CN101494004B - 钢球磁悬浮运动实验装置 - Google Patents

Abstract

一种钢球磁悬浮运动实验装置，在底座上设支柱，支柱上端外侧设辅助钢球固定套以及位于辅助钢球固定套与支柱外表面之间的辅助钢球，辅助钢球固定套的上端面设上表面与限位圈联接的上盖，穿过上盖的中心轴设在底座上，中心轴与上盖、与底座之间设中心轴套，磁体转动轴的一端设在中心轴上、另一端设在磁体上，磁体转动轴与磁体之间设磁体轴套，磁体和辅助钢球的下方悬浮1个悬浮钢球，悬浮钢球与辅助钢球之间保持有距离。本发明将磁体与钢球对磁场影响结合在一起，实现了钢球的稳定悬浮和悬浮运动，简化了磁悬浮装置的结构、不需要任何控制设备和控制元件，降低了磁悬浮实验装置的成本，扩大了其应用范围。可作为磁悬浮原理的实验和演示仪器。

Description

钢球磁悬浮运动实验装置

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及到一种吸引钢球的磁悬浮运动实验装置。

背景技术

磁悬浮技术越来越受到人们的重视，该技术已应用于磁悬浮列车、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、实验教学和演示等方面。磁悬浮列车是利用车体与轨道之间的磁力抵消地球引力，通过直线电机的驱动，实现列车在轨道上的悬浮运行。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，是一种具有广阔前景的新型交通工具，磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，利用电磁铁与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右，其速度可达每小时400～500公里。超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，利用超导磁体产生的强磁场，在列车运行时与安装在地面上的线圈相互作用，产生电磁斥力将列车悬起，悬浮高度一般为100～150毫米左右，运行速度可达每小时500公里以上。

上述磁悬浮列车所存在的一个技术问题是常导磁悬浮系统是以电磁力实现悬浮、导向和驱动功能的，其控制系统相当复杂。磁悬浮列车所存在的另一个技术问题是需要低温冷却系统，操作不变，运行成本高，虽然已有高温超导磁悬浮列车模型，但仍需低温冷却条件。

利用高温超导磁悬浮原理制作的磁悬浮列车模型已有报道，其中我国西南交通大学研制的列车是世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。此高温超导磁悬浮实验车采用高温超导块材与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，在液氮温度条件下(77K)，可以连续工作超过6小时，悬浮总重量530公斤，可载5人，悬浮净高度23毫米，稳定性较好，悬浮刚度较高。该“车”的永磁导轨到长15.5米，用直线电机推进，加速度1米/秒²，它是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。但是这辆高温超导磁悬浮实验车制造工艺复杂，耗资大，而且形体巨大，不能普及到一般的高校实验室和展览馆，因此很多人无法亲眼看到列车运行的演示。

形体较小的超导磁悬浮列车演示装置目前国内也有报道，例如陕西师范大学，北京同方辰源科技发展中心的THP-1型超导磁悬浮演示装置，北京英纳超导技术有限公司的高温超导磁悬浮演示装置，北京特运科技有限公司的超导磁悬浮车演示模型等。这些模型装置都是利用超导体的抗磁性使高温超导体悬浮在永磁轨道上。THP-1型超导磁悬浮演示装置是一台高临界温度超导体磁悬浮列车物理课堂演示装置，该装置为一个盛放高温度超导体的列车模型，在具有磁束缚的封闭磁轨道上方悬浮，或在磁轨道下方倒挂“悬挂”，并可在旋转磁场加速装置作用下，沿着长度约为1.7m的封闭磁轨道，以悬浮或倒挂状态无摩擦地连续运转。高温超导磁悬浮演示装置是一种适用于大、中、小学的物理学课堂演示以及科技馆、少年宫等单位的展示、教学用超导教学仪器。发明人所在的课题组研制的超导磁悬浮车演示模型综合了超导、仪表、电子、低温、磁路设计、直线电机原理、自动控制等方面的知识，可以加强学生对现代科技的认识并激发其对高新技术的兴趣。超导磁悬浮车演示模型由环形轨道和超导小车模型组成，轨道由铁环和吸附在其上的钕铁硼(NdFeB)永久磁铁材料构成，当钇钡铜氧(YBCO)超导材料被冷却到液氮温度时，车体就可以稳定地悬浮在轨道上方。此时只要沿轨道方向给车体一个很小的推动力，悬浮车就将沿轨道延伸方向运动。如果轨道磁场非常均匀(没有磁阻尼的理想状态)，且车体在封闭的真空环境中运动，车的运动速度将不会衰减。目前，已有的小型高温超导磁悬浮实验车模型能够让人们在感知此类现象的同时，让老师、学生和广大群众了解与超导磁悬浮列车系统相关的各种技术。就这种小型高温超导磁悬浮实验车模型也需要用液氮，由于液氮并不是在任何地方都有，即就是有，每次做实验还得去买，因此对该类实验装置的普及尚有难度，特别是在偏远地区。

在大专院校物理课的教学中，当前迫切需要解决的一个技术问题是提供一种结构简单、体积小、实验条件容易实现、成本低、演示直观的磁悬浮教学实验演示仪器。

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、便于在常温下进行实验研究的钢球磁悬浮运动实验装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有支柱，支柱上端外侧设置有辅助钢球固定套以及位于辅助钢球固定套与支柱外表面之间的辅助钢球，辅助钢球固定套、支柱以及辅助钢球的上端面设置有上表面与限位圈联接的上盖，穿过上盖的中心轴的一端设置在底座上，中心轴与上盖、与底座之间设置有中心轴套，磁体转动轴的一端设置在中心轴上、另一端设置在磁体上，磁体转动轴与磁体之间设置有磁体轴套，在磁体和辅助钢球的下方悬浮1个悬浮钢球，悬浮钢球与辅助钢球之间保持有距离。

本发明的磁体为永久磁体或电磁铁。

本发明的永久磁体或电磁铁为圆盘形或圆环形结构。

本发明说的上盖为非导磁上盖；所说的支柱为非导磁筒形支柱。

本发明的支柱的横截面与限位圈的底面和上盖的形状相似。

本发明的支柱的横截面外形、限位圈的底面、上盖的形状为圆形或椭圆形。

本发明的悬浮钢球和辅助钢球为实心钢球或空心钢球或实心铁球或空心铁球。

本发明将永久磁体与钢球对磁场影响结合在一起，在常温情况下，实现了钢球的稳定悬浮和悬浮运动，简化了磁悬浮装置的结构、不需要任何控制设备和控制元件，降低了磁悬浮实验装置的成本，扩大了其应用范围。本发明可用作与磁悬浮相关的物理实验和演示实验，可在高等学校、中学、科技馆等作为磁悬浮原理的实验和演示仪器。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是图3的B-B剖视图。

图6是本发明实施例2中磁体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本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1～5中，本实施例的钢球磁悬浮运动实验装置由磁体转动轴1、永久磁体2、限位圈3、上盖4、辅助钢球固定套5、支柱6、底座7、辅助钢球8、悬浮钢球9、磁体轴套10、中心轴11、中心轴套12联接构成。

在底座7上用螺纹紧固联接件固定联接有支柱6，本实施例的底座7为圆盘形结构，支柱6为圆筒形结构，支柱6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6上端安装有上盖4，本实施例的上盖4为圆盘形结构，上盖4为有机玻璃非导磁上盖4，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6上端外侧和上盖4的下表面用胶粘接有一圈辅助钢球8，辅助钢球8排列成圆环状，辅助钢球8的外部安装有辅助钢球固定套5，辅助钢球固定套5用于防止辅助钢球8掉落。辅助钢球固定套5的上端用胶与上盖4下表面粘接。上盖4的上表面用环氧树脂粘接有限位圈3，限位圈3的形状为圆形结构，中心轴11穿过上盖4的中心孔、下端安装在底座7上，中心轴11与上盖4之间、与底座7之间安装有中心轴套12。

磁体转动轴1的一端安装在中心轴11的上端，磁体转动轴1的另一端安装在永久磁体2的中心位置，磁体转动轴1与永久磁体2之间安装有磁体轴套10，永久磁体2位于辅助钢球8的上方。本实施例的永久磁体2的形状为圆盘形结构，也可加工成圆环形结构。永久磁体2可沿着上盖4上表面转动并围绕磁体转动轴1旋转或平动，永久磁体2和磁体转动轴1也可一起围绕中心轴11作旋转运动或平移运动。永久磁体2在上盖4上围绕中心轴11转动时，限位圈3限制永久磁体2沿径向向中心位置移动，限位圈3保证永久磁体2刚好处在辅助钢球8的上方，永久磁体2下方的排列成圆环形辅助钢球8产生的吸引力，使得永久磁体2不会偏离限位圈3。在永久磁体2和辅助钢球8的下方悬浮1个悬浮钢球9，悬浮钢球9与辅助钢球8下表面之间保持有距离。本实施例的悬浮钢球9和辅助钢球8为实心钢球，也可采用空心钢球，也可采用实心铁球，还可采用空心铁球。永久磁体2在上盖4上围绕中心轴11转动或滑动时，悬浮钢球9在稳定悬浮的情况下随着永久磁体2的运动与永久磁体2等速同步围绕中心轴11作圆周运动，实现室温下的磁悬浮运动。由于永久磁体2的下方安装有排列成圆环状的辅助钢球8，辅助钢球8之间呈现凹凸分布状态，导致辅助钢球8下方磁场分布呈周期性变化。当悬浮钢球9位于辅助钢球8正下方时，悬浮钢球9与辅助钢球8下表面之间的间距较大；当悬浮钢球9位于两个辅助钢球8间隙正下方时，悬浮钢球9与辅助钢球8下表面之间的间距较小，使得悬浮钢球9在悬浮的情况下随着永久磁体2的运动作波浪式圆周运动，并绕其中心轴11自转运动。

实施例2

在图6中，本实施例的磁体为电磁铁，电磁铁由绕组骨架14、绕组13、铁芯15联接构成。在绕组骨架14上装有绕组13，绕组骨架14内安装有铁芯15，铁芯15的中心加工有中心孔，用于安装磁体转动轴1。绕组13与电源接通后，电磁铁将产生磁场，电磁铁在上盖4上围绕中心轴11转动或滑动时，悬浮钢球9在稳定悬浮的情况下随着电磁铁的运动与电动磁铁等速同步围绕中心轴11作圆周运动，实现室温下的磁悬浮运动。当通入绕组13的电流变化时，悬浮钢球9的距离也会随之变化。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

在以上的实施例1、2中，支柱6的横截面、限位圈3的底面、上盖4的形状为椭圆形。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：在底座(7)上设置有支柱(6)，支柱(6)上端外侧设置有辅助钢球固定套(5)以及位于辅助钢球固定套(5)与支柱(6)外表面之间的辅助钢球(8)，辅助钢球固定套(5)、支柱(6)以及辅助钢球(8)的上端面设置有上表面与限位圈(3)联接的上盖(4)，穿过上盖(4)的中心轴(11)的一端设置在底座(7)上，中心轴(11)与上盖(4)、与底座(7)之间设置有中心轴套(12)，磁体转动轴(1)的一端设置在中心轴(11)上、另一端设置在磁体上，磁体转动轴(1)与磁体之间设置有磁体轴套(10)，在磁体和辅助钢球(8)的下方悬浮1个悬浮钢球(9)，悬浮钢球(9)与辅助钢球(8)之间保持有距离。

2.按照权利要求1所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的磁体为永久磁体(2)或电磁铁。

3.按照权利要求2所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的永久磁体(2)或电磁铁为圆盘形或圆环形结构。

4.按照权利要求1所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的上盖(4)为非导磁上盖；所说的支柱(6)为非导磁筒形支柱。

5.按照权利要求1或4所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的支柱(6)的横截面与限位圈(3)的底面和上盖(4)的形状相似。

6.按照权利要求1或4所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的支柱(6)的横截面外形和限位圈(3)的底面以及上盖(4)的形状为圆形或椭圆形。

7.按照权利要求5所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的支柱(6)的横截面外形和限位圈(3)的底面以及上盖(4)的形状为圆形或椭圆形。

8.按照权利要求1或4所述的钢球磁悬浮运动实验装置，其特征在于：所说的悬浮钢球(9)和辅助钢球(8)为实心钢球或空心钢球或实心铁球或空心铁球。

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