CN103489358B - 磁悬浮实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮实验装置。在该磁悬浮实验装置中，传感器部件与固定板相对平行设置，第一电磁铁和第二电磁铁的第一端均固定在固定板上，第一电磁铁和第二电磁铁布置在所述传感器部件与固定板之间，控制部件与第一电磁铁和第二电磁铁分别电连接，用于接收控制信号并根据该控制信号分别调节第一电磁铁和所述第二电磁铁的磁力，以保持所述被测悬浮部件在空间内悬浮；被测悬浮部件上设置有第一磁性悬浮部和第二磁性悬浮部，第一磁性悬浮部的位置与第一电磁铁第二端的位置相对应，第二磁性悬浮部的位置与第二电磁铁第二端的位置相对应；传感器部件用于测量被测悬浮部件的悬浮姿态。从而对电磁铁的磁力进行反馈控制，以完成磁悬浮实验。

Description

磁悬浮实验装置

技术领域

本发明涉及科研实验装置领域，具体而言，涉及一种磁悬浮实验装置。

背景技术

磁悬浮技术起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。近年来，磁悬浮技术在很多领域得到广泛的应用，如磁悬浮列车、主动控制磁悬浮轴承、磁悬挂天平、磁悬浮小型传输设备、磁悬浮测量仪器、磁悬浮机器人手腕、磁悬浮教学系统等。

基于以上磁悬浮技术的广阔应用前景，在我国现有的研究方法主要从理论上进行研究，在此基础上进行仿真实验，为磁悬浮技术提供理论依据。但是在现有科研机构和大中院校中，缺乏针对磁悬浮技术的实验装置，因此无法满足磁悬浮实验的要求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的磁悬浮实验装置。

本发明提供的磁悬浮实验装置包括：固定板、传感器部件、柱状的第一电磁铁和第二电磁铁、控制部件、以及被测悬浮部件，其中，第一电磁铁和所述第二电磁铁的第一端均固定在固定板上，第一电磁铁和所述第二电磁铁布置在所述传感器部件与固定板之间，传感器部件与固定板相对平行设置，用于测量被测悬浮部件的悬浮姿态并转换为反馈信号；控制部件与第一电磁铁、第二电磁铁、以及传感器部件分别电连接，用于接收反馈信号，并根据该反馈信号分别调节第一电磁铁和第二电磁铁的磁力，以保持被测悬浮部件在空间内悬浮；被测悬浮部件上设置有第一磁性悬浮部和第二磁性悬浮部，第一磁性悬浮部的位置与第一电磁铁第二端的位置相对应，第二磁性悬浮部的位置与第二电磁铁第二端的位置相对应。

进一步地，被测悬浮部件包括圆筒状主体，第一磁性悬浮部和第二磁性悬浮部分别包括一个套设在圆筒状主体外周的铁磁性材料圆环。

进一步地，传感器部件中包括第一涡流传感器和第二涡流传感器，其中，第一涡流传感器用于测量第一磁性悬浮部至第一涡流传感器的距离，第二涡流传感器用于测量第二磁性悬浮部至第二涡流传感器的距离。

进一步地，第一电磁铁的第一端和第二电磁铁的第一端在固定板上通过方钢连接。

进一步地，本发明提供的磁悬浮实验装置还包括底座箱体，控制部件布置在底座箱体内。

进一步地，底座箱体上表面设置有支架，固定板通过支架固定在底座箱体上方，传感器部件设置在底座箱体的上表面上，支架的高度大于电磁铁的长度、传感器部件的高度、被测悬浮部件直径三者之和。

进一步地，上述支架包括多根长度一致的支撑管，控制部件与第一电磁铁连接的电线，以及控制部件与第二电磁铁连接的电线从支撑管中穿过。

进一步地，底座箱体的侧面上设置有调节旋钮，该调节旋钮与控制部件电连接，用于根据用户的操作生成调节第一电磁铁和第二电磁铁磁力的控制目标信号。

进一步地，底座箱体内部还设置有电源模块，底座箱体上设置有电源接口，电源模块通过电源接口与外部电源连接，该电源模块用于向磁悬浮实验装置供电。

进一步地，底座箱体的底部固定多个轮子。

应用本发明的技术方案，使用两个电磁铁产生磁力，吸引被测悬浮部件，使被测悬浮部件克服重力，在空间内维持悬浮状态，利用传感器部件的距离测量值作为反馈，对电磁铁的磁力进行反馈控制，完成磁悬浮实验。利用两点分别进行控制，使被测悬浮部件以一定的俯仰角度的姿态悬浮，不仅可以完成针对被测悬浮部件的升降控制，还可以进行俯仰角度控制，完成多种悬浮姿态的实验。

另外，通过将控制部件布置在底座箱体，并将整个装置架设在底座箱体上，简化了本发明的磁悬浮实验装置的结构，并且通过底座箱体的底部固定多个轮子，适于在移动的状况下进行实验，为在复杂环境下的实验提供了条件。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的结构图；

图2是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的被测悬浮部件的示意图；

图3是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的传感器部件的内部示意图；

图4是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的立体示意图；

图5是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的正视图；以及

图6是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的后视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种磁悬浮实验装置，通过两个电磁铁产生磁力，以保证具有一定长度的悬浮部件在空间中悬浮，利用检测被测悬浮部件的位置作为反馈信号，通过调节电磁铁的磁力改变被测悬浮部件的悬浮姿态，以实现对磁悬浮技术的实验。

图1是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的结构图，其中，该磁悬浮实验装置包括：固定板11、传感器部件21、柱状的第一电磁铁31和第二电磁铁32、控制部件41、被测悬浮部件51，其中，第一电磁铁31和第二电磁铁32的长度一致。传感器部件21与固定板11相对平行设置，用于测量被测悬浮部件51的悬浮姿态并转换为反馈信号，第一电磁铁31和第二电磁铁32的第一端均固定在固定板11上，并且第一电磁铁31和第二电磁铁32布置在传感器部件21与固定板11之间，第一电磁铁31和第二电磁铁32的第二端向下设置，控制部件41与第一电磁铁31、第二电磁铁32、传感器部件21分别电连接，用于接收反馈信号并根据该反馈信号分别调节第一电磁铁31和第二电磁铁32的磁力，以保持被测悬浮部件51在空间内悬浮；被测悬浮部件51上设置有第一磁性悬浮部511和第二磁性悬浮部512，进行悬浮实验时，第一磁性悬浮部511的位置与第一电磁铁31第二端的位置相对应，第二磁性悬浮部512的位置与第二电磁铁32第二端的位置相对应。

控制部件41可以采用多种控制模式进行控制，将传感器部件21测量得到的位置信号作为调节磁力的反馈信号，通过分别改变第一电磁铁31和第二电磁铁32的励磁电流，调节第一磁性悬浮部511和第二磁性悬浮部512产生的电磁力，使克服被测悬浮部件51自身的重力在空间中悬浮，由传感器部件21测量被测悬浮部件51的悬浮姿态，具体的控制方案可根据需要设计实验方案进行实验。

电磁铁磁力的大小与励磁电流的大小直接相关，在本发明的磁悬浮实验装置中无需对励磁电流进行测量，而直接利用传感器部件测量的位置信号作为磁力的反馈信号，避免了电流测量的误差影响控制结果。

采用本实施例的磁悬浮实验装置进行实验时，被测悬浮部件51悬浮在第一电磁铁31和第二电磁铁32的下方，被测悬浮部件51距离电磁铁的间隙增大时，此时需要增大磁力，被测悬浮部件51距离电磁铁的间隙减小时，此时需要减小磁力，这样通过传感器部件21的测量的间隙值作为反馈，可以实现磁力的反馈控制，从而完成悬浮实验过程。而且利用两点分别进行控制，被测悬浮部件51以一定的俯仰角度悬浮在空间内，从而不仅可以完成被测悬浮部件51进行升降，还可以改变被测悬浮部件的俯仰角度，在空间内实现转动的效果，同时调节两点，可实现沿水平方向的升降平动和相对于水平轴转动的功能。

由于被测悬浮部件51上设置有位置与电磁铁位置对应的磁性悬浮部，所以被测悬浮部件51需要具有一定的长度，另外考虑到部件的重量，一般可以选择使用管状、棒状、条状结构，例如方管，三角柱形管，圆筒等。图2是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的被测悬浮部件51的示意图，如图所示，被测悬浮部件51的主体优选使用圆筒状结构，第一磁性悬浮部511和第二磁性悬浮部512分别为铁磁性材料圆环，组装方式可以为多种，例如直接套设在圆筒外周，直接嵌入圆筒对应位置的凹槽中，或者直接作为圆筒的一段。磁性部件一般选用与筒体不同的颜色，这样还可以作为位置标记。

图3是根据本发明实施例的磁悬浮实验装置的传感器部件21的内部示意图，传感器部件21中的测量部件可以选用各种间隙传感器，例如光传感器、涡流传感器、激光测距传感器等。间隙传感器通过非接触的方式测量被测悬浮部件51至第一电磁铁31的距离以及被测悬浮部件51至第二电磁铁32的距离，以上位移直接反映了被测悬浮部件51的悬浮姿态。

在本实施例中，传感器部件21中的测量部件优选使用涡流传感器，具体包括第一涡流传感器211和第二涡流传感器212，其中，第一涡流传感器211用于测量第一磁性悬浮部511至第一涡流传感器211的距离，第二涡流传感器212用于测量第二磁性悬浮部512至第二涡流传感器212的距离，以上第一涡流传感器211和第二涡流传感器212可以集中布置于一个传感器部件21外壳213内，其中，在进行实验的状态下，第一涡流传感器211的探头的位置和第二涡流传感器212探头的位置与第一磁性悬浮部511和第二磁性悬浮部512相对应。以上涡流传感器利用被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的磁通值也发生变化，磁通值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电信号，最终完成机械间隙转换成电信号。根据两个涡流传感器测量的数据可以直接计算出被测悬浮部件51的俯仰角度和距离电磁铁的距离等悬浮姿态。而且涡流传感器的抗干扰能力强，与光传感器等一般位移传感器相比，不会受到热源、光源、射频辐射的干扰，增加了实验装置的可靠性。

第一电磁铁31的第一端和第二电磁铁32的第一端可以采用螺钉的方式直接固定在固定板11上，在进行实验时，可以通过改变工作电流的方向保证第一电磁铁31的磁极性与第二电磁铁32的磁极性相反，可以有效提高电磁铁磁通的利用率，提高可承载的被测悬浮部件51的最大重量，为了进一步降低漏磁，第一电磁铁31的第一端和第二电磁铁32的第一端在固定板11上通过方钢连接，方钢为磁场提供了磁通路，大大降低了漏磁。

另外，第一磁性悬浮部511和第二磁性悬浮部512也可以利用铁磁材料在被测悬浮部件51的内部连接起来，同样可以为磁场提供通路，提高了磁场的利用率，进一步提高效率。

固定板11可以采用悬挂、支撑架的方式布置在一定高度的位置，第一电磁铁31和第二电磁铁32垂直向下，传感器部件21设置在第一电磁铁31和第二电磁铁32的下方，传感器部件21与电磁铁之间的空间属于被测悬浮部件51的悬浮空间。在进行实验时，控制部件41向电磁铁提供励磁电流，传感器部件21将测量到的位置实测值反馈给控制部件41。

为提高装置的一体性，便于实验装置的移动和布置，可对本实施例磁悬浮实验装置进一步优化，图4是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的立体示意图，该优化的磁悬浮实验装置还包括底座箱体61，在图中由于控制部件41布置在底座箱体61内，没有示出，底座箱体61上表面设置有支架71，固定板11通过支架71固定在底座箱体61上方，传感器部件21设置在底座箱体61的上表面上，支架71的高度大于电磁铁的长度、传感器部件21的高度、被测悬浮部件51直径三者之和。

以上支架71可以由多根长度一致的支撑管构建，控制部件41与第一电磁铁31连接的电线，以及控制部件41与第二电磁铁32连接的电线可以从支撑管中穿过。图4中示出了固定板11为四方形，四根支撑管分别支撑固定板11四个边角的情况，实际上固定板11的形状可以采用任意形状，如圆形、三角形、多边形等，支撑管的数量可以根据需要设置。

底座箱体61的侧面上可以根据需要分别设置不同的人机接口和电气接口，图5是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的正视图，底座箱体61的一个侧面上设置调节旋钮611、电流表612、模式选择开关613、电压表614、电源指示615，以上部件分别与底座箱体61内部的控制部件41电连接，其中，调节旋钮611用于接收用户的调节操作并向控制部件41发送控制信号，电流表612用于指示电源模块的负载电流的大小，工作电压表614用于指示电源模块的负载电压，模式选择开关613用于接收用户对实验模式的选择，电源指示615用于指示本实验装置是否已供电。

以上实验模式可以包括：手动模式、自动模式、远程模式，通过不同的模式向控制部件41输出控制目标信号，即设定被测悬浮部件51的目标悬浮姿态。其中手动模式为根据用户对调节旋钮611的操作改变被测悬浮部件51的位置信号以进行实验，自动模式为按照预先设定方式进行控制、远程模式根据接收的外部远程控制信号来改变的被测悬浮部件51的目标姿态。

底座箱体61内部除控制部件41之外，还可以设置有电源模块和风扇，电源用于向实验装置供电，风扇用于箱体内的散热。

图6是根据本发明实施例的优化的磁悬浮实验装置的后视图，如图，底座箱体61上还可以设置有电源接口和通风口620，通风口620的位置可以灵活地设置在箱体的后部或者两侧，用于将箱体内部的热量排出，防止电路过热。电源模块可以选择交直流输入的电源，在底座箱体61上设置有直流电源开关621、直流电源接口622，交流电源开关624、交流电源接口625，用于引入外部电源。信号接口626可以选择航空插头，用于接收外部的远程信号。保险丝623用于提高供电的可靠性，防止大电流烧毁装置。底座箱体61上的各个接口及开关等可以根据控制部件41的功能进行灵活设置。

此外可以在整个实验装置的底部，也就是底座箱体61的底部固定多个轮子，提高设备的移动性能。

利用这种优化的结构，整个装置结构简洁、使用更加方便，快捷。利用两点分别进行控制，被测悬浮部件51以一定的俯仰角度悬浮。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。而且上述第一、第二的使用不表示任何顺序。可将这些词语解释为类似部件的区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种磁悬浮实验装置，该磁悬浮实验装置包括：固定板(11)、传感器部件(21)、柱状的第一电磁铁(31)和第二电磁铁(32)、控制部件(41)、被测悬浮部件(51)，其中，

所述第一电磁铁(31)和所述第二电磁铁(32)的第一端均固定在所述固定板(11)上，所述第一电磁铁(31)和所述第二电磁铁(32)布置在所述传感器部件(21)与所述固定板(11)之间，所述第一电磁铁(31)和所述第二电磁铁(32)的长度一致；

所述传感器部件(21)与所述固定板(11)相对平行设置，用于测量被测悬浮部件(51)的悬浮姿态并转换为反馈信号；

所述控制部件(41)与所述第一电磁铁(31)、所述第二电磁铁(32)、以及所述传感器部件(21)分别电连接，用于接收所述反馈信号，并根据该反馈信号分别调节所述第一电磁铁(31)和所述第二电磁铁(32)的磁力，以保持所述被测悬浮部件(51)在空间内悬浮；

所述被测悬浮部件(51)上设置有第一磁性悬浮部(511)和第二磁性悬浮部(512)，所述第一磁性悬浮部(511)的位置与所述第一电磁铁(31)第二端的位置相对应，所述第二磁性悬浮部(512)的位置与所述第二电磁铁(32)第二端的位置相对应；

底座箱体(61)，所述控制部件(41)布置在所述底座箱体(61)内，并且

所述底座箱体(61)上表面设置有支架(71)，所述固定板(11)通过所述支架(71)固定在所述底座箱体(61)上方，所述传感器部件(21)设置在所述底座箱体(61)的上表面上，所述支架(71)的高度大于所述第一电磁铁(31)或所述第二电磁铁(32)的长度、所述传感器部件(21)的高度、所述被测悬浮部件(51)直径三者之和。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述被测悬浮部件(51)包括圆筒状主体，所述第一磁性悬浮部(511)和所述第二磁性悬浮部(512)分别包括一个套设在所述圆筒状主体外周的铁磁性材料圆环。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮实验装置，其中，所述传感器部件(21)中包括第一涡流传感器(211)和第二涡流传感器(212)，其中，所述第一涡流传感器(211)用于测量所述第一磁性悬浮部(511)至所述第一涡流传感器(211)的距离，所述第二涡流传感器(212)用于测量所述第二磁性悬浮部(512)至所述第二涡流传感器(212)的距离。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述第一电磁铁(31)的第一端和所述第二电磁铁(32)的第一端在所述固定板(11)上通过方钢连接。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述支架(71)包括多根长度一致的支撑管，所述控制部件(41)与所述第一电磁铁(31)连接的电线，以及所述控制部件(41)与所述第二电磁铁(32)连接的电线从所述支撑管中穿过。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述底座箱体(61)的侧面上设置有调节旋钮(611)，该调节旋钮(611)与所述控制部件(41)电连接，用于根据用户的操作生成调节所述第一电磁铁(31)和所述第二电磁铁(32)磁力的控制目标信号。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述底座箱体(61)内部还设置有电源模块，所述底座箱体(61)上设置有电源接口，其中，所述电源模块通过所述电源接口与外部电源连接，该电源模块用于向所述磁悬浮实验装置供电。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮实验装置，其中，所述底座箱体(61)的底部固定多个轮子。