CN104867393B - 一种磁悬浮平衡梁实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮平衡梁实验装置，包括底座、左磁执行器、三角形支架、绝缘垫块、接触指示灯及电池组、非接触式位移传感器、右磁执行器、平衡梁、配重球、控制器及功率放大器。平衡梁为中心对称结构，在平衡梁底面的对称中心位置垂直于长度方向上加工有一支撑槽，三角形支架上部的尖角与平衡梁底面上的支撑槽配合；非接触式位移传感器及接触指示灯及电池组固定在三角形支架与磁执行器之间，指示灯的一端接在平衡梁上，另一端接在底座上。本发明实验装置结构简单、设计合理、灵活性大、装配方便，能够比较直观的演示平衡梁是否处于平衡状态，容易建立磁执行器的力学模型，能够进行多种简单和复杂的磁悬浮实验。

Description

一种磁悬浮平衡梁实验装置

技术领域

本发明属于磁悬浮实验技术领域，具体涉及一种磁悬浮平衡梁实验装置。

背景技术

近年来，磁悬浮技术在很多领域得到广泛的应用，是目前高速机械系统中最具发展前途的高新技术，高速磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮工作平台等都是基于这一原理。常见的磁悬浮技术主要包括主动电磁悬浮、永磁悬浮、超导悬浮，其中主动电磁悬浮和主动电磁-永磁混合磁悬浮最具工业应用价值。

无论是主动电磁悬浮系统还是主动电磁-永磁混合磁悬浮系统，都是一种典型的机电一体化系统，是机械工程、电气工程以及计算机控制的协调集成，涉及到机械、电磁学、电力电子、转子动力学、控制理论、测试技术和计算机科学等多个学科。主动磁悬浮系统及主动电磁-永磁混合磁悬浮系统虽然能够提供了一种无机械接触的支承方式，但是其本质上是不稳定的，必须对其特性进行控制，才可以达到系统稳定工作的目的。

主动电磁悬浮及主动-永磁混合磁悬浮系统是控制理论及机电一体化课程中一个非常有扩展性的实验装置。但是，目前主动电磁悬浮及主动电磁-永磁混合磁悬浮系统大多是以磁悬浮球模型，其存在的问题包括：由于球与磁极间的间隙是非均由的，建立磁悬浮系统的力学模型十分困难；由于结构的限制以及磁场的干扰，测量球与磁极间的间隙十分困难；系统的灵和性不大，不能够开展一些复杂的实验。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种磁悬浮平衡梁实验装置，结构简单、设计合理、灵活性大、装配方便、模型简单、直观，并能够进行多种磁悬浮实验。

一种磁悬浮平衡梁实验装置，包括：底座、平衡梁、三角形支架、配重球、非接触式位移传感器、指示灯、电池组、控制器、功率放大器和两个磁执行器；其中：所述的底座、平衡梁、磁执行器和三角形支架均为金属材质；

所述的平衡梁为中心对称结构，位于底座上方，平衡梁底面的对称中心位置处垂直于长度方向上加工有一支撑槽，所述的配重球安放于平衡梁上；

所述的三角形支架和非接触式位移传感器均固定于底座上，三角形支架顶部尖角与所述的支撑槽配合，非接触式位移传感器用于测量平衡梁的位移；

所述的指示灯一端通过电池组接于平衡梁上，另一端接于底座上，形成串联电路；所述的两个磁执行器分别对称固定于底座上三角形支架的两侧且通过电磁作用给平衡梁施加外力；所述的控制器与非接触式位移传感器连接，其用于根据非接触式位移传感器输出的位移信号计算出磁执行器驱动电流的大小作为控制器的输出；所述的功率放大器用于根据所述控制器的输出为磁执行器提供驱动电流。

进一步地，所述的三角形支架通过绝缘垫块固定于底座上，使得三角形支架与底座之间处于绝缘状态，平衡梁与底座之间可通过磁执行器形成一导电回路。

进一步地，所述的支撑槽的截面为三角形、半圆形或弧形。

进一步地，所述的磁执行器包括一组衔铁、定子和线圈；所述的衔铁安装于平衡梁的下面，所述的定子安装在与衔铁对应的底座上，所述的线圈绕置于定子上并接收功率放大器提供的驱动电流以使定子与衔铁磁化产生电磁力；两个磁执行器的衔铁分别对称位于支撑槽左右两侧。

进一步地，所述的磁执行器包括两组衔铁、定子和线圈；所述的两个衔铁分别安装于平衡梁某位置的上下面上，所述的两个与衔铁配合的定子通过支架安装在与衔铁对应的底座上，所述的两个线圈绕置于定子上并接收功率放大器提供的驱动电流以使定子与衔铁磁化产生电磁力；两个磁执行器的衔铁分别对称位于支撑槽左右两侧。

所述的磁执行器为由衔铁、定子和线圈组成的主动电磁结构或为由衔铁、定子、永磁体和线圈组成的主动电磁-永磁混合结构。

所述定子的截面为U形及E形。

所述的平衡梁顶面上平行于长度方向加工有与配重球匹配的配重滑道；所述配重滑道的长度小于平衡梁的长度，配重滑道的截面为三角形、四边形或圆形，配重球放置于配重滑道中，球的个数依据实验的难度进行选择。

所述的非接触式位移传感器可采用电涡流位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器及光学位移传感器等。

所述的控制器和功率放大器可采用模拟电路实现或采用数字电路实现。

本发明通过调整配重球大小、位置和多少来增大磁悬浮平衡梁实验的难度，中心对称的平衡梁在水平位置是一个稳定的平衡点，但当在平衡梁上面的配重滑道中放置若干个平衡球后，这个位置就是一个不稳定的平衡点；为了使平衡梁仍然保持在水平平衡位置，就需要对作用在平衡梁上的悬浮力进行在线控制，使平衡梁动态地保持在水平平衡位置。当平衡梁处于非水平平衡位置时，底座与金属平衡梁之间的磁执行器就处于接触状态，电路闭合，指示灯发亮；当平衡梁处于水平平衡位置时，底座与平衡梁之间的磁执行器处于非接触状态，电路断开，指示灯熄灭。

本发明除了通过观察指示灯是否发光来判断平衡梁是否处于水平平衡位置外，还可以通过观察平衡梁上面配重滑道中配重球是否处于给定的位置来判断平衡梁是否处于水平平衡位置。故本发明实验装置是一种结构简单、设计合理、灵活性大、装配方便、模型简单、直观，并能够进行多种的磁悬浮实验装置。

附图说明

图1为本发明磁悬浮平衡梁实验装置的剖面结构图(左图)及侧视结构图(右图)。

图2为本发明磁悬浮平衡梁实验装置的控制结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明磁悬浮平衡梁实验装置，包括底座1、左端磁执行器2、三角形支架3、绝缘垫块4、接触指示灯和电池组5、非接触式位移传感器6、右端磁执行器7、平衡梁8和配重球9。

本实施方式中，底座1、左端磁执行器2、三角形支架3、右端磁执行器7、平衡梁8的材料都是金属导体。

平衡梁8为中心对称结构，在平衡梁8底面的中部对称中心位置垂直于长度方向上加工一个三角形的支撑槽10，三角形支架上部的尖角11与平衡梁8中部的支撑槽10相配合，平衡梁中部支撑槽10的底角大于三角形支架上部尖角11的角度，使平衡梁8在三角形支架上部尖角11的支撑下能够在足够的范围内自由转动。

左端磁执行器2及右端磁执行器7分别对称地安装在平衡梁8底面支撑槽10的两边，用螺钉和底座1中的T型槽把三角形支架3的底部与绝缘垫块4以及绝缘垫块4与底座1固定在一起，三角形支架3与底座1之间处于绝缘状态，平衡梁8与底座1之间可通过磁执行器2或7形成一导电回路。

非接触式位移传感器6固定在三角形支架3与右端磁执行器7之间或三角形支架3与左端磁执行器2之间。

磁执行器2或7为由衔铁21或71、定子22或72、线圈23或73、接头24或74组成的单端主动电磁结构，或由衔铁21或71、定子22或72、线圈23或73、接头24或74及永磁体75组成的单端主动电磁-永磁混合结构。定子22或72的截面为U形及E形。

在底座1和金属平衡梁8之间设置了一个指示灯和电池组，指示灯的一端通过电池组接在平衡梁8上，另一端接在金属底座1上，形成串联电路。当平衡梁8处于非悬浮状态时，底座1与平衡梁8之间的磁执行器2或7就处于接触状态，电路闭合，指示灯5发亮；当平衡梁8处于悬浮状态时，底座1与平衡梁8之间的磁执行器2或7处于非接触状态，电路断开，指示灯5熄灭。

在平衡梁8的顶面平行于长度方向加工有与配重球9匹配的三角形的配重滑道12，配重滑道12的长度小于平衡梁8的长度，配重球9放在平衡梁三角形的配重滑道12中，配重球9的个数依据实验的难度进行选择。

如图2所示，本发明磁悬浮平衡梁实验系统，包括底座1、左端磁执行器2、三角形支架3、绝缘垫块4、接触指示灯和电池组5、非接触式位移传感器6、右端磁执行器7、平衡梁8、配重球9、控制器13及功率放大器14。虽然，中心对称的平衡梁8在水平位置是一个稳定的平衡点，但当在平衡梁的配重滑道12中放了平衡球后，这个位置就是一个不稳定的平衡点。为了使平衡梁仍然保持在水平平衡位置，就需要对作用在平衡梁上的力进行在线控制，使平衡梁动态地保持在水平平衡位置。实验中，先通过固定在三角形支架3与磁执行器7之间的位移传感器6测量出磁执行器2或7处衔铁与定子之间的距离，然后将检测到的位移信号输送给控制器13。控制器13按照一定的控制策略，计算出为使平衡梁处于水平位置需要在两端磁执行器2和7的线圈23和73中施加的电流大小，并产生实时的控制信号输送给功率放大器14。功率放大器14将控制器的控制信号转变为能够驱动线圈23和73的控制电流，线圈23和73中的控制电流使衔铁21和71和定子铁心22和72磁化，从而在衔铁21及71和定子铁心22及72之间产生所需的电磁力，使平衡梁8动态地保持在水平平衡位置。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于，包括：底座、平衡梁、三角形支架、配重球、非接触式位移传感器、指示灯、电池组、控制器、功率放大器和两个磁执行器；其中：所述的底座、平衡梁、磁执行器和三角形支架均为金属材质；

所述的平衡梁为中心对称结构，位于底座上方，平衡梁底面的对称中心位置处垂直于长度方向上加工有一支撑槽，所述的配重球安放于平衡梁上；

所述的三角形支架和非接触式位移传感器均固定于底座上，三角形支架顶部尖角与所述的支撑槽配合，非接触式位移传感器用于测量平衡梁的位移；

所述的指示灯一端通过电池组接于平衡梁上，另一端接于底座上，形成串联电路；所述的两个磁执行器分别对称固定于底座上三角形支架的两侧且通过电磁作用给平衡梁施加外力；所述的控制器与非接触式位移传感器连接，其用于根据非接触式位移传感器输出的位移信号计算出磁执行器驱动电流的大小作为控制器的输出；所述的功率放大器根据所述控制器的输出为磁执行器提供驱动电流；

所述的三角形支架通过绝缘垫块固定于底座上，三角形支架与底座之间处于绝缘状态；所述的支撑槽的截面为三角形或弧形；

所述的非接触式位移传感器采用电涡流位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器或光学位移传感器。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于：所述的磁执行器包括一组衔铁、定子和线圈；所述的衔铁安装于平衡梁的下面，所述的定子安装在与衔铁对应的底座上，所述的线圈绕置于定子上并接收功率放大器提供的驱动电流以使定子与衔铁磁化产生电磁力；两个磁执行器的衔铁分别对称位于支撑槽左右两侧。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于：所述的磁执行器包括两组衔铁、定子和线圈；所述的两个衔铁分别安装于平衡梁的上下面上，所述的两个与衔铁配合的定子通过支架安装在与衔铁对应的底座上，所述的两个线圈绕置于定子上并接收功率放大器提供的驱动电流以使定子与衔铁磁化产生电磁力；两个磁执行器的衔铁分别对称位于支撑槽左右两侧。

4.根据权利要求2或3所述的磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于：所述的磁执行器为由衔铁、定子和线圈组成的主动电磁结构或为由衔铁、定子、永磁体和线圈组成的主动电磁-永磁混合结构。

5.根据权利要求2或3所述的磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于：所述定子的截面为U形或E形。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮平衡梁实验装置，其特征在于：所述的平衡梁顶面上平行于长度方向加工有与配重球匹配的配重滑道。