CN207559834U - 一种模拟直线电机运动的教学装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟直线电机运动的教学装置，属于机电技术领域。现有直线电机的长度有限，在直线加速的过程中，受电机长度制约，限制了直线加速的教学深度，尤其是加速的取值范围。本案提出用旋转电机模拟直线电机的技术方案，旋转电机包括底座、励磁装置、转子、受力磁体位置检测装置；底座的几何中心设有安装转子轴的圆柱孔，圆柱孔的轴线与底座面垂直；励磁装置为数量不少于10个的励磁单元构成的首尾相连的圆形阵列；转子包括转子轴、转子臂、受力磁体、负载安装支架、负载紧固螺母；受力磁体位置检测装置为红外检测装置或为磁强计。实现用旋转电机模拟直线电机运动，在直线加速教学时，不受导轨长度限制，便于教学试验。

Description

一种模拟直线电机运动的教学装置

技术领域

一种模拟直线电机运动的教学装置，属于机电技术领域。

背景技术

在直线电机性能的教学过程中，对直线电机的运动特性，特别是直线加速特性，难以教学实践，根本原因在于直线电机的修长结构，太短没有教学意义，理论上无限长是最优的，但其成本难以估量。常用直线电机构造如图2示，包括电机底座（6）、励磁线圈（71）、励磁铁芯（72）、直线导轨（8）、限位小车（91）、受力磁体（92）、外加负载连接桩（93），通过依次导通或关断相关励磁单元上的励磁绕组，实现限位小车（91）、受力磁体（92）、外加负载连接桩（93）在直线导轨（8）上整体移动。本技术方案提出用旋转电机模拟直线电机运动，鉴于现有直线电机类型多样，本文将以单片机可编程控制IGBT的多级直线电机为例（如图2示），构造与之对应的旋转电机，用来模拟其特性。

发明内容

1、一种模拟直线电机运动的教学装置，包括底座、励磁装置、转子、受力磁体位置检测装置；

底座的几何中心设有安装转子轴的圆柱孔，圆柱孔的轴线与底座面垂直；

励磁装置为数量不少于10个的励磁单元构成的首尾相连的圆形阵列，励磁装置形成的圆贴合在底座上，圆心与安装转子轴的圆柱孔的圆心重合；励磁单元包括励磁铁芯和励磁绕组，励磁绕组绕制在励磁铁芯上；励磁铁芯为一个有缺口的环，缺口的两个截面形状相同且相互平行，受力磁体能从缺口中穿过；所有励磁铁芯的缺口构成一个圆形的空气轨道，受力磁体能在这个轨道中滑动，轨迹是一个圆，圆的半径值等于转子臂的臂长值；

转子包括转子轴、转子臂、受力磁体、负载安装支架、负载紧固螺母；其中转子轴安置在底座上，转子能以转子轴为中心旋转；所有转子臂构成的质心与转子轴的中心重合，所有转子臂呈旋转对称安置；

受力磁体位置检测装置为红外检测装置或为磁强计，红外检测装置包括红外光光源与红外光接收机；单个受力磁体位置检测装置安置在相邻励磁单元之间。

底座：为一个平台，可为铸铁制成。安装转子轴的圆柱孔：用于安装转子轴，圆柱孔可用其他复合机械件替换，为转子提供一个可靠的受力支点即可。

励磁单元形成圆形阵列是为了使受力磁体作旋转运动，每一极励磁单元依次导通和关断形成旋转的磁场，拖动受力磁体转动，从而用旋转运动模拟直线运动。空气轨道：为一个虚拟的圆形轨道，由各个收尾相连的励磁铁芯的缺口构成，受力磁体在轨道中受力加速，从而模拟在直线轨道中受力加速的情形。

采用双臂，是为了构成对称结构，也可采用多条臂，形成旋转对称排列即可。

具体构造可以参见图4，图4采用的是48个独立励磁单元，双臂对称构造。

2、一种模拟直线电机运动的教学装置，所述负载安装支架、负载紧固螺母为外加负载的紧固件，成套使用，安置在转子臂端头；转子臂为双臂时，每一支臂的臂端安置不少于一套的紧固件，且以转子的转轴为中心对称安置。

紧固件的构成：紧固件是将外加负载固定在转子臂上的紧固装置，可用锁扣、限位夹之类的机械装置代替，采用轻质材料为宜。

3、一种模拟直线电机运动的教学装置，所述紧固件安装在空气轨道的正上方，紧固件随转子转动形成的圆轨迹的半径值等于转子臂臂长值。

附加这个技术特征的原因：使外加负载的重心（或者质心）的转动半径等于受力磁体的转动半径，使两者运动轨迹正向投影重合，这是用旋运动转模拟直线运动的核心。

4、一种模拟直线电机运动的教学装置，所述励磁绕组由主励磁绕组和反励磁绕组构成，主励磁绕组与反励磁绕组并行绕制在励磁铁芯上，主励磁绕组与反励磁绕组相互独立。

将励磁绕组分为主励磁绕组和反励磁绕组的原因：上一励磁单元对受力磁体的吸引将阻碍受力磁体向下一相邻励磁单元运动（这是由导磁材料的磁滞效应决定的）；在低速运动时，这一阻碍的负面作用可以忽略，励磁绕组仅由主励磁绕组构成即可；提速后，可将上一励磁单元反接直流源，加速该单元的励磁铁芯消磁，这样能减轻磁滞效应带来的负面影响；进一步提速后，对同一励磁绕组进行切换正负极操作，易出现短路，烧毁电源的情况，因而提出采用主励磁绕组和反励磁绕组组合形成复合的励磁绕组，主励磁绕组作为吸引受力磁体的动力，当受力磁体滑向下一单元时，反励磁绕导通加速该励磁铁芯消磁。

5、一种模拟直线电机运动的教学装置，所述励磁铁芯为导磁材料片叠压而成，励磁绕组的导电线的表面覆有绝缘涂层；导磁材料为铁、钴、镍或铁-钴、铁-镍、钴-镍、铁-钴-镍合金。

励磁铁芯为导磁材料片叠压而成：通过导磁材料片叠压能减少磁滞涡流损耗，提高电能的利用率；附加“导电线的表面覆有绝缘涂层”这个技术特征的原因：进一步限制导线的选型，划清与裸导线的界限。铁、钴、镍或铁-钴、铁-镍、钴-镍、铁-钴-镍合金，是常用的导磁材料，稀土磁铁也可作为备选，例如用钕铁硼。

有益效果：实现用旋转电机模拟直线电机运动。便于开展关于直线电机特性的教学。

附图说明

图1 为单个励磁单元的模型图，包括励磁铁芯（21）、励磁绕组（22）。

图2为现有技术中，常见直线电机的模型图，含有10个励磁单元，电机包括底座（6）、励磁线圈（71）、励磁铁芯（72）、直线导轨（8）、限位小车（91）、受力磁体（92）、外加负载连接桩（93）。

图3为本技术方案的模型图，含有48个励磁单元，双臂对称构造。

图4为本技术方案的模型分解图，包括电机底座（11）、安装转子轴的圆柱孔（12）、励磁装置（2）、转子轴（31）、转子臂（32）、受力磁体（41）、负载安装支架（42）、负载紧固螺母（43）。

具体实施方式

本实施例将给出一种模拟直线电机运动的教学装置的具体构造，运用的原理，辅助设备的主要构造，以及使用的方法。

一种模拟直线电机运动的教学装置，包括底座（11）、安装转子轴的圆柱孔（12）、励磁装置（2）、转子轴（31）、转子臂（32）、受力磁体（41）、负载安装支架（42）、负载紧固螺母（43）。

底座（11）：为一个圆台，为铸铁制成，作为其他设备器件的安装平台。安置有励磁装置（2）、转子，励磁装置（2）贴合在底座上。底座（11）为一个承接装置。

安装转子轴的圆柱孔（12）：设置在底座（11）上，圆柱孔的轴线与底座面垂直，圆柱孔内设有纵向排制的一对轴承，转子轴（31）安插在轴承中，转子轴（31）以轴承为中心可自由旋转。也可用其他机械构件替代，为转子轴提供一个旋转的支点即可。

励磁装置（2）：励磁装置为数量48个的励磁单元构成的首尾相连的圆形阵列，励磁单元包括励磁铁芯和励磁绕组，励磁绕组绕制在励磁铁芯上；励磁装置形成的圆贴合在底座上，圆心与安装转子轴的圆柱孔的圆心重合；单个励磁单元依次导通和关断，从而形成旋转的磁场，为驱动受力磁体（41）提供电磁力。

励磁铁芯：为一个有缺口的环，缺口的两个截面形状相同且相互平行，受力磁体能从缺口中穿过；所有励磁铁芯的缺口构成一个圆形的空气轨道，受力磁体（41）能从缺口滑过，缺口的两个端截面相同且平行，励磁铁芯的作用是使励磁绕组产生的磁场按设计的铁芯物理外形形成的磁场闭合回路。励磁铁芯由硅钢片叠压而成，加工工艺与变压器类似。

励磁绕组：为外覆绝缘层的导电线绕制而成，绕制在励磁铁芯上；通入直流电后能产生磁场，与直流电源相连，连线的正极串接IGBT，采用带驱动电路的IGBT控制通断。本实施例的励磁绕组外覆绝缘层为硅胶，导线为镀锡铜绞线。

受力磁体位置检测装置为红外检测装置，包括红外光光源与红外光接收机；总数为48套，一套检测装置与一个励磁单元独立匹配使用，安置在励磁铁芯的缺口附近，用于探测受力磁体是否经过。公开号为CN101989155A的专利，名称为“光学位置检测装置和带位置检测功能的显示装置”，给出了具体的位置检测方案，可借鉴简化使用。

转子轴（31）：为一根转轴，连接底座（11）与转子，转子轴（31）与转子为一个固定整体，转子轴（31）能在安装转子轴的圆柱孔（12）内转动，转子轴（31）采用铝合金制成。

转子臂（32）：为一个转动部件，本实施例采用双臂构造且对称安置，双臂的连接点与转子轴（31）衔接为一个整体，双臂以转子轴（31）为中心轴旋转；转子臂采用轻量化设计，选用碳纤维材料。用来承受外加负载的重力与离心力，实施例采用截面为“T”字形的臂。

受力磁体（41）：为一个带磁性的磁块，安置在单条转子臂（31）的端头，受力磁体（41）伸入励磁铁芯的缺口内且与缺口的截面正面相对，此时调节受力磁体（41）的姿态使其“N”、“S”极与励磁铁芯缺口处的“N”、“S”以最大吸引力为目标作调整。励磁装置（2）驱动受力磁体（41）作旋转运动。

负载安装支架（42）：为外加的负载提供安置点，安置在单条转子臂（31）的端头；负载的分配原则：假设直线电机的外加负载为10个单位质量，则用本实施例的模拟装置时，两条转子臂（32）的端头各加5个单位质量的负载，负载质心运动的轨迹圆与受力磁体（41）运动的轨迹圆直径相同。

负载紧固螺母（43）：与负载安装支架（42）配套使用，外加负载安置在支架上后，为防止松动，本实施例采用螺母将其紧固，可用其他锁扣件替换，达到稳固的效果即可。

负载安装支架（42）与负载紧固螺母（43）配套使用是为了将外加负载固定在转子臂（32）上，可用其它锁扣或者限位夹之类的机械构件整体替换。

转子的构件均采用轻量化设计，使转子的自身转动惯量降到最低，并通过多次试验得到修正公式与修正系数，最终使本技术方案记载的旋转电机能达到模拟同型号的直线电机运动特性的目的即可。

本技术方案提出的旋转电机技术方案，用于模拟直线电机的运动特性，测量包括输入电流、电压值，特别是直线电机在外加不同负载时的直线加速特性，按教学需求外加各种测量装置。

辅助设备：本技术方案对电源有特殊的要求，电源包括一个直流源，不少于48套绝缘栅双极型晶体管装置（行业内部简称IGBT）和附加的驱动电路、一个单片机及外围辅助设备。

模拟装置与电源的具体连接：单个励磁单元上的励磁绕组的正、负级连接在直流源上，在正极连接线上串接一个IGBT，将负责驱动这个IGBT的驱动装置上的控制信号线与单片机相连，其余47个励磁单元的接法与上面的描述相同。红外光接收机生成的位置检测信号输入给单片机。

使用方法：以模拟10个单位质量的负载作直线加速特性为例，等分成两份（一份为5个单位质量），分别安置在转子臂（32）的负载安装支架（42）上，使负载的运动轨迹圆与受力磁块的运动轨迹圆直径相同，再用负载紧固螺母（43）将负载紧固。单片机检测到受力磁体（41）的位置后，按照预定编写的控制程序，通过控制相应IGBT的导通与关断，实现受力磁体（41）在交变的磁场力作用下旋转，进而模拟直线运动特性。

Claims (5)

1.一种模拟直线电机运动的教学装置，包括底座、励磁装置、转子、受力磁体位置检测装置；

底座的几何中心设有安装转子轴的圆柱孔，圆柱孔的轴线与底座面垂直；

励磁装置为数量不少于10个的励磁单元构成的首尾相连的圆形阵列，励磁装置形成的圆环贴合在底座上，圆心与安装转子轴的圆柱孔的圆心重合，励磁单元包括励磁铁芯和励磁绕组，励磁绕组绕制在励磁铁芯上，励磁铁芯为一个有缺口的环，缺口的两个截面形状相同且相互平行，受力磁体能从缺口中穿过，所有励磁铁芯的缺口构成一个圆形的空气轨道，受力磁体能在这个轨道中滑动，轨迹是一个圆，圆的半径值等于转子臂的臂长值；

转子包括转子轴、转子臂、受力磁体、负载安装支架、负载紧固螺母，其中转子轴安置在底座上，转子能以转子轴为中心旋转，所有转子臂构成的质心与转子轴的中心重合，所有转子臂呈旋转对称安置；

受力磁体位置检测装置为红外检测装置或为磁强计，红外检测装置包括红外光光源与红外光接收机，单个受力磁体位置检测装置安置在相邻励磁单元之间。

2.根据权利要求1所述的一种模拟直线电机运动的教学装置，其特征在于，负载安装支架、负载紧固螺母为外加负载的紧固件，成套使用，安置在转子臂的端头，转子臂为双臂时，每一支臂的臂端安置不少于一套的紧固件，且以转子的转轴为中心对称安置。

3.根据权利要求2所述的一种模拟直线电机运动的教学装置，其特征在于，紧固件安装在空气轨道的正上方，紧固件随转子转动形成的圆轨迹的半径值等于转子臂臂长值。

4.根据权利要求3所述的一种模拟直线电机运动的教学装置，其特征在于，励磁绕组由主励磁绕组和反励磁绕组构成，主励磁绕组与反励磁绕组并行绕制在励磁铁芯上，主励磁绕组与反励磁绕组相互独立。

5.根据权利要求4所述的一种模拟直线电机运动的教学装置，其特征在于，励磁铁芯由导磁材料片叠压而成，励磁绕组的导电线的表面覆有绝缘涂层，导磁材料为铁、钴、镍或铁-钴、铁-镍、钴-镍、铁-钴-镍合金。