袁健 胡鈺濤 李東哲 林瑞和 梁亦森 肖鵬

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院 廣東 佛山 528000)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型交通工具不斷涌現(xiàn)，其中備受研究者關(guān)注的就是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的磁懸浮列車[1].磁懸浮列車?yán)脧?qiáng)大的電磁吸力或斥力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車平穩(wěn)前進(jìn)[2,3].磁懸浮列車作為一種新型軌道交通形式，與傳統(tǒng)的交通方式相比，具有安全性好、噪聲低、運(yùn)行速度快、平穩(wěn)舒適、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊[4,5].

按照磁懸浮的原理和方式的不同，可以分為常導(dǎo)電磁懸浮、超導(dǎo)電動磁懸浮和永磁懸浮3種形式.常導(dǎo)電磁懸浮列車速度可達(dá)400～500 km/h，超導(dǎo)電動磁懸浮列車速度可達(dá)500 km/h，永磁懸浮列車速度可達(dá)550 km/h[6].它的高速度使其在中短途距離的旅行中比乘坐飛機(jī)更具優(yōu)勢.然而，目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中很少有直觀展現(xiàn)基于電磁感應(yīng)原理的磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)教具，使得大學(xué)生們對這一新型交通工具認(rèn)識不夠深刻.為此，本文設(shè)計(jì)了單邊短定子驅(qū)動可控磁懸浮小車.該小車穩(wěn)定懸浮高度為8 mm，采用藍(lán)牙模塊連接手機(jī)，用手機(jī)App就能進(jìn)行小車的停止、啟動、前進(jìn)、后退和調(diào)速等一系列的操作.這一款實(shí)驗(yàn)教具制作成本很低，能夠直觀展現(xiàn)電磁學(xué)的魅力，加深學(xué)生對電磁感應(yīng)基本原理的理解，拓展學(xué)生的視野，激發(fā)他們利用物理基本原理設(shè)計(jì)光電類作品的興趣.

2 可控磁懸浮小車的設(shè)計(jì)

可控磁懸浮小車主要由懸浮系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)4部分構(gòu)成.

2.1 懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸浮系統(tǒng)利用磁鐵間同極性相斥、異極性相吸的原理設(shè)計(jì).采用Vizimag模擬電磁軟件建立模型，通過參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)使用多層層疊結(jié)構(gòu)可以極大地提升磁場梯度的有效范圍，擴(kuò)展磁鐵表面所能產(chǎn)生強(qiáng)磁區(qū)域的范圍，并且降低了扭力的強(qiáng)度，可以保證可控磁懸浮小車穩(wěn)定懸浮8 mm.圖1為可控磁懸浮小車單邊結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 可控磁懸浮小車單邊結(jié)構(gòu)示意圖

采用普通長條磁鐵、銣鐵硼磁鐵和黑磁鐵的組合產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力而使可控磁懸浮小車穩(wěn)定懸浮.可控磁懸浮小車的軌道采用兩條平行不銹鋼軌道，如圖2所示.

圖2 可控磁懸浮小車軌道

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動系統(tǒng)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)的展開模式，具體設(shè)計(jì)為：短初級由6個線圈組成A,B,C三相繞組；多個永磁體正反排列組成長次級，4個永磁體的排列長度等于6個線圈，如圖3和圖4所示.利用位置檢測器檢測初級的位置，并且按照順序依次給A，B，C三相繞組通電，使初級產(chǎn)生的磁場方向連續(xù)均勻變化，于是氣隙中所產(chǎn)生的行波磁場與次級相互作用從而驅(qū)動可控磁懸浮小車運(yùn)動.

圖3 短初級示意圖

圖4 長次級排列示意圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用Arduino UNO作為控制中心，使用藍(lán)牙模塊連接手機(jī)，用手機(jī)App控制磁懸浮小車的停止、啟動、前進(jìn)、后退和調(diào)速.手機(jī)App使用MIT App Inventor制作完成. MIT App Inventor是一個完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，拋棄復(fù)雜的程式代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式，非常便于操作使用.

2.4 導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)向系統(tǒng)采用PID控制算法，利用霍爾傳感技術(shù)，確保小車在運(yùn)行過程中始終懸浮在導(dǎo)軌的正中央.具體實(shí)現(xiàn)過程為：根據(jù)霍爾讀數(shù)相對原始標(biāo)準(zhǔn)值偏大還是偏小而判定磁懸浮小車方位是偏左還是偏右，從而控制輸出相應(yīng)的帶有正反方向及大小的電流信號至線圈，確保小車位于正中央.

圖5給出了設(shè)計(jì)的磁懸浮小車控制器界面.利用這個控制器可以非常方便地向?qū)W生演示磁懸浮小車的停止、啟動、前進(jìn)、后退和調(diào)速，具有很強(qiáng)的觀賞性.

圖6和圖7分別顯示了可控磁懸浮小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀圖.

圖6 可控磁懸浮小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 可控磁懸浮小車外觀

從圖中可以看出，小車體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，制作成本低，并且可以穩(wěn)定地懸浮在導(dǎo)軌中央，是一款比較好的展現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的實(shí)驗(yàn)教具.

3 結(jié)論

本文利用電磁感應(yīng)基本原理設(shè)計(jì)了一款采用Arduino UNO作為控制中心，用手機(jī)App遙控的可控磁懸浮小車.采用Vizimag模擬電磁軟件建立模型，利用普通長條磁鐵、銣鐵硼磁鐵和黑磁鐵層疊結(jié)構(gòu)使小車穩(wěn)定懸浮8 mm，減小了小車在運(yùn)行中的阻力；利用PID算法調(diào)節(jié)電流信號大小和方向，保證了小車始終位于導(dǎo)軌正中央.這一款小車結(jié)構(gòu)緊湊、制備成本低，可以用手機(jī)控制它的啟動、停止、前進(jìn)、后退和調(diào)速，是一款比較好的展現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的實(shí)驗(yàn)教具.