謝春君

(上海市宜川中學(xué)，上海 200065)

1 問題提出

1.1 學(xué)習(xí)中的問題

如圖1所示,平行軌道MN和PQ上有一輛平板小車,車上有一個通電線框,圖中1、2、3、4、5等是磁場區(qū)域,內(nèi)有垂直紙面向里或向外的磁場．要使小車在圖示位置時受到向右的推力,此時1、2部分的磁場方向是怎樣的?

圖1

1.2 教學(xué)中的問題

常有學(xué)生提問磁懸浮列車前進的原理是什么?數(shù)控機床的行車是怎樣運行的?

雖然學(xué)生學(xué)習(xí)過磁場力的入門知識,但是對這些裝置缺少感性認(rèn)識,不了解其結(jié)構(gòu)與工作原理,即使聽了教師講解圖1中的小車怎樣運動,他們也很難真正理解．于是,就有了設(shè)計制作磁動力機車的想法．

2 磁動力機車設(shè)計與制作

磁動力機車是利用直線電機原理制作而成的動力小車．

2.1 直線電機基本結(jié)構(gòu)

平板型直線異步電動機可看作將普通鼠籠轉(zhuǎn)子三相異步電動機沿徑向剖開后展平而成．對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動機的定子一邊嵌有三相繞組,稱為初級;對應(yīng)于轉(zhuǎn)子這邊稱為次級．實際的平板型直線電動機初級長度和次級長度并不相等,而是次級較長．初級包括硅鋼片疊層鐵芯、線圈繞組和電刷等,安裝在有輪小車上,即構(gòu)成磁動力機車;次級包括木質(zhì)長直軌道、銅(或鋁)皮包裹鐵芯、銅柱供電導(dǎo)軌、變壓器和控制電路及換向裝置等,為磁動力機車提供了長直軌道．

2.2 工作原理

普通鼠籠轉(zhuǎn)子三相電動機的定子繞組若通入三相對稱電流,會在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在其閉合回路中生成電流,帶電轉(zhuǎn)子在磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場行進方向而旋轉(zhuǎn)．改變?nèi)嚯娏飨嘈?可使旋轉(zhuǎn)磁場及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變．

在直線電動機初級的三相繞組中通入三相對稱電流,其在氣隙中產(chǎn)生的磁場也是運動的,只是沿直線方向移動,稱之為移行磁場,次級也會因此而沿移行磁場運動方向而移動,移行磁場及次級的移動方向也由三相電流的相序決定．

參見圖2,設(shè)電源頻率為f,電機極距為d,則磁場移動速度為

圖2

vs=2fd.

(1)

令次級速度為v,則有滑差率為

s=vs-v/vs.

(2)

所以,次級移動速度為

v=2fd(1-s).

(3)

3 磁動力機車制作圖解

3.1 軌道設(shè)計與制作(長度單位mm)

(1) 材料選取:細(xì)工木板2400×1200×16;銅皮2280×35×0.2;銅柱2根直徑6，長2280;鐵芯2280×33×7;變壓器3只,220 V/24 V．

(2) 設(shè)計圖紙:見圖3．上為俯視圖;下為側(cè)視圖．軌道制作過程的關(guān)鍵是鐵芯加工處理要平直,與銅制外皮充分貼緊．

圖3

(3) 電源電路:見圖4．電器元件安裝在軌道反面的箱子內(nèi),X、Y、Z3根導(dǎo)線穿過軌道底板與固定在上面的兩根銅柱及銅皮連接．

圖4

3.2 機車設(shè)計與制作

(1) 材料選取:E型硅鋼片1 kg;漆包線1 kg直徑0.4;有機玻璃板和電木板等．

(2) 設(shè)計圖紙:圖5是機車底板平面圖．制作機車過程中,線圈鐵芯的加工與制作是關(guān)鍵．拆舊硅鋼片表面清潔干凈、疊加粘合、臺虎鉗上加固而成,內(nèi)部緊密,表面平整,尤其不要出現(xiàn)毛刺．要重視線圈框架的制作和線圈的繞制．自制線圈框架要根據(jù)鐵芯的結(jié)構(gòu)尺寸而定．根據(jù)線圈鐵芯間距和交流電頻率,計算線圈匝數(shù),在框架上繞好線圈．還要注意車體與線圈鐵芯組件的安裝與固定,確保機車底面平整,才能與軌道表面間隙足夠小．

圖5

(3) 控制電路:圖6是開關(guān)指示燈線路圖．指示燈安裝在車體前后兩側(cè)共計兩組,綠燈向前,紅燈向后,換向后則切換成另一組指示燈工作．

圖6

3.3 典型問題與關(guān)鍵技術(shù)

(1) 間距問題:初級的磁動力機車要在次級的長直軌道上運行,車輪間距要與長直軌道上供電銅柱間距相同,這樣,車輪上的凹槽與銅柱外圓面吻合．軌道固定要確保兩條通電銅柱筆直且平行,采用三點法:先把兩個端點嚴(yán)格等距固定,再把中點等距固定,之后邊測量邊用熱熔膠粘合固定．機車和部分軌道的實物照片見圖7．安裝車輪時,通過加減墊片微調(diào)軸間距和機車底面與軌道平面的間距,兩個方向的間距誤差均應(yīng)小于1 mm．

圖7

(2) 阻力問題:第一,銅柱焊接必須保證表面平滑,并且承受一定的力．銅柱不足2280 mm長,需兩端焊接使用．焊接時,先將擬對接銅柱端各打一個直徑1.8 mm孔,插入直徑都略小于1 mm的銅絲和細(xì)焊絲,然后用酒精燈加熱,外部再涂抹焊錫．第二,車輪與銅柱軌道凹凸吻合,車輪軸加裝軸承減小摩擦．第三,調(diào)節(jié)碳刷與軌道間的接觸壓力適合,做到既接觸良好,又不會產(chǎn)生過大的摩擦力．同時,一定注意機車整體的重心分布問題．

(3) 轉(zhuǎn)向問題:機車在軌道上運行,軌道只有2 m多一點,每運行一次只需1 s左右的時間．為了使機車連續(xù)運行,設(shè)計一個控制換向裝置．見圖8,機車運行到一段時,滑桿受到撞擊而推動雙刀雙擲開關(guān)工作使圖6中A、B兩項對換,機車立即反向運行．

圖8

(4) 定時控制問題:機車運行的工作電流比較大,會產(chǎn)生較大熱量,不宜長時間工作．為此設(shè)計自動控制電路,見圖9．取低壓輸出變壓器的相電壓,經(jīng)7812芯片穩(wěn)壓給時基電路E555供電,E555輸出控制繼電器工作近2 min自動斷電保護．若要重新運行,需觸發(fā)安裝在軌道控制面板上的啟動開關(guān)．

圖9

4 優(yōu)化改進

4.1 存在不足

經(jīng)過幾輪基礎(chǔ)課和拓展研究課的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)此裝置有幾處需要改進:

(1) 電源限制,380 V動力電的使用限制此裝置只能在固定的實驗室展示．

(2) 軌道偏長,2 m半長軌道不便移動．

(3) 單一直軌道不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要．

針對這些問題,經(jīng)過論證,找到改進提升的方法,又設(shè)計制作了更新?lián)Q代樣機．

4.2 單相短軌道磁動力機車

設(shè)計基本同上,軌道長1 m,電源改為單相低壓交流電供電,整體裝置見圖10．要使單相電機能自動旋轉(zhuǎn),可在定子中加入一個起動繞組,其與主繞組在空間上相差90°,起動繞組串接一個合適電容,使得與主繞組電流在相位上近似相差90°．這樣兩個在時間上相差90°的電流通入兩個在空間上相差90°的繞組,將會在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場,在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下,轉(zhuǎn)子就能自動旋轉(zhuǎn)．

圖10

4.3 單相水平圓軌道磁動力機車

圓軌道用1.6 mm厚的鋁板敲制而成,直徑120 mm,見圖11．機車采用雙邊初級線圈構(gòu)成(俯視圖),鐵芯呈圓弧形(仰視圖),通過支撐滾輪懸掛鋁板上(側(cè)視圖和前視圖),鋁軌道兩側(cè)貼有銅皮,銅皮與鋁板間絕緣,觸點在銅皮上滑動給線圈供電．

圖11

5 小結(jié)

學(xué)生學(xué)習(xí)磁場與磁場力、旋轉(zhuǎn)磁場和直線電機等知識點時,學(xué)生學(xué)習(xí)磁懸浮列車、電子縫紉機和磁頭定位裝置及各類數(shù)控機床等技術(shù)設(shè)備時,建議啟用此類裝置演示．

磁動力機車設(shè)計制作過程中涉及知識、技能和方法很多,經(jīng)過學(xué)生移植,可以拓展到研究課學(xué)習(xí)中．例如: (1) 低壓三相交流電知識,線圈連接方法“Y”和“Δ”變換．(2) 低壓單相交流電移相問題,電容、電感對相位的影響．(3) E555芯片的功能與應(yīng)用．(4) 基本工具使用,涉及臺虎鉗、砂輪機、臺轉(zhuǎn)、手槍鉆、鋸、刨子等工具的使用,尤其是利用小型車床加工工件的技巧．(5) 電路板的設(shè)計制作及其錫焊技術(shù)．(6) 各類工件的粘接技術(shù)．(7) 用自制工具加工有機玻璃．切割直方、切割圓弧、加熱變形與粘接加固等．磁動力機車的設(shè)計與制作是較好的工程范例．