单边短定子驱动可控磁悬浮小车设计*

袁健 胡钰涛 李东哲 林瑞和 梁亦森 肖鹏

(佛山科学技术学院物理与光电工程学院 广东 佛山 528000)

1 引言

随着科学技术的发展，新型交通工具不断涌现，其中备受研究者关注的就是20世纪60年代出现的磁悬浮列车[1].磁悬浮列车利用强大的电磁吸力或斥力实现列车与轨道之间无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车平稳前进[2,3].磁悬浮列车作为一种新型轨道交通形式，与传统的交通方式相比，具有安全性好、噪声低、运行速度快、平稳舒适、节能环保等优点，应用前景非常广阔[4,5].

按照磁悬浮的原理和方式的不同，可以分为常导电磁悬浮、超导电动磁悬浮和永磁悬浮3种形式.常导电磁悬浮列车速度可达400～500 km/h，超导电动磁悬浮列车速度可达500 km/h，永磁悬浮列车速度可达550 km/h[6].它的高速度使其在中短途距离的旅行中比乘坐飞机更具优势.然而，目前在大学物理实验中很少有直观展现基于电磁感应原理的磁悬浮列车实验教具，使得大学生们对这一新型交通工具认识不够深刻.为此，本文设计了单边短定子驱动可控磁悬浮小车.该小车稳定悬浮高度为8 mm，采用蓝牙模块连接手机，用手机App就能进行小车的停止、启动、前进、后退和调速等一系列的操作.这一款实验教具制作成本很低，能够直观展现电磁学的魅力，加深学生对电磁感应基本原理的理解，拓展学生的视野，激发他们利用物理基本原理设计光电类作品的兴趣.

2 可控磁悬浮小车的设计

可控磁悬浮小车主要由悬浮系统、驱动系统、控制系统和导向系统4部分构成.

2.1 悬浮系统设计

悬浮系统利用磁铁间同极性相斥、异极性相吸的原理设计.采用Vizimag模拟电磁软件建立模型，通过参数结构优化，发现使用多层层叠结构可以极大地提升磁场梯度的有效范围，扩展磁铁表面所能产生强磁区域的范围，并且降低了扭力的强度，可以保证可控磁悬浮小车稳定悬浮8 mm.图1为可控磁悬浮小车单边结构示意图.

图1 可控磁悬浮小车单边结构示意图

采用普通长条磁铁、铷铁硼磁铁和黑磁铁的组合产生强大的排斥力而使可控磁悬浮小车稳定悬浮.可控磁悬浮小车的轨道采用两条平行不锈钢轨道，如图2所示.

图2 可控磁悬浮小车轨道

2.2 驱动系统设计

驱动系统采用分数槽集中绕组永磁电机的展开模式，具体设计为：短初级由6个线圈组成A,B,C三相绕组；多个永磁体正反排列组成长次级，4个永磁体的排列长度等于6个线圈，如图3和图4所示.利用位置检测器检测初级的位置，并且按照顺序依次给A，B，C三相绕组通电，使初级产生的磁场方向连续均匀变化，于是气隙中所产生的行波磁场与次级相互作用从而驱动可控磁悬浮小车运动.

图3 短初级示意图

图4 长次级排列示意图

2.3 控制系统设计

控制系统采用Arduino UNO作为控制中心，使用蓝牙模块连接手机，用手机App控制磁悬浮小车的停止、启动、前进、后退和调速.手机App使用MIT App Inventor制作完成. MIT App Inventor是一个完全在线开发的Android编程环境，抛弃复杂的程式代码而使用积木式的堆叠法来完成Android程式，非常便于操作使用.

2.4 导向系统设计

导向系统采用PID控制算法，利用霍尔传感技术，确保小车在运行过程中始终悬浮在导轨的正中央.具体实现过程为：根据霍尔读数相对原始标准值偏大还是偏小而判定磁悬浮小车方位是偏左还是偏右，从而控制输出相应的带有正反方向及大小的电流信号至线圈，确保小车位于正中央.

图5给出了设计的磁悬浮小车控制器界面.利用这个控制器可以非常方便地向学生演示磁悬浮小车的停止、启动、前进、后退和调速，具有很强的观赏性.

图6和图7分别显示了可控磁悬浮小车内部结构和外观图.

图6 可控磁悬浮小车内部结构

图7 可控磁悬浮小车外观

从图中可以看出，小车体积小，结构紧凑，制作成本低，并且可以稳定地悬浮在导轨中央，是一款比较好的展现电磁感应原理的实验教具.

3 结论

本文利用电磁感应基本原理设计了一款采用Arduino UNO作为控制中心，用手机App遥控的可控磁悬浮小车.采用Vizimag模拟电磁软件建立模型，利用普通长条磁铁、铷铁硼磁铁和黑磁铁层叠结构使小车稳定悬浮8 mm，减小了小车在运行中的阻力；利用PID算法调节电流信号大小和方向，保证了小车始终位于导轨正中央.这一款小车结构紧凑、制备成本低，可以用手机控制它的启动、停止、前进、后退和调速，是一款比较好的展现电磁感应原理的实验教具.