CN204375293U - 三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，包括固定支架、磁轨、直线电机、悬浮小车以及电源控制器；所述固定架包括支撑杆和与支撑杆上端固定连接的悬挂架，所述磁轨由导磁性金属制作成莫比乌斯环形状，该磁轨通过拉索与悬挂架相连；在磁轨的两侧面上均设有永磁体，形成悬浮小车的磁性轨道；所述悬浮小车悬浮在磁性轨道上；在磁轨两侧安装有电机支架，所述直线电机对称安装在于磁轨两侧的电机支架上，同时，电机支架上设置有光电开关；电源控制器与光电开关和直线电机相连。本实用新型结构简单，体积小，具有悬浮、悬挂、侧挂三种演示效果，能够加速、减速实验和演示。

Description

三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具

技术领域

本实用新型涉及一种教学用具，尤其涉及一种三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具。

背景技术

世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车已于2000年在西南交通大学研制成功，实验车的成功运行进一步证实了高温超导应用于磁悬浮的可行性。超导磁悬浮推斥型磁悬浮列车由车上的超导磁体产生极强的磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生的电动斥力将列车悬起，将列车悬浮在空中，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。

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。此系统采用高温超导块材，在液氮冷却的条件下，底部3mm的车载薄底液氮低温容器可以连续工作超过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。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。

目前，已有的小型高温超导磁悬浮实验车模型只能让人们有一个感性的认识，远不能满足高校、重点学校等老师和同学对该系统的详细了解，所以非常需要有一套含各种悬挂状态、各种加速、减速等各种高技术含量的多功能装置，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。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的就在于提供一种三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，结构简单，体积小，具有悬浮、悬挂、侧挂三种演示效果，能够加速、减速实验和演示。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是这样的：一种三位一体的自动控制 高温超导磁悬浮教具，其特征在于：包括固定支架、磁轨、直线电机、悬浮小车以及电源控制器；所述固定架包括支撑杆和与支撑杆上端固定连接的悬挂架，所述磁轨由导磁性金属制作成莫比乌斯环形状，该磁轨通过拉索与悬挂架相连；在磁轨的两侧面上均设有永磁体，形成悬浮小车的磁性轨道；所述悬浮小车悬浮在磁性轨道上；在磁轨两侧安装有电机支架，所述直线电机对称安装在于磁轨两侧的电机支架上，同时，电机支架上设置有光电开关；电源控制器与光电开关和直线电机相连。

进一步地，所述磁轨由厚度1mm以上的具有一定刚性的条形导磁性金属一端扭曲180度或180度的整数倍后，将两端焊接成环状而成；所诉磁性轨道的永磁铁的磁场能够形成稳定的单通道或多通道的波峰-波谷-波峰或波峰-波谷-波峰-波谷-波峰的布局。

进一步地，所述的导磁性材料为铁板。

进一步地，所述悬浮小车为由塑料、环氧树脂、夹布胶木或玻璃纤维制成的空心壳体；壳体内侧布有一由隔热材料制成的隔热腔；在隔热腔内设有液氮以及浸泡在液氮内的至少一块超导体；在悬浮小车壳体的两侧设置有厚度为0.1～4mm的非磁性导电板。

进一步地，所述的非磁性导电板为铝板或铜板。

进一步地，所述的直线电机为平板型直线电机或圆弧形直线电机。

进一步地，所述的电源控制器接受光电开关的到位信号后，给与光电开关一起的直线电机供电，当光电开关无到位信号后，断开直线电机的供电。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：结构简单，体积小，多种演示效果明显、实验项目多等优点：

1、内置有超导体的悬浮小车悬浮于永磁体形成的莫比乌斯环形状的磁性轨道上，悬浮小车内装有液氮，其内的超导体处于超导状态，由于磁轨的作用，在超导内部产生与外磁场相反的磁场，从而实现小车的悬浮。

2、由于超导的磁悬浮特性及钉扎效应，可使悬浮小车稳定的与磁轨保持一定距离，当磁轨水平时，小车就垂直悬浮在磁轨的上方或悬挂在磁轨的下方，当磁轨垂直或倾斜时，小车就侧挂于磁轨的一侧。

3、在悬浮小车两侧装有非磁性导电板，当光电开关检测到超导悬浮小车通过时，电源控制器控制直线电机工作，在非磁性导电板中产生感应电流，此电流与直线电机产生磁场相互作用，推动悬浮小车向前运动；在磁轨的最低处时，小车会通过一段强磁场，该磁场与金属板相互作用，产生一相反方向的拉力给小车制动。

4、本教具不仅能演示传统已有装置的所有实验，而且可以演示磁体组合方式对超导磁 悬浮的影响，超导钉扎力与超导磁悬浮的相互作用、直线电机的自动化控制、磁场的加速、减速等十几种实验。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为磁轨的结构示意图；

图3为磁轨上永磁体布局图；

图4为悬浮小车的结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为实施例4中悬浮小车的剖视图；

图7为实施例2中磁轨上永磁体布局图。

图中：11—支撑杆，12—悬挂架，2—磁轨，3—直线电机，4—悬浮小车，21—壳体，22—隔热腔，23—液氮，24—超导体，25—非磁性导电板，5—拉索，6—环形支架，7—电机支架，8—永磁体。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

在图1至图5，本实施例的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，包括固定支架、磁轨2、直线电机3、悬浮小车4以及电源控制器。

所述固定架包括可伸缩的支撑杆11和与支撑杆11上端固定连接的悬挂架12，制作时利用紧固螺钉及联接件将支撑杆11与悬挂架12固定成一个1500mm×2000mm的框型空间，所述磁轨2由导磁性金属制作成莫比乌斯环形状，该磁轨2通过拉索5与悬挂架12相连，使磁轨2固定于框型空间内；具体实施是，在磁轨2上套设有数个环形支架6，拉索5的一端与悬挂架12相连，另一端与所述环形支架6相连。具体实施是，所述磁轨2用厚度1.2mm、宽40mm、长2500mm的刚性导磁性金属带一端固定另一端旋转180度，再将金属带两端焊接而成；该刚性导磁性金属带具体采用铁板。

在磁轨2的两侧面上均设有按照一定规律布置的永磁体8，形成悬浮小车4的磁性轨道；所述永磁体8与磁轨2吸附在一起，本实例的永磁体8排成3排，每一排的永磁体8极性相同，每一排的永磁体8与相邻排的永磁体8极性相反，即磁轨2两侧永磁体8均为N极 向上，中间永磁体8S极向上，3排永磁体8排列形成磁轨2。具体实施时，磁轨2的永久磁铁按照”NSN”或”SNS”，只要形成稳定的单通道或多通道的波峰-波谷-波峰或波峰-波谷-波峰-波谷-波峰的形状即可。在磁轨2的上方悬浮有超导磁悬浮小车4，悬浮小车4长度为90mm，宽度40mm。

在磁轨2两侧安装有电机支架7，所述直线电机3对称安装在于磁轨2两侧的电机支架7上，同时，电机支架7上设置有光电开关；所述电机支架7用不锈钢紧固螺钉安装于磁轨2的最低端的两侧，电源控制器与光电开关和直线电机3相连；通过实时检测光电开关的状态，控制直线电机3电源的接通或断开。

以平板型直线电机3为直线电机3的一个实施例，磁轨2的最低端即悬浮小车4爬坡的初始位置的两侧用不锈钢紧固螺钉安装有电机支架7，提供悬浮小车4一个加速力，同时在悬浮小车4下降中的磁轨2两侧安装有永磁体8提供一稳定磁场，给悬浮小车4自主加速下滑时提供一个稳定阻力，降低小车的速度。由人工在水平磁轨2位置给悬浮小车4一个初始动力，悬浮小车4就会在重力、悬浮力、风阻、直线电机3的牵引力、永磁场的阻力等综合作用下，一直沿着轨道实现悬浮、侧挂、悬挂等三个不同状态的悬浮展示和加速、减速的原理展示。

本实施例的悬浮小车4为由塑料、环氧树脂、夹布胶木或玻璃纤维制成的空心壳体21；壳体21内侧布有一由隔热材料制成的隔热腔22；在隔热腔22内设有液氮23以及浸泡在液氮23内的至少一块超导体24；在悬浮小车4壳体21的两侧设置有厚度为0.1～4mm的非磁性导电板25。具体实施时，壳体21采用3D打印技术制成。壳体21底部固定有一块以上数量的超导体24，所述超导体24采用YBCO(钇钡铜氧)材料，也可采用其他高温超导材料。在壳体21内装有液氮23，液氮23高度应高于超导体24的高度，液氮23主要用于冷冻超导体24。在演示时，将悬浮小车4放置在水平轨道的正上方，中间用无磁性物质隔开一定距离，待超导体24进入超导状态后，超导体24内部会产生一个与磁轨2磁场完全相反的磁场，将隔离板取掉，悬浮小车4在超导体24的带动下，在磁性轨道上悬浮。这种磁场的排斥力随着对超导体24与磁轨2的距离减小而逐渐增大，可克服超导磁浮小车的重力，使悬浮小车4悬浮在磁性轨道上方的一定高度。在悬浮小车4壳体21外两侧安装有非磁性导电板25，本实施例中采用2mm厚铝板，当电源控制器通过光电开关检测到悬浮小车4正准备通过直线电机3的作用区间，直线电机3开始工作，在非磁性导电板25-铝板感应出电流，其磁场与直线电机3的磁场相互作用，牵引悬浮小车4向前运动。当悬浮小车4通过下滑区间尾端时，会通过一稳定磁场区间，在非磁性导电板25-铝板感应出电流，使悬浮小车4 受到与运动方向相反的洛仑磁力，使小车减速。

实施例2：

参见图7，在本实施例中，磁体附着板用厚度1.2mm宽60mm长2500mm的刚性导磁性金属带一端固定另一端旋转180度，再将金属带两端焊接而成。刚性导磁性金属带具体采用铁板，在磁轨2的表面均吸附有永磁体8，本实例的永磁体8排成5排，每一排的永磁体8极性相同，每一排的永磁体8与相邻排的永磁体8极性相反，即：磁轨2两侧及中间永磁体8均为N极向上，其他两排永磁体8S极向上(形成NSNSN排列)或磁轨2两侧及中间永磁体8均为S极向上，其他两排永磁体8N极向上(形成SNSNS排列)，其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例3：

参见图5，在实施例1或2中，在小车壳体21中装有1个超导体24，其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例4：

参见图6，在实施例1或2中，在小车壳体41中装有2个超导体24，其他零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例5：

在实施例1～4的任一中，在小车壳体41两侧安装有铝板用铜板代替，其他零部件以及零部件的连接关系与对应的实施例相同。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：包括固定支架、磁轨、直线电机、悬浮小车以及电源控制器；所述固定架包括支撑杆和与支撑杆上端固定连接的悬挂架，所述磁轨由导磁性金属制作成莫比乌斯环形状，该磁轨通过拉索与悬挂架相连；在磁轨的两侧面上均设有永磁体，形成悬浮小车的磁性轨道；所述悬浮小车悬浮在磁性轨道上；在磁轨两侧安装有电机支架，所述直线电机对称安装在于磁轨两侧的电机支架上，同时，电机支架上设置有光电开关；电源控制器与光电开关和直线电机相连。

2.根据权利要求1所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述磁轨由厚度1mm以上的具有一定刚性的条形导磁性金属一端扭曲180度或180度的整数倍后，将两端焊接成环状而成；所诉磁性轨道的永磁铁的磁场能够形成稳定的单通道或多通道的波峰-波谷-波峰或波峰-波谷-波峰-波谷-波峰的布局。

3.根据权利要求2所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述的导磁性材料为铁板。

4.按照权利要求1所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述悬浮小车为由塑料、环氧树脂、夹布胶木或玻璃纤维制成的空心壳体；壳体内侧布有一由隔热材料制成的隔热腔；在隔热腔内设有液氮以及浸泡在液氮内的至少一块超导体；在悬浮小车壳体的两侧设置有厚度为0.1～4mm的非磁性导电板。

5.根据权利要求4所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述的非磁性导电板为铝板或铜板。

6.根据权利要求1所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述的直线电机为平板型直线电机或圆弧形直线电机。

7.根据权利要求2所述的三位一体的自动控制高温超导磁悬浮教具，其特征在于：所述的电源控制器接受光电开关的到位信号后，给与光电开关一起的直线电机供电，当光电开关无到位信号后，断开直线电机的供电。