CN112382176A - 一种磁悬浮驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁悬浮驱动装置及方法，属于磁悬浮驱动技术领域。该装置包括被驱动模块、轨道和电源，其中轨道由底板、左侧板和右侧板组成，呈U型，轨道底板上设置线圈，底板底部设置两个橡胶磁条；被驱动模块为能够进入轨道的方形，方形上部沿运动方向设置两条长方形强磁片，两条长方形强磁片中间设置圆形强磁片，方形底部在靠近四角位置设置两个宽度补偿片和两个电刷，两个宽度补偿片和两个电刷均呈对角分布。该装置使用时，用永磁体互斥使被驱动模块在轨道上悬浮；同时在轨道上排列有线圈，与被驱动模块中心安装的强磁片配合实现电磁驱动。本发明能够有效简化驱动单元，以简单的方式实现磁悬驱动。

Description

一种磁悬浮驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮驱动技术领域，特别是指一种磁悬浮驱动装置及方法。
背景技术
由于磁悬浮驱动需要用到交替磁场，而实现交替磁场的一般思路往往要用到复杂的控制电路，这在磁悬浮驱动模型上难以实现，因此现有的磁悬浮驱动装置模型十分缺乏。
目前市场上现有的磁悬浮装置，如磁悬浮小车玩具或教学设备等多为电机与程序交互控制，提高了观赏效果但其中蕴含了复杂的编程和驱动原理，导致其难以用于物理原理的展示与教学，且制作价格昂贵。
专利201911148600.1提供一种用于磁悬浮列车模型演示与测试的装置，但是其无法电磁驱动，与磁悬浮列车的物理模型有所差异。且需要用到传感器等复杂电子元件。
专利201280060119.7提供一种磁悬浮铁路的驱动装置，其驱动单元为直线电机。而直线电机典型的绕组为三相，需要用到霍尔元件换相，且直线电机内部紧凑，工艺要求高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮驱动装置及方法，能够避免复杂的程序控制即可实现磁场的实时变换，以解决上述背景技术中提出的问题。
该装置包括被驱动模块、轨道和电源，其中轨道为由底板、左侧板和右侧板组成的U型，轨道底板上设置线圈，线圈连接电源，底板底部设置橡胶磁条一和橡胶磁条二；被驱动模块为能够进入轨道的方形，方形上部沿运动方向平行设置强磁片一和强磁片二，方形中心设置圆形强磁片，方形底部在靠近四角位置设置宽度补偿片一、宽度补偿片二和电刷一、电刷二，宽度补偿片一和宽度补偿片二呈对角分布，电刷一和电刷二呈对角分布。
其中，橡胶磁条一和橡胶磁条二为永磁体，且橡胶磁条一和橡胶磁条二沿底板的中心线对称布置。
线圈数量不少于三个，线圈沿底板中心线紧凑布置。
强磁片一和强磁片二的位置分别于底板上的橡胶磁条一和橡胶磁条二相对应；强磁片一和强磁片为朝下的磁极与橡胶磁条一和橡胶磁条二朝上的磁极相同，互相排斥。
圆形强磁片朝下的磁极与橡胶磁条一和橡胶磁条二朝上的磁极相反。
左侧板和右侧板内侧留有裸露导体触点，紧邻的两个触点能够通过电刷导通；触点呈长条状，保障被驱动模块在行进过程中，电刷也能和侧板的裸露触点保持良好的接触。每个线圈对应两个触点。
该装置需要两个直流电源，分别对应线圈的两套不同的电路，他们的的电压大小可以根据需要改变，当两组电源组电压不相等时尤其有利于装置的运行。其中使线圈对被驱动模块产生斥力的电源电压大于使线圈对被驱动模块产吸引力的电源电压。
该磁悬浮驱动装置的使用方法，具体为：每个线圈有两套电路，一套接通表现为一个通电方向，另一套接通表现为反向通电；通过电刷将左侧板和右侧板上的相邻两个触点接通来控制线圈通电，当被驱动模块放入轨道时，保证被驱动模块上的电刷接触触点，被驱动模块中心的圆形强磁片在任意位置时，轨道上的前一个线圈对其表现为吸引力，后一个线圈对其表现为排斥力，同时被驱动模块行进时会带动电刷，使被驱动模块一直获得向前的驱动力。
本发明涉及轨道和被驱动模块，其核心要点是轨道上电磁铁的磁极转换机制，不采用一个中心控制单元来控制电磁铁的开关和磁极的转换，而是将每一个电磁铁的通电和磁极转换开关都放在了轨道上的相应位置，并由被驱动模块所在的位置来决定其中的单个或多个电磁铁的通电状况和磁极方向。本方法和装置用到的电磁铁通电和磁极换向开关为触点加电刷的组合方式。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，与直线电机不同，本发明不涉及三相电和三相绕组；且本发明的轨道铺设有两路用于排斥被驱动模块的永磁体，因此轨道底部对被驱动模块没有物理接触，轨道的侧板对被驱动模块的约束力只起到抗干扰的作用；同时，被驱动模块在轨道上悬浮的高度只和模块自重及永磁体的磁力强弱有关，而侧板的裸露触点设计成长条状，使得被驱动模块在竖直方向上可以承受一定的颠簸，同时实现悬浮和行进两个状态。
本发明的驱动方法简单，基于本方法的驱动装置结构简单可靠，可以在多种领域应用。特别在教学设备领域，现有的磁悬浮教学设备中，通常采用的是程序控制磁极的转换，演示效果良好但难度较高，难以展示其原理，因此本装置实现了去除程序控制，运用了纯物理的知识实现了磁悬浮驱动，其中蕴含了电学、磁学、力学等物理蕴含的知识，实验现象明显，具有良好的演示效果和耐玩性，更加利于展示。而且本发明由于结构简单，具有明显成本优势。
附图说明
图1为本发明的磁悬浮驱动装置结构示意图；
图2为本发明的磁悬浮驱动装置电路原理示意图；
图3为本发明的磁悬浮驱动装置驱动过程原理示意图；
图4为本发明的磁悬浮驱动装置中被驱动模块结构示意图。
其中：1-线圈一；2-线圈二；3-线圈三；4-线圈四；5-底板；6-左侧板；7-右侧板；8-橡胶磁条一；9-橡胶磁条二；10-宽度补偿片一；11-强磁片一；12-圆形强磁片；13-电刷一；14-宽度补偿片二；15-强磁片二；16-电刷二；1’-触点一；1”-触点二；2’-触点三；2”-触点四；3’-触点五；3”-触点六；4’-触点七；4”-触点八。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种磁悬浮驱动装置及方法。
如图1所示，该装置包括被驱动模块、轨道和电源，其中轨道为由底板5、左侧板6和右侧板7组成的U型，轨道底板5上设置线圈，线圈连接电源，底板5底部设置橡胶磁条一8和橡胶磁条二9；被驱动模块为能够进入轨道的方形，方形上部沿运动方向平行设置强磁片一11和强磁片二15，方形中心设置圆形强磁片12，方形底部在靠近四角位置设置宽度补偿片一10、宽度补偿片二14和电刷一13、电刷二16，宽度补偿片一10和宽度补偿片二14呈对角分布，电刷一13和电刷二16呈对角分布。
在具体实施过程中，底板沿着中心线安有多个线圈，如线圈一1、线圈二2、线圈三3、线圈四4等等，每个线圈对应两个触点，如线圈一1对应触点一1’和触点二1”，线圈二2对应触点三2’和触点四2”，线圈三3对应触点五3’和触点六3”，线圈四4对应触点七4’和触点八4”。
将被驱动模块放入轨道时，被驱动模块上的长方形强磁片一11、强磁片二15与轨道上的橡胶磁条一8、橡胶磁条二9相斥，该斥力与被驱动模块自身的重力平衡。同时左侧板6、右侧板7的存在使得被驱动模块不会偏离轨道；同时双线斥力有良好的防翻转效果。
如图2所示，轨道上的线圈均接入电路，并连接电源组。图中的L1，L2～Ln即为线圈1,2～n；注意图中两个电源U1和U2的电动势方向为其中一种接入方式，当改变线圈接入方向或改变电刷位置时，可将两电源方向同时反向。
如图1所示，在该装置轨道中，当左侧板上的触点接通时，对应的线圈对被驱动模块上的圆形强磁片12产生吸引力，作为吸力电路；当右侧板上的触点接通时，对应的线圈对被驱动模块上的圆形强磁片12产生排斥力，作为斥力电路。具体吸引或排斥与接入的电源方向和线圈的旋向有关，以下说明建立在此接线方式上。
当被驱动模块在轨道上，其上的圆形强磁片12正对线圈二2时，被驱动模块右侧的电刷一13接通触点一1’和触点二1”,使得线圈一1对圆形强磁片12产生斥力；同时被驱动模块左侧的电刷二16接通触点五3’、触点六3”，使得线圈三3对圆磁片产生吸引力；由此，被驱动模块向前运动。
当被驱动模块运动到其中心圆形强磁片12正对线圈三3的位置时，电刷一13、电刷二16的位置也发生的改变，则线圈一1、线圈三3断电；同时电刷一13接通触点三2’、触点四2”,使得线圈二2对圆形强磁片12产生排斥力，电刷二16接通触点触点七4’、触点八4”，使得线圈四4对圆形强磁片12产生吸引力。
以此类推，则被驱动模块在任意位置都能保证其后一个线圈排斥圆形强磁片，其前一个线圈吸引圆形强磁片，由此被驱动模块便能稳定向前驱动。
电磁驱动时电磁铁的与圆形强磁片的磁场作用如图3所示。
被驱动模块上的电刷安放位置需要合适，电刷材料可用金属丝制成，被驱动模块的具体结构如图4。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁悬浮驱动装置，其特征在于：包括被驱动模块、轨道和电源，其中轨道为由底板(5)、左侧板(6)和右侧板(7)组成的U型，轨道底板(5)上设置线圈，线圈连接电源，底板(5)底部设置橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)；被驱动模块为能够进入轨道的方形，方形上部沿运动方向平行设置强磁片一(11)和强磁片二(15)，方形中心设置圆形强磁片(12)，方形底部在靠近四角位置设置宽度补偿片一(10)、宽度补偿片二(14)和电刷一(13)、电刷二(16)，宽度补偿片一(10)和宽度补偿片二(14)呈对角分布，电刷一(13)和电刷二(16)呈对角分布。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)为永磁体，且橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)沿底板(5)的中心线对称布置。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述线圈数量不少于三个，线圈沿底板(5)中心线紧凑布置。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述强磁片一(11)和强磁片二(15)的位置分别于底板上的橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)相对应；强磁片一(11)和强磁片为(15)朝下的磁极与橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)朝上的磁极相同，互相排斥。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述圆形强磁片(12)朝下的磁极与橡胶磁条一(8)和橡胶磁条二(9)朝上的磁极相反。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述左侧板(6)和右侧板(7)内侧留有裸露导体触点，紧邻的两个触点能够通过电刷导通；触点呈长条状，每个线圈对应两个触点。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮驱动装置，其特征在于：所述电源为两组直流电源，分别对应线圈的两套电路，其中使线圈对被驱动模块产生斥力的电源电压大于使线圈对被驱动模块产吸引力的电源电压。
8.应用权利要求1所述的磁悬浮驱动装置的方法，其特征在于：每个线圈有两套电路，一套接通表现为一个通电方向，另一套接通表现为反向通电；通过电刷将左侧板(6)和右侧板(7)上的相邻两个触点接通来控制线圈通电，当被驱动模块放入轨道时，保证被驱动模块上的电刷接触触点，被驱动模块中心的圆形强磁片在任意位置时，轨道上的前一个线圈对其表现为吸引力，后一个线圈对其表现为排斥力，同时被驱动模块行进时会带动电刷，使被驱动模块一直获得向前的驱动力。
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