單邊短定子驅(qū)動可控磁懸浮小車設(shè)計*

袁健 胡鈺濤 李東哲 林瑞和 梁亦森 肖鵬

(佛山科學技術(shù)學院物理與光電工程學院 廣東 佛山 528000)

1 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新型交通工具不斷涌現(xiàn)，其中備受研究者關(guān)注的就是20世紀60年代出現(xiàn)的磁懸浮列車[1].磁懸浮列車利用強大的電磁吸力或斥力實現(xiàn)列車與軌道之間無接觸的懸浮和導向，再利用直線電機產(chǎn)生的電磁力牽引列車平穩(wěn)前進[2,3].磁懸浮列車作為一種新型軌道交通形式，與傳統(tǒng)的交通方式相比，具有安全性好、噪聲低、運行速度快、平穩(wěn)舒適、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，應用前景非常廣闊[4,5].

按照磁懸浮的原理和方式的不同，可以分為常導電磁懸浮、超導電動磁懸浮和永磁懸浮3種形式.常導電磁懸浮列車速度可達400～500 km/h，超導電動磁懸浮列車速度可達500 km/h，永磁懸浮列車速度可達550 km/h[6].它的高速度使其在中短途距離的旅行中比乘坐飛機更具優(yōu)勢.然而，目前在大學物理實驗中很少有直觀展現(xiàn)基于電磁感應原理的磁懸浮列車實驗教具，使得大學生們對這一新型交通工具認識不夠深刻.為此，本文設(shè)計了單邊短定子驅(qū)動可控磁懸浮小車.該小車穩(wěn)定懸浮高度為8 mm，采用藍牙模塊連接手機，用手機App就能進行小車的停止、啟動、前進、后退和調(diào)速等一系列的操作.這一款實驗教具制作成本很低，能夠直觀展現(xiàn)電磁學的魅力，加深學生對電磁感應基本原理的理解，拓展學生的視野，激發(fā)他們利用物理基本原理設(shè)計光電類作品的興趣.

2 可控磁懸浮小車的設(shè)計

可控磁懸浮小車主要由懸浮系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和導向系統(tǒng)4部分構(gòu)成.

2.1 懸浮系統(tǒng)設(shè)計

懸浮系統(tǒng)利用磁鐵間同極性相斥、異極性相吸的原理設(shè)計.采用Vizimag模擬電磁軟件建立模型，通過參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)使用多層層疊結(jié)構(gòu)可以極大地提升磁場梯度的有效范圍，擴展磁鐵表面所能產(chǎn)生強磁區(qū)域的范圍，并且降低了扭力的強度，可以保證可控磁懸浮小車穩(wěn)定懸浮8 mm.圖1為可控磁懸浮小車單邊結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 可控磁懸浮小車單邊結(jié)構(gòu)示意圖

采用普通長條磁鐵、銣鐵硼磁鐵和黑磁鐵的組合產(chǎn)生強大的排斥力而使可控磁懸浮小車穩(wěn)定懸浮.可控磁懸浮小車的軌道采用兩條平行不銹鋼軌道，如圖2所示.

圖2 可控磁懸浮小車軌道

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)采用分數(shù)槽集中繞組永磁電機的展開模式，具體設(shè)計為：短初級由6個線圈組成A,B,C三相繞組；多個永磁體正反排列組成長次級，4個永磁體的排列長度等于6個線圈，如圖3和圖4所示.利用位置檢測器檢測初級的位置，并且按照順序依次給A，B，C三相繞組通電，使初級產(chǎn)生的磁場方向連續(xù)均勻變化，于是氣隙中所產(chǎn)生的行波磁場與次級相互作用從而驅(qū)動可控磁懸浮小車運動.

圖3 短初級示意圖

圖4 長次級排列示意圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用Arduino UNO作為控制中心，使用藍牙模塊連接手機，用手機App控制磁懸浮小車的停止、啟動、前進、后退和調(diào)速.手機App使用MIT App Inventor制作完成. MIT App Inventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式，非常便于操作使用.

2.4 導向系統(tǒng)設(shè)計

導向系統(tǒng)采用PID控制算法，利用霍爾傳感技術(shù)，確保小車在運行過程中始終懸浮在導軌的正中央.具體實現(xiàn)過程為：根據(jù)霍爾讀數(shù)相對原始標準值偏大還是偏小而判定磁懸浮小車方位是偏左還是偏右，從而控制輸出相應的帶有正反方向及大小的電流信號至線圈，確保小車位于正中央.

圖5給出了設(shè)計的磁懸浮小車控制器界面.利用這個控制器可以非常方便地向?qū)W生演示磁懸浮小車的停止、啟動、前進、后退和調(diào)速，具有很強的觀賞性.

圖6和圖7分別顯示了可控磁懸浮小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀圖.

圖6 可控磁懸浮小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 可控磁懸浮小車外觀

從圖中可以看出，小車體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，制作成本低，并且可以穩(wěn)定地懸浮在導軌中央，是一款比較好的展現(xiàn)電磁感應原理的實驗教具.

3 結(jié)論

本文利用電磁感應基本原理設(shè)計了一款采用Arduino UNO作為控制中心，用手機App遙控的可控磁懸浮小車.采用Vizimag模擬電磁軟件建立模型，利用普通長條磁鐵、銣鐵硼磁鐵和黑磁鐵層疊結(jié)構(gòu)使小車穩(wěn)定懸浮8 mm，減小了小車在運行中的阻力；利用PID算法調(diào)節(jié)電流信號大小和方向，保證了小車始終位于導軌正中央.這一款小車結(jié)構(gòu)緊湊、制備成本低，可以用手機控制它的啟動、停止、前進、后退和調(diào)速，是一款比較好的展現(xiàn)電磁感應原理的實驗教具.