活塞式电磁发动机模型设计

万广福

摘 要：电磁悬浮技术利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁体具有抗拒地心引力的能力，具有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑等优点。在汽车工程领域中利用这一技术，能很好弥补传统发动机能耗大、污染严重、效率低下等不足。这一类活塞式电磁发动机一方面提高了发动机的效率，另一方面也保护了环境，具有很大的研发价值。

关键词：磁悬浮 活塞式 发动机

中图分类号：TK441 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（a）-0029-02

传统的汽车发动机能耗大、污染严重、效率低下，因此汽车工程领域正积极研发新型发动机解决这些问题。考虑到电磁悬浮技术具有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等优点，都恰能弥补传统发动机的不足，所以该课题试图将磁悬浮这一高新技术与汽车发动机结合起来，充分发挥磁悬浮的优点，设计一种以电磁驱动的新型发动机，为绿色能源的开发探索出一条新的道路。

该文将从原理解释、电路设计、机械设计、前景展望等几个方面来进行理论分析与简易模型设计，目的在于探明电磁悬浮的力学特性，运用电磁学规律设计电路，最终设计模型，验证合理性。

1 基本原理

电磁悬浮技术简称EML（Electromagnetic Levitation）技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属的悬浮[1]。简单来说，电磁悬浮技术就是利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁体具有抗拒地心引力的能力，进而完全脱离接触面，悬浮在空中。磁悬浮列车就是这一技术的最好体现。

实际中，磁悬浮列车不仅能悬浮空中，不与轨道接触，还能依靠磁力作用驱动列车前进。这是因为在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，而它与列车上的电磁体能够相互作用，进而使列车开動。这与同步直线电动机的原理一模一样，即：相当于电动机转子和定子之间的旋转运动变成了磁悬浮列车和轨道之间的直线运功。磁悬浮列车相当于电动机的转子，而轨道相当于电动机的定子[2]。列车前进时，头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥，产生一个向前的推力，这样周而复始，列车不断前进。

显然，借鉴磁悬浮列车的基本原理，在传统的活塞式发动机中应用电磁悬浮技术，可以有效避免传统发动机能耗大、效率低的缺点，并且因为电磁驱动没有附加产物，不会污染环境，非常符合现代汽车工程中的“低碳”理念。

2 电路设计

传统的汽车发动机（内燃机）通过使燃料在机器内部燃烧，将其放出的热能直接转换为动能。这一过程，活塞随着气体状态的不断改变进行往复直线运动，再由曲柄等机构将其转化为驱动轮转动的动能，进而使汽车前进。

所以设计发动机的关键在于如何使活塞往复运动。对此，该课题采用的是单向电磁驱动，即：将活塞置于竖直状态下工作，通过电磁的驱动使活塞完成竖直向上的直线运动，再通过重力让活塞自由下落，完成竖直向下的直线运动，如此往复，使活塞得以不停运动。

其中，电磁驱动部分需要设计相应电路，完成对磁体活塞不断上推的作用，并在最高点处对电路短路，解除电磁作用使活塞仅受重力作用。考虑到单边电磁作用下产生的法向作用力，会产生不必要的机械振动与损耗，实际采用双边模型[3]，以此消除法向作用力，使活塞能真正悬浮起来。

因为两边具有对称性，电路设计仅以单边为例，如图1所示。整套电路由两组电极相反的电路组成，每组电路在电磁作用下产生极性相同且相互串联的电磁铁。整个系统中，极性不同的电磁铁相邻排列，这样使得磁体活塞上端的N极被靠上一点的电磁体S极所吸引，同时又被稍下一点的电磁体N极所排斥，产生一个向上的推力。当活塞到达顶端时，短路连通，两组电磁铁失去磁力，活塞只受向下的重力作用。

3 机械设计

活塞式电磁发动机仍旧采用传统发动机的活塞曲柄机构，最大的区别在于活塞采用磁性材料，气缸壁内安有与外界电路相连的电磁铁。如图2是一个活塞的电磁发动机的三维示意图，曲柄处有固定装置，一侧曲柄与飞轮相连，使活塞往复运动的动能能传递出去。

由于结构简单，这一装置可采用模块化处理。活塞曲柄机构利用市面上现有的型号即可（活塞需要时磁性材料）；考虑到惯性作用，飞轮可采用黄铜等惯性力矩较大的材料；外部电源由两组极性相反的电池组构成。另外，根据实际情况可在气缸顶部固定一段适当长度的导电弹簧。

开关闭合后，活塞两侧的电磁铁对活塞磁体产生磁力作用，促使活塞不断向上运动。当活塞接触到弹簧时，由于活塞本身和弹簧的导电性，两组外部电路与活塞和弹簧构成通路，使电磁铁部分短路，电磁力消失，但在飞轮惯性力的作用下，活塞仍旧向上运动。运动到最高点处，弹簧被压紧。之后在弹性力与重力作用下，活塞开始向下运动。当活塞与弹簧分离时，活塞两侧的电磁铁再次对活塞磁体产生磁力作用，但依靠飞轮的惯性力，活塞仍旧向下运动，直到最低点。之后活塞在电磁力的作用下又开始向上运动，这样循环往复，活塞不停运动。

4 结语

活塞式电磁发动机不同于传统的汽车发动机，其活塞依靠电磁悬浮技术与气缸壁部分无需接触、无需润滑，减少了摩擦带来的机械损失，大大提高了发动机的效率。同时，因为电磁驱动仅依靠电力，不会像传统燃料一般产生附加产物，对环境没有直接污染，充分体现了低碳环保的思想。

但因为技术水平等因素的限制，这一设想还很难大幅度地投入生产，应用到实际。不可否认的是，结合电磁悬浮技术研发新型发动机一定是汽车工程领域的重要方向。

参考文献

[1] 电磁悬浮技术[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[2] 磁悬浮列车[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[3] 杨帅.永磁直流直线电机推力的优化设计[D].河北工业大学，2012.

[4] 孙丽，汪邦家.电磁驱动小车的制作方法[J].中学物理教学参考，2015（4）：72.