CN111081124A - 一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，包括模型小车、永磁轨道、位移传感器、单片机、电源和驱动线圈，模型小车放置在永磁轨道上，模型小车包括外壳和保温内壳，外壳内部四个角设有车载永磁铁，外壳上设有液氮灌液口和液氮出气口，液氮灌液口和液氮出气口与保温内壳相连通，保温内壳底部设有高温超导块材，位移传感器设置在驱动线圈上端中部，驱动线圈底面固定在永磁轨道上，电源分别与位移传感器、单片机和驱动线圈电性连接，位移传感器用于检测模型小车的通过或离去，单片机用于控制驱动线圈通电/断电，位移传感器和单片机相连。本发明具有曲线通过性能高、成本低和加速减速稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统。
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，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。1922年，德国赫尔曼·肯佩尔提出的电磁悬浮原理使得在过去三四十年来，磁悬浮技术无论是车辆性能还是运行控制技术，技术层面的多数难题都已经得到解决，研制的不少设备达到了最初设想的技术水平。
超导技术的发展以及设备制造工艺和系统建设水平的提高，使磁悬浮技术的应用能力得到了更快的提升。按照线圈导体属性，磁悬浮技术可分为常导型和超导型；按照悬浮原理磁悬浮技术可分为电磁悬浮系统(EMS)和电动悬浮系统(EDS)。从原理上，磁悬浮技术可分为/常导+EMS0(常导磁吸型)和/超导+EDS0(超导磁斥型)两种主要模式。德国的TR技术采用/常导+EMS0，而日本的ML技术采用/超导+EDS0，他们分别代表了目前国际上两种比较接近实用水平的磁悬浮运输技术
倒挂磁悬浮演示系统就是利用了高温超导的原理，传统的倒挂磁悬浮演示系统是将超导块固定在小车模型里，给超导块用液氮降温，当达到超导状态后，小车钉扎在永磁轨道上，形成一种既可以悬浮又可以悬挂的稳定状态。现有技术是通过直线电机进行驱动，具体是将一块铝板固定于高温超导磁悬浮小模型的上方，之后将直线电机固定于永磁轨道上方，模型可以在直线电机与永磁轨道中间通过，每次通过时在直线电机行波磁场的作用下，铝板上感应出涡流，从而产生一定的驱动力，驱动载有铝板的小车前进。
现有的直线电机驱动技术驱动力较小，并且在驱动过程中模型车体会发生抖动的现象影响模型的展示效果，直线电机的驱动控制虽然已经成熟，但是一般用于大型设备，驱动控制系统复杂，而且价格非常昂贵。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：包括模型小车、永磁轨道、位移传感器、单片机、电源和驱动线圈，所述模型小车放置在永磁轨道上，所述模型小车包括外壳和设置在外壳内部的保温内壳，所述外壳内部的四个角设置有容纳槽，所述容纳槽中设置有车载永磁铁，所述外壳上设置有液氮灌液口和液氮出气口，所述液氮灌液口和液氮出气口与保温内壳相连通，所述保温内壳底部设置有高温超导块材，所述位移传感器设置在驱动线圈上端中部，所述驱动线圈底面固定在永磁轨道上，所述电源分别与位移传感器、单片机和驱动线圈电性连接，所述位移传感器用于检测模型小车的通过或离去，所述单片机用于控制驱动线圈通电/断电，所述位移传感器和单片机相连。
优选的，所述车载永磁铁排布方式采用N极朝向模型小车外部。
优选的，所述保温内壳底部设置有两块高温超导块材。
优选的，所述驱动线圈采用直径为1mm的漆包线缠绕制成截面为矩形的螺线管。
优选的，所述驱动线圈的长度与模型小车的长度相同。
优选的，所述外壳采用PLA材料，且采用3D打印技术制成。
优选的，所述保温内壳采用保温泡沫材质。
优选的，所述永磁轨道采用钕铁硼材质。
优选的，所述保温内壳与外壳采用过盈配合。
本技术方案的有益效果如下：
一、本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，使用时将液氮从液氮灌液口倒入保温内壳中，模型小车中高温超导块材位于永磁轨道上方，由于钉扎力的存在，模型小车与永磁导轨之间距离越小，力越大，小车模型的重力会有使高温超导块材与永磁之间距离减小的趋势，使得小车模型可以稳定的悬浮在永磁轨道上方，驱动线圈与车载永磁铁的相互作用实现非接触式驱动方式，通过将驱动线圈固定在永磁轨道处，将车载永磁铁固定于模型小车的四个角，车身两侧安放磁极遵循NSSN的原则，当模型小车经过驱动线圈特定位置时，驱动线圈通入电流，与车载永磁铁一端产生吸力，另一端产生斥力，从而利用产生的能量实现对模型小车的驱动，位移传感器与单片机相连，信号传送是通过检测驱动线圈中间位置是否有车存在，如果有反馈到单片机上，单片机为螺线管供电，反之则不用断电，模型小车在预设的位置进行自动加速或减速，系统提供了加速与减速的两种工作模式可供选择，实现列车的位置检测、自驱动、自制动；设置在保温内壳底部的两块高温超导块材，提高了模型小车的曲线通过性能以及加速减速时的稳定性。本发明具有曲线通过性能高、成本低和加速减速稳定性好等优点。
二、本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，由于永磁轨道有限，所以设置了双块材的排布方式，通过对比单块材与双块材的运行情况可以得出，双块材无论是在通过曲线时还是在驱动过程中，稳定性均优于单块材模型，因此保温内壳底部设置有两块高温超导块材。
三、本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，液氮灌液口和液氮出气口直径为5mm，外壳前方的为液氮灌液口，用于将液氮倒入保温内壳中，进行高温超导块材的冷却，后方的为液氮出气口，用于在灌液过程中液氮发生气化，避免氮气从灌液口冒出造成液氮无法进入。
四、本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，保温内壳与外壳采用过盈配合的配合方式，当温度降低时，外壳有一定的收缩，会夹紧保温内科，保证运行过程的稳定。
五、本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，当检测到模型小车通过下方时(此时模型小车的一半处于驱动线圈中)，通过单片机的作用，在驱动线圈中通入适当的电流，使驱动线圈产生磁场，磁场对于前端的车载永磁体表现为斥力，对后方的车载永磁铁表现为吸力，从而使小车获得较大的驱动力，当位移传感器检测到模型小车身尾部通过时，通过单片机实现断电，完成一圈的加速。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明模型小车的结构示意图；
图3是本发明保温内壳的结构示意图；
图中：1、模型小车；1.1、外壳；1.2、保温内壳；1.3、车载永磁铁；1.4、液氮灌液口；1.5、液氮出气口；1.6、高温超导块材；2、永磁轨道；3、位移传感器；4、驱动线圈。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本发明一种最基本的实施方案，本实施例公开了一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，如图1—图3所示，包括模型小车1、永磁轨道2、位移传感器3、单片机、电源和驱动线圈4，所述模型小车1放置在永磁轨道2上，所述模型小车1包括外壳1.1和设置在外壳1.1内部的保温内壳1.2，所述外壳1.1内部的四个角设置有容纳槽，所述容纳槽中设置有车载永磁铁1.3，所述外壳1.1上设置有液氮灌液口1.4和液氮出气口1.5，所述液氮灌液口1.4和液氮出气口1.5与保温内壳1.2相连通，所述保温内壳1.2底部设置有高温超导块材1.6，所述位移传感器3设置在驱动线圈4上端中部，所述驱动线圈4底面固定在永磁轨道2上，所述电源分别与位移传感器3、单片机和驱动线圈4电性连接，所述位移传感器3用于检测模型小车1的通过或离去，所述单片机用于控制驱动线圈4通电/断电，所述位移传感器3和单片机相连。
本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，使用时将液氮从液氮灌液口1.4倒入保温内壳1.2中，模型小车1中高温超导块材1.6位于永磁轨道2上方，由于斥力的存在，模型小车1与永磁导轨之间距离越小，力越大，小车模型的重力会有使高温超导块材1.6与永磁之间距离减小的趋势，使得小车模型可以稳定的悬浮在永磁轨道2上方，驱动线圈4与车载永磁铁1.3的相互作用实现非接触式驱动方式，通过将驱动线圈4固定在永磁轨道2处，将车载永磁铁1.3固定于模型小车1的四个角，车身两侧安放磁极遵循NSSN的原则，当模型小车1经过驱动线圈4特定位置时，驱动线圈4通入电流，与车载永磁铁1.3一端产生吸力，另一端产生斥力，从而利用产生的能量实现对模型小车1的驱动，位移传感器3与单片机相连，信号传送是通过检测驱动线圈4中间位置是否有车存在，如果有反馈到单片机上，单片机为螺线管供电，反之则不用断电，模型小车1在预设的位置进行自动加速或减速，系统提供了加速与减速的两种工作模式可供选择，实现列车的位置检测、自驱动、自制动；模型小车1内部四角设置的车载永磁铁1.3和设置在保温内壳1.2底部的高温超导块材1.6，提高了模型小车1的曲线通过性能以及加速减速时的稳定性。本发明具有曲线通过性能高、成本低和加速减速稳定性好等优点。
实施例2
作为本发明一种优选的实施方案，本实施例公开了一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，如图1—图3所示，包括模型小车1、永磁轨道2、位移传感器3、单片机、电源和驱动线圈4，所述模型小车1放置在永磁轨道2上，所述模型小车1包括外壳1.1和设置在外壳1.1内部的保温内壳1.2，所述外壳1.1内部的四个角设置有容纳槽，所述容纳槽中设置有车载永磁铁1.3，所述外壳1.1上设置有液氮灌液口1.4和液氮出气口1.5，所述液氮灌液口1.4和液氮出气口1.5与保温内壳1.2相连通，所述保温内壳1.2底部设置有高温超导块材1.6，所述位移传感器3设置在驱动线圈4上端中部，所述驱动线圈4底面固定在永磁轨道2上，所述电源分别与位移传感器3、单片机和驱动线圈4电性连接，所述位移传感器3用于检测模型小车1的通过或离去，所述单片机用于控制驱动线圈4通电/断电，所述位移传感器3和单片机相连。
优选的，所述车载永磁铁1.3排布方式采用N极朝向模型小车1外部。
优选的，所述保温内壳1.2底部设置有两块高温超导块材1.6。
优选的，所述驱动线圈4采用直径为1mm的漆包线缠绕制成截面为矩形的螺线管。
优选的，所述驱动线圈4的长度与模型小车1的长度相同。
优选的，所述外壳1.1采用PLA材料，且采用3D打印技术制成。
优选的，所述保温内壳1.2采用保温泡沫材质。
优选的，所述永磁轨道2采用钕铁硼材质。
优选的，所述保温内壳1.2与外壳1.1采用过盈配合。
本发明提供的一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，使用时将液氮从液氮灌液口1.4倒入保温内壳1.2中，模型小车1中高温超导块材1.6位于永磁轨道2上方，由于斥力的存在，模型小车1与永磁导轨之间距离越小，力越大，小车模型的重力会有使高温超导块材1.6与永磁之间距离减小的趋势，使得小车模型可以稳定的悬浮在永磁轨道2上方，驱动线圈4与车载永磁铁1.3的相互作用实现非接触式驱动方式，通过将驱动线圈4固定在永磁轨道2处，将车载永磁铁1.3固定于模型小车1的四个角，车身两侧安放磁极遵循NSSN的原则，当模型小车1经过驱动线圈4特定位置时，驱动线圈4通入电流，与车载永磁铁1.3一端产生吸力，另一端产生斥力，从而利用产生的能量实现对模型小车1的驱动，位移传感器3与单片机相连，信号传送是通过检测驱动线圈4中间位置是否有车存在，如果有反馈到单片机上，单片机为螺线管供电，反之则不用断电，模型小车1在预设的位置进行自动加速或减速，系统提供了加速与减速的两种工作模式可供选择，实现列车的位置检测、自驱动、自制动；模型小车1内部四角设置的车载永磁铁1.3和设置在保温内壳1.2底部的高温超导块材1.6，提高了模型小车1的曲线通过性能以及加速减速时的稳定性。本发明具有曲线通过性能高、成本低和加速减速稳定性好等优点。
由于永磁轨道2有限，所以设置了双块材的排布方式，通过对比单块材与双块材的运行情况可以得出，双块材无论是在通过曲线时还是在驱动过程中，稳定性均优于单块材模型，因此保温内壳1.2底部设置有两块高温超导块材1.6。液氮灌液口1.4和液氮出气口1.5直径为5mm，外壳1.1前方的为液氮灌液口1.4，用于将液氮倒入保温内壳1.2中，进行高温超导块材1.6的冷却，后方的为液氮出气口1.5，用于在灌液过程中液氮发生气化，避免氮气从灌液口冒出造成液氮无法进入。保温内壳1.2与外壳1.1采用过盈配合的配合方式，当温度降低时，外壳1.1有一定的收缩，会夹紧保温内壳，保证运行过程的稳定。当检测到模型小车1通过下方时(此时模型小车1的一半处于驱动线圈4中)，通过单片机的作用，在驱动线圈4中通入适当的电流，使驱动线圈4产生磁场，磁场对于前端的车载永磁体表现为斥力，对后方的车载永磁铁1.3表现为吸力，从而使小车获得较大的驱动力，当位移传感器3检测到模型小车1身尾部通过时，通过单片机实现断电，完成一圈的加速。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：包括模型小车(1)、永磁轨道(2)、位移传感器(3)、单片机、电源和驱动线圈(4)，所述模型小车(1)放置在永磁轨道(2)上，所述模型小车(1)包括外壳(1.1)和设置在外壳(1.1)内部的保温内壳(1.2)，所述外壳(1.1)内部的四个角设置车载永磁铁(1.3)，所述外壳(1.1)上设置有液氮灌液口(1.4)和液氮出气口(1.5)，所述液氮灌液口(1.4)和液氮出气口(1.5)与保温内壳(1.2)相连通，所述保温内壳(1.2)底部设置有高温超导块材(1.6)，所述位移传感器(3)设置在驱动线圈(4)上端中部，所述驱动线圈(4)底面固定在永磁轨道(2)上，所述电源分别与位移传感器(3)、单片机和驱动线圈(4)电性连接，所述位移传感器(3)用于检测模型小车(1)的通过或离去，所述单片机用于控制驱动线圈(4)通电/断电，所述位移传感器(3)和单片机相连。
2.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述车载永磁铁(1.3)排布方式采用N极朝向模型小车(1)外部。
3.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述保温内壳(1.2)底部设置有两块高温超导块材(1.6)。
4.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述驱动线圈(4)采用直径为1mm的漆包线缠绕制成截面为矩形的螺线管。
5.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述驱动线圈(4)的长度与模型小车(1)的长度相同。
6.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述外壳(1.1)采用PLA材料，且采用3D打印技术制成。
7.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述保温内壳(1.2)采用保温泡沫材质。
8.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述永磁轨道(2)采用钕铁硼材质。
9.如权利要求1所述的基于高温超导磁悬浮演示模型的驱动系统，其特征在于：所述保温内壳(1.2)与外壳(1.1)采用过盈配合。
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|---|---|---|---|---|
| CN115389232A (zh) * | 2022-10-27 | 2022-11-25 | 西南交通大学 | 一种真空管道高温超导磁悬浮高速试验平台及其试验方法 |
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- 2020-01-07 CN CN202010013852.XA patent/CN111081124A/zh active Pending
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