)鐵芯的高度h與磁性懸浮體質(zhì)量m

由此可見，改變電磁鐵內(nèi)鐵芯的高度可實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量磁性懸浮體的穩(wěn)定懸浮.

3.3 電磁鐵與傳感器間距離與磁性懸浮體質(zhì)量的關(guān)系

加副控制電路，在電磁鐵L2兩端電壓恒定(以20.2 V為例)的情況下，通過改變電磁鐵L2與線性霍爾傳感器之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量磁性懸浮體的穩(wěn)定懸浮. 磁性懸浮體的質(zhì)量與電磁鐵L2與線性霍爾傳感器之間的距離如表2所示.

表2 電磁鐵L2和傳感器間的距離x與磁性懸浮體的質(zhì)量m

3.4 電磁鐵電壓與磁性懸浮體質(zhì)量的關(guān)系

在電磁鐵L2與線性霍爾傳感器之間的距離恒定(以6.50 cm為例)時(shí)，改變電磁鐵L2兩端的電壓，可實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量磁性懸浮體的穩(wěn)定懸浮. 電磁鐵L2兩端的電壓與磁性懸浮體的質(zhì)量如表3所示.

表3 電磁鐵L2兩端的電壓UL2與磁性懸浮體質(zhì)量m

可見，當(dāng)電磁鐵給磁性懸浮體以斥力時(shí)，磁性懸浮體的質(zhì)量隨電磁鐵L2兩端電壓的增大而減小，即隨電磁鐵磁力的增大而減小，這與理論分析一致.

3.5 驅(qū)動(dòng)部分1磁性懸浮體穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)電磁鐵的最佳電壓

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)電磁鐵的位置，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分1中電磁鐵L3所加電壓為15.0 V時(shí)，磁性懸浮體旋轉(zhuǎn)最為穩(wěn)定.

3.6 電磁鐵起始作用位置與磁性懸浮體轉(zhuǎn)速的關(guān)系

在驅(qū)動(dòng)部分2電壓恒定(以11.0 V為例)時(shí)，改變電磁鐵的起始作用位置，磁性懸浮體轉(zhuǎn)速與電磁鐵起始作用位置如表4所示.

表4 電磁鐵起始作用位置y與磁性懸浮體轉(zhuǎn)速ω

可見，距參考點(diǎn)距離為0與距離為3.50 cm時(shí)磁性懸浮體的轉(zhuǎn)速幾乎相同，這與理論分析一致，2種作用方式中電磁鐵與磁性懸浮體相互作用時(shí)間相同，即可得這2種位置為等效位置，轉(zhuǎn)速相同. 當(dāng)距離參考點(diǎn)位置越大時(shí)，轉(zhuǎn)速越小，這與理論分析一致.

3.7 滑軌電壓與磁性懸浮體轉(zhuǎn)速的關(guān)系

在與參考點(diǎn)距離(以3.50 cm為例)一定時(shí)，通過改變可調(diào)穩(wěn)壓電源V6，進(jìn)而改變滑軌兩端電壓，磁性懸浮體轉(zhuǎn)速與滑軌電壓如表5所示. 可見，當(dāng)電磁鐵作用的位置恒定時(shí)，滑軌兩端電壓越大，滑軌的速度越大，與磁性懸浮體作用的時(shí)間越短，磁性懸浮體的轉(zhuǎn)速越小.

表5 滑軌電壓與磁性懸浮體轉(zhuǎn)速

在實(shí)驗(yàn)裝置中，利用副控制電路通過改變磁性懸浮體與電磁鐵L1的距離或電壓，解決了因主控制電路電子元件的限制而導(dǎo)致磁性懸浮體質(zhì)量以及懸浮位置范圍有限的難題. 通過改變驅(qū)動(dòng)部分滑軌上電磁鐵的起始作用位置及滑軌電壓，實(shí)現(xiàn)了磁性懸浮體不同角速度的旋轉(zhuǎn). 制動(dòng)部分使懸浮體的旋轉(zhuǎn)達(dá)到可控制的目的.

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并制作了磁懸浮轉(zhuǎn)動(dòng)演示儀，研究了磁性懸浮體質(zhì)量與鐵芯在電磁鐵內(nèi)的高度、電磁鐵電壓及電磁鐵與傳感器間距離的關(guān)系. 通過分析磁性懸浮體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與滑軌上電磁鐵起始作用位置、滑軌兩端電壓和電磁鐵的外磁場(chǎng)間的關(guān)系，得到了控制磁性懸浮體轉(zhuǎn)動(dòng)和制動(dòng)的方法. 演示儀結(jié)構(gòu)簡單、可操控性強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確直觀地展現(xiàn)磁性懸浮體的懸浮和轉(zhuǎn)動(dòng)等現(xiàn)象，可應(yīng)用于課堂教學(xué)，并可以此為載體對(duì)磁懸浮現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究.