謝春君

問題的提出

教學(xué)過程中時(shí)常有學(xué)生提問磁懸浮列車前進(jìn)的原理是什么，數(shù)控機(jī)床的行車是怎樣運(yùn)行的，這些問題都與磁場(chǎng)力有關(guān)。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了一些基礎(chǔ)的磁場(chǎng)知識(shí)，但對(duì)于這些裝置缺少感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生不了解其中的結(jié)構(gòu)與工作原理。于是，我就有了設(shè)計(jì)磁動(dòng)力機(jī)車的想法。

設(shè)計(jì)原理

磁動(dòng)力機(jī)車是利用直線電機(jī)原理制作而成的動(dòng)力小車。

直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

平板形直線異步電動(dòng)機(jī)可以看作是將普通鼠籠轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開后展平而成。對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級(jí);對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一邊稱為次級(jí)。實(shí)際平板形直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度和次級(jí)長(zhǎng)度并不相等，通常是次級(jí)較長(zhǎng)。初級(jí)包括硅鋼片疊成的鐵芯、線圈繞組、電刷等，把這些安裝在一輛帶有輪子的小車上，即構(gòu)成磁動(dòng)力機(jī)車;次級(jí)包括木質(zhì)長(zhǎng)直軌道、鋁包裹鐵芯、銅柱供電導(dǎo)軌、變壓器和控制電路及換向運(yùn)行裝置等部分，是為磁動(dòng)力機(jī)車運(yùn)行提供的長(zhǎng)直軌道。

工作原理

在普通鼠籠轉(zhuǎn)子三相電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相對(duì)稱電流時(shí)，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而在其閉合回路中生成電流，帶電的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)行進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。改變?nèi)嚯娏鞯南嘈驎r(shí)，可以使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向改變。在直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)的三相繞組中通入三相對(duì)稱電流時(shí)，其在氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是運(yùn)動(dòng)的，只是沿直線方向移動(dòng)，稱之為移行磁場(chǎng)。次級(jí)也會(huì)因此而沿移行磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向移動(dòng)，移行磁場(chǎng)及次級(jí)的移動(dòng)方向也由三相電流的相序決定。

制作過程

軌道設(shè)計(jì)與制作

軌道材料準(zhǔn)備：細(xì)工木板2400mm×1200mm×16mm;銅皮2280mm×35mm×0.2mm;銅柱2根，直徑6mm、長(zhǎng)2280mm;鐵芯2280mm×33mm×7mm;變壓器3只，220V/24V。軌道設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示，控制電路圖略。

機(jī)車設(shè)計(jì)與制作

機(jī)車材料準(zhǔn)備：E型硅鋼片1kg;漆包線1卷，直徑0.4mm;有機(jī)玻璃板和電木板等。設(shè)計(jì)圖如圖2所示，控制電路圖略。

注意事項(xiàng)

◇間距問題：初級(jí)的磁動(dòng)力機(jī)車要在次級(jí)的長(zhǎng)直軌道上運(yùn)行，車輪的輪間距要與長(zhǎng)直軌道上供電銅柱間距相同，制作誤差小于1mm。

◇阻力問題：第一，銅柱焊接必須保證表面平滑且能承受一定的力。銅柱不足2280mm長(zhǎng)，需兩端焊接使用。焊接時(shí)，先將要對(duì)接的銅柱端各打1個(gè)直徑1mm的孔，插入一段直徑略小于1mm的銅絲和細(xì)焊絲，然后用酒精燈加熱，外部涂抹焊錫。第二，車輪與銅柱軌道凹凸吻合，車輪軸加裝軸承以減小摩擦。第三，調(diào)節(jié)適合的碳刷與軌道間接觸壓力，做到既接觸良好又不會(huì)產(chǎn)生過大的摩擦力。同時(shí)，要注意機(jī)車整體的重心分布問題。

◇轉(zhuǎn)向問題：機(jī)車在軌道運(yùn)行，軌道只有2m多一點(diǎn)，每運(yùn)行1次只需1s左右的時(shí)間。為了使機(jī)車連續(xù)運(yùn)行，要設(shè)計(jì)一個(gè)控制換向裝置。機(jī)車運(yùn)行到一段時(shí)，滑桿受到撞擊而推動(dòng)雙刀雙擲開關(guān)工作，機(jī)車立即反向運(yùn)行。

◇定時(shí)控制問題：機(jī)車在軌道上運(yùn)行時(shí)，工作電流比較大（小于2A），會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，不能長(zhǎng)時(shí)間工作。為此，需設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電路。取低壓輸出變壓器的相電壓，經(jīng)7812芯片穩(wěn)壓給時(shí)基電路E555供電，E555輸出控制繼電器工作近2分鐘自動(dòng)斷電保護(hù);若仍繼續(xù)運(yùn)行，則觸發(fā)安裝在軌道控制面板上的開關(guān)啟動(dòng)。

優(yōu)化改進(jìn)

此裝置完成后，經(jīng)過幾輪基礎(chǔ)課、拓展研究課的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)有幾處需要改進(jìn)：①電源的限制，此裝置只能在固定實(shí)驗(yàn)室展示;②長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，不便移動(dòng);③單一直軌道不能滿足需要;④放在平面上，學(xué)生觀察不夠直觀。針對(duì)這些問題，我又設(shè)計(jì)制作了更新?lián)Q代產(chǎn)品。

單相短軌道磁動(dòng)力機(jī)車

當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為2個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這2個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生2個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。

要使單相電機(jī)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來，我們可在定子中加上1個(gè)起動(dòng)繞組，起動(dòng)繞組與主繞組在空間上相差90°，起動(dòng)繞組要串接1個(gè)合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°，即所謂的分相原理。這樣，2個(gè)在時(shí)間上相差90°的電流通入2個(gè)在空間上相差90°的繞組，將會(huì)在空間上產(chǎn)生（兩相）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子就能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由于電容的移相作用比較明顯，只要在啟動(dòng)繞組中串入適當(dāng)容量的電容（一般約為20～50uF），就可使2繞組的電流相位差接近于90°，這時(shí)的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)接近于圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大同時(shí)啟動(dòng)電流較小。軌道長(zhǎng)1m，單相交流電供電，其他都與前面設(shè)計(jì)基本相同（圖3）。

單相水平圓軌道磁動(dòng)力機(jī)車

圓軌道用軌道1.6mm厚、直徑120mm的鋁板敲制而成。機(jī)車采用雙邊初級(jí)線圈構(gòu)成，鐵芯做成圓弧形，通過支撐滾輪懸掛鋁板上。鋁軌道兩側(cè)的貼有銅皮，銅皮與鋁板之間絕緣，通過觸點(diǎn)在銅皮上滑動(dòng)給線圈供電。與單相豎直圓軌道磁動(dòng)力機(jī)車的原理相同，制作方法與水平軌道相近。

作用與功能

◇教學(xué)演示，認(rèn)知結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)課教學(xué)磁場(chǎng)與磁場(chǎng)力、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、直線電機(jī)等知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可用此裝置演示運(yùn)行、結(jié)構(gòu)及原理;學(xué)生學(xué)習(xí)磁懸浮列車、液態(tài)金屬的輸送和攪拌、電子縫紉機(jī)和磁頭定位裝置、直線電機(jī)沖壓機(jī)及各類數(shù)控機(jī)床等技術(shù)設(shè)備時(shí)，也可以用此裝置演示原理運(yùn)行及結(jié)構(gòu)。

◇拓展研究，學(xué)會(huì)方法：磁動(dòng)力機(jī)車設(shè)計(jì)制作過程中涉及幾類知識(shí)、幾種技能和多種方法，學(xué)生可以將這些方法、技能用到拓展課、研究課的學(xué)習(xí)中。

◇課題研究，創(chuàng)造創(chuàng)新：“磁動(dòng)力機(jī)車的設(shè)計(jì)與制作”本身就是工程類的研究課題，通過問題發(fā)現(xiàn)選題、方案設(shè)計(jì)論證、確定制作計(jì)劃、制作加工及其應(yīng)用完善等環(huán)節(jié)都為學(xué)生開展課題研究作了很好的范例。