CN101483017A - 电磁悬浮实验和演示装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁悬浮实验和演示装置，在底座上设置有磁体、控制器、支柱，控制器通过导线接与电源和磁体相连接，磁体和支柱上端设置有上盖，在上盖以及磁体的上方悬浮有悬浮磁体，磁体包括由1个电磁铁与0～2个组合永久磁体相互吸附连为一体的1个组合磁体、2个永久磁体排列在底板上的同一个圆周上，电磁铁通过导线与控制器相连接。本发明采用控制器对组合磁体的电流进行调节和控制，改变设置在底座上的电磁铁和永久磁体与悬浮永磁体之间的磁力大小和方向变化，实现悬浮磁体的稳定悬浮。本发明具有结构简单、生产成本低、应用范围广等优点，可作为高等学校、中学、科技馆等教学和研究单位的演示实验仪器。

Description

电磁悬浮实验和演示装置

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及到一种排斥的电磁悬浮实验和演示仪器。

背景技术

目前，磁悬浮技术越来越受到人们的重视，该技术在磁悬浮列车、磁悬浮轴承、储能飞轮、超净加工室内物体的磁悬浮搬运系统以及实验演示等方面具有广阔的应用前景。众所周知，永久磁体与永久磁体之间的悬浮是不稳定的，要实现永磁体的悬浮，必须对用于悬浮的磁体磁场进行实时检测，并通过自动控制电路对其变化进行调节和控制，确保被悬浮磁体1一直处在一种动态的平衡状态，从而实现永磁体的稳定悬浮。

悬浮分为超导磁悬浮、涡流悬浮、抗磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮、电磁和永磁构成的混合型磁悬浮等多种。就电磁悬浮而言，一种是电磁吸引式磁悬浮，它是利用电磁铁和永磁铁或铁磁性物质产生相互吸引力的原理，通过磁体间的吸引力与重力的平衡来实现永磁铁或铁磁性物质在电磁铁下放的悬挂，目前报道较多的文章和专利都属于这一类，如磁悬浮地球仪；另一种是电磁推斥型磁悬浮，它是利用处于被悬浮磁体1下方的永磁体和电磁铁构成的磁体阵列，产生一个适合于被悬浮磁体1稳定悬浮的磁场，通过该磁场对被悬浮永磁体的斥力作用而实现的。但后一种悬浮的难度要比前一种悬浮的难度大得多，需要比前一种悬浮更复杂的磁路设计和控制，而且需要多个磁体共同作用在悬浮体上，如专利申请号为：200610061372.0的“一种磁悬浮装置”。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述电磁悬浮装置的缺点，提供一种设计合理、结构简单、体积小、演示直观、演示效果好、便于实验研究的电磁悬浮实验和演示装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有磁体、控制器、支柱，控制器通过导线接与电源和磁体相连接，磁体和支柱上端设置有上盖，在上盖以及磁体的上方悬浮有悬浮磁体，磁体包括由1个电磁铁与0～2个组合永久磁体相互吸附连为一体的1个组合磁体、2个永久磁体排列在底板上，电磁铁通过导线与控制器相连接。

本发明的组合磁体与相邻2个永久磁体排列成等腰三角形。

本发明的组合磁体与2个永久磁体的磁场强度相同，组合磁体和2个永久磁体指向圆心端的磁极与悬浮磁体下端的磁极相同、或组合磁体和2个永久磁体背离圆心端的磁极与悬浮磁体下端的磁极相反。

本发明的控制器为：检测电路的输出端接放大电路，放大电路的输出端接移相电路，移相电路的输出端接驱动电路，驱动电路的输出端接电磁铁。

本发明采用控制器对组合磁体的电流进行调节和控制，改变设置在底座上的电磁铁和永久磁体与悬浮永磁体之间的磁力大小和方向变化，实现悬浮磁体的稳定悬浮。本发明具有结构简单、生产成本低、应用范围广等优点，可作为高等学校、中学、科技馆等教学和研究单位的演示实验仪器。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是图2中组合磁体5的结构示意图。

图5是图2中控制器6的电气原理方框图。

图6是图2中控制器6的电子线路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3、4中，本实施例的电磁悬浮实验和演示装置由悬浮磁体1、上盖2、支柱3、底座4、永久磁体7、控制器6、组合磁体5联接构成。

在底座4上用螺纹紧固联接件固定联接有1个组合磁体5、2个永久磁体7，组合磁体5通过导线接控制器6，组合磁体5与相邻永久磁体7之间的夹角相等，本实施例组合磁体5和2个永久磁体7均布位于同一个圆周上，组合磁体5与相邻永久磁体7之间的夹角为120°，排列成等腰三角形，组合磁体5和2个永久磁体7也可不均布位于同一个圆周上，组合磁体5和永久磁体7与底座4垂直排列，组合磁体5的磁场强度与2个永久磁体7的磁场强度相同、上端的磁极相同。

本实施例的组合磁体5由铁芯5-1、线圈骨架5-2、组合永久磁体5-3、线圈L联接构成。在线圈骨架5-2内安装有铁芯5-1，线圈骨架5-2上安装有线圈L，构成电磁铁，铁芯5-1的下端面吸附1块组合永久磁体5-3。

在底座4上用螺纹紧固联接件固定联接有控制器6，控制器6通过导线与电源和组合磁体5相连接。在底座4的外沿用胶粘接有支柱3，支柱3的形状为圆筒形结构，用非导磁材料有机玻璃制成，也可用其它非导磁材料制成，如塑料，胶木，木质材料，玻璃钢等。在支柱3上端用螺纹紧固联接件固定联接有上盖2，制备上盖2所用的材料与支柱3的材料相同。在上盖2的正上方以及组合磁体5与相邻永久磁体7所构成圆周的圆心位置正上方悬浮有悬浮磁体1，悬浮磁体1的形状为圆柱体，悬浮磁体1的中心轴线位于组合磁体5与相邻永久磁体7所构成圆周的圆心上，悬浮磁体1的半径小于组合磁体5与相邻永久磁体7所构成圆周的半径。当固定在底座4上的组合磁体5和永久磁体7竖直放置时，组合磁体5和相邻永久磁体7的磁极与悬浮磁体1的磁极相反，即组合磁体5和永久磁体7的上端为N极时，悬浮磁体1的下端为N极；组合磁体5和永久磁体7的上端为S极时，悬浮磁体1的下端为S极。悬浮磁体1悬浮在组合磁体5和相邻永久磁体7正上方位置，由控制器6进行自动控制。当处于平衡位置的悬浮磁体1向下偏移时，控制器6自动增加通过线圈的电流，产生较强的磁场，将悬浮磁体1推回到原来的平衡位置；当位于平衡位置的悬浮磁体1向上偏移时，控制器6自动减小通过线圈的电流，降低组合磁体5的磁场，使得悬浮磁体1受到的排斥力减小，自动回到原来的平衡位置。

在图5中，本实施例的控制器6由检测电路、放大电路、移相电路、驱动电路连接构成。检测电路的输出端接放大电路，放大电路的输出端接移相电路，移相电路的输出端接驱动电路，驱动电路向电磁铁输出变化的电流，电磁铁产生变化的磁场，驱动悬浮磁体1上下移动，保持悬浮磁体1处在平衡位置。

在图6中，本实施例的检测电路由光电传感器U1、发光二极管D1、发光二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3连接构成，光电传感器U1是红外反射式光电传感器型号为FS-359F-043W。光电传感器U1设置在上盖2上。发光二极管D1的正极通过电阻R1接15V电源正极，发光二极管D1的负极和发光二极管D2的正极接地，发光二极管D2的负极通过电阻R2接15V电源负极。光电传感器U1的输入端通过电阻R3接15V电源正极、输出端接放大电路、地端接地。光电传感器U1向悬浮磁体1发射光信号并接收反射回来的光信号转换成电信号输出到放大电路。

本实施例的放大电路由集成电路U2A、电阻R4～电阻R9、电容C1、电容C2、电位器VR1连接构成，集成电路U2A是运算放大器型号为LM358P。集成电路U2A的同相输入端3脚通过电阻R7接集成电路U1的输出端并通过电阻R8接地，集成电路U2A的同相输入端3脚通过电阻R7和电阻R5接15V电源正极、反相输入端2脚通过电阻R6和电阻R4接15V电源正极以及通过电阻R6接电位器VR1的一端并通过电阻R9接输出端1脚、正电源端4脚接电容C2的一端和15V电源负极、负电源端8脚接电容C1的一端和15V电源正极、输出端接移相电路，电容C2和电容C1的另一端接地，电位器VR1的可调端和另一端接地。

本实施例的移相电路由集成电路U2B、电阻R10～电阻R12、电容C3、电位器VR2连接构成，集成电路U2B是运算放大器型号为LM358P。电容C3的一端接集成电路U2A的输出端1脚以及通过电阻R10接电容C3的另一端，电容C3的另一端接集成电路U2B的同相输入端5脚和电位器VR2的一端，集成电路U2B的反相输入端6脚通过电阻R11接地并通过电阻R12接输出端7脚、输出端7脚接驱动电路，电位器VR2的可调端和另一端接地。

本实施例的驱动电路由三极管Q1、发光二极管D3、二极管D4、电阻R13、电阻R14连接构成。三极管Q1的基极通过电阻R13接集成电路U2B的输出端7脚、集电极接发光二极管D3的负极和二极管D4的正极并通过线圈L接15V电源正极、发射极接地，线圈L安装在组合磁体5的线圈骨架5-2上，发光二极管D3的正极通过电阻R14接15V电源正极，二极管D4的负极接15V电源正极。

本发明的控制器6的原理如下：

光电传感器U1向悬浮磁体1发射光信号并接收反射回来的光信号转换成电信号输出到集成电路U2A的同相输入端3脚，经集成电路U2A放大后的信号被输入到移相电路，移相电路对光电传感器U1信号的相位进行补偿，通过调节电位器VR2使得此处信号的相位与悬浮磁体1与光电传感器U1之间距离的变化相一致。移相后的信号先经集成电路U2B进行幅度放大，然后经三极管Q1进行功率放大，产生能够驱动线圈L的电流，该电流通过线圈L产生变化的磁场，控制悬浮磁体1与光电传感器U1之间的距离，使得悬浮磁体1稳定地悬浮在平衡位置。整个控制过程实际上是一个负反馈控制过程。

实施例2

在本实施例中，在底座4上用螺纹紧固联接件固定联接有1个组合磁体5、2个永久磁体7，组合磁体5通过导线与控制器6和电源相连接，组合磁体5和2个永久磁体7均布位于同一个圆周上，组合磁体5与相邻永久磁体7之间的夹角为120°，组合磁体5和2个永久磁体7也可不均布位于同一个圆周上，组合磁体5和永久磁体7水平排列安装在底座4上，组合磁体5的磁场强度与2个永久磁体7的磁场强度相同，组合磁体5和2个永久磁体7指向圆心端的磁极与悬浮磁体1下端的磁极相同，即组合磁体5和2个永久磁体7指向圆心端的磁极为N极，悬浮磁体1下端的磁极为N极，组合磁体5和2个永久磁体7指向圆心端的磁极为S极，悬浮磁体1下端的磁极为S极。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，在底座4上用螺纹紧固联接件固定联接有1个组合磁体5、2个永久磁体7，组合磁体5通过导线与控制器6和电源相连接，组合磁体5和2个永久磁体7安装在同一个圆周上，组合磁体5与相邻永久磁体7之间的夹角为135°，组合磁体5和2个永久磁体7也可不均布位于同一个圆周上，组合磁体5和永久磁体7水平排列安装在底座4上，组合磁体5的磁场强度与2个永久磁体7的磁场强度相同，组合磁体5和2个永久磁体7背离圆心端的磁极与悬浮磁体1的磁极相反，即组合磁体5和2个永久磁体7背离圆心端的磁极为N极，悬浮磁体1下端的磁极为S极，组合磁体5和2个永久磁体7背离圆心端的磁极为S极，悬浮磁体1下端的磁极为N极。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在本以上的实施例1～3中，组合磁体5由铁芯5-1、线圈骨架5-2、线圈L、2块组合永久磁体5-3联接构成。在骨架内安装有铁芯5-1，骨架上安装有线圈L，构成电磁铁，在铁芯5-1的上、下端面各吸附1块组合永久磁体5-3。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

Claims (4)

1、一种电磁悬浮实验和演示装置，在底座(4)上设置有磁体、控制器(6)、支柱(3)，控制器(6)通过导线接与电源和磁体相连接，磁体和支柱(3上端设置有上盖(2)，在上盖(2)以及磁体的上方悬浮有悬浮磁体(1)，其特征在于：所说的磁体包括由1个电磁铁与0～2个组合永久磁体(5-3)相互吸附连为一体的1个组合磁体(5、2)个永久磁体(7)排列在底板上，电磁铁通过导线与控制器(6)相连接。

2、按照权利要求1所述的电磁悬浮实验和演示装置，其特征在于：所说的组合磁体(5)与相邻2个永久磁体(7)排列成等腰三角形。

3、按照权利要求1或2所述的电磁悬浮实验和演示装置，其特征在于：所说的组合磁体(5)与2个永久磁体(7)的磁场强度相同，组合磁体(5)和2个永久磁体(7)指向圆心端的磁极与悬浮磁体(1)下端的磁极相同、或组合磁体(5)和2个永久磁体(7)背离圆心端的磁极与悬浮磁体(1)下端的磁极相反。

4、按照权利要求1所述的电磁悬浮实验和演示装置，其特征在于所说的控制器(6)为：检测电路的输出端接放大电路，放大电路的输出端接移相电路，移相电路的输出端接驱动电路，驱动电路的输出端接电磁铁。

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