示教用磁动力机车设计与制作

谢春君

(上海市宜川中学，上海 200065)

1 问题提出

1.1 学习中的问题

如图1所示,平行轨道MN和PQ上有一辆平板小车,车上有一个通电线框,图中1、2、3、4、5等是磁场区域,内有垂直纸面向里或向外的磁场．要使小车在图示位置时受到向右的推力,此时1、2部分的磁场方向是怎样的?

图1

1.2 教学中的问题

常有学生提问磁悬浮列车前进的原理是什么?数控机床的行车是怎样运行的?

虽然学生学习过磁场力的入门知识,但是对这些装置缺少感性认识,不了解其结构与工作原理,即使听了教师讲解图1中的小车怎样运动,他们也很难真正理解．于是,就有了设计制作磁动力机车的想法．

2 磁动力机车设计与制作

磁动力机车是利用直线电机原理制作而成的动力小车．

2.1 直线电机基本结构

平板型直线异步电动机可看作将普通鼠笼转子三相异步电动机沿径向剖开后展平而成．对应于旋转电动机的定子一边嵌有三相绕组,称为初级;对应于转子这边称为次级．实际的平板型直线电动机初级长度和次级长度并不相等,而是次级较长．初级包括硅钢片叠层铁芯、线圈绕组和电刷等,安装在有轮小车上,即构成磁动力机车;次级包括木质长直轨道、铜(或铝)皮包裹铁芯、铜柱供电导轨、变压器和控制电路及换向装置等,为磁动力机车提供了长直轨道．

2.2 工作原理

普通鼠笼转子三相电动机的定子绕组若通入三相对称电流,会在气隙中产生旋转磁场,切割转子导条在其闭合回路中生成电流,带电转子在磁场作用下产生电磁转矩,使转子沿旋转磁场行进方向而旋转．改变三相电流相序,可使旋转磁场及转子的旋转方向改变．

在直线电动机初级的三相绕组中通入三相对称电流,其在气隙中产生的磁场也是运动的,只是沿直线方向移动,称之为移行磁场,次级也会因此而沿移行磁场运动方向而移动,移行磁场及次级的移动方向也由三相电流的相序决定．

参见图2,设电源频率为f,电机极距为d,则磁场移动速度为

图2

vs=2fd.

(1)

令次级速度为v,则有滑差率为

s=vs-v/vs.

(2)

所以,次级移动速度为

v=2fd(1-s).

(3)

3 磁动力机车制作图解

3.1 轨道设计与制作(长度单位mm)

(1) 材料选取:细工木板2400×1200×16;铜皮2280×35×0.2;铜柱2根直径6，长2280;铁芯2280×33×7;变压器3只,220 V/24 V．

(2) 设计图纸:见图3．上为俯视图;下为侧视图．轨道制作过程的关键是铁芯加工处理要平直,与铜制外皮充分贴紧．

图3

(3) 电源电路:见图4．电器元件安装在轨道反面的箱子内,X、Y、Z3根导线穿过轨道底板与固定在上面的两根铜柱及铜皮连接．

图4

3.2 机车设计与制作

(1) 材料选取:E型硅钢片1 kg;漆包线1 kg直径0.4;有机玻璃板和电木板等．

(2) 设计图纸:图5是机车底板平面图．制作机车过程中,线圈铁芯的加工与制作是关键．拆旧硅钢片表面清洁干净、叠加粘合、台虎钳上加固而成,内部紧密,表面平整,尤其不要出现毛刺．要重视线圈框架的制作和线圈的绕制．自制线圈框架要根据铁芯的结构尺寸而定．根据线圈铁芯间距和交流电频率,计算线圈匝数,在框架上绕好线圈．还要注意车体与线圈铁芯组件的安装与固定,确保机车底面平整,才能与轨道表面间隙足够小．

图5

(3) 控制电路:图6是开关指示灯线路图．指示灯安装在车体前后两侧共计两组,绿灯向前,红灯向后,换向后则切换成另一组指示灯工作．

图6

3.3 典型问题与关键技术

(1) 间距问题:初级的磁动力机车要在次级的长直轨道上运行,车轮间距要与长直轨道上供电铜柱间距相同,这样,车轮上的凹槽与铜柱外圆面吻合．轨道固定要确保两条通电铜柱笔直且平行,采用三点法:先把两个端点严格等距固定,再把中点等距固定,之后边测量边用热熔胶粘合固定．机车和部分轨道的实物照片见图7．安装车轮时,通过加减垫片微调轴间距和机车底面与轨道平面的间距,两个方向的间距误差均应小于1 mm．

图7

(2) 阻力问题:第一,铜柱焊接必须保证表面平滑,并且承受一定的力．铜柱不足2280 mm长,需两端焊接使用．焊接时,先将拟对接铜柱端各打一个直径1.8 mm孔,插入直径都略小于1 mm的铜丝和细焊丝,然后用酒精灯加热,外部再涂抹焊锡．第二,车轮与铜柱轨道凹凸吻合,车轮轴加装轴承减小摩擦．第三,调节碳刷与轨道间的接触压力适合,做到既接触良好,又不会产生过大的摩擦力．同时,一定注意机车整体的重心分布问题．

(3) 转向问题:机车在轨道上运行,轨道只有2 m多一点,每运行一次只需1 s左右的时间．为了使机车连续运行,设计一个控制换向装置．见图8,机车运行到一段时,滑杆受到撞击而推动双刀双掷开关工作使图6中A、B两项对换,机车立即反向运行．

图8

(4) 定时控制问题:机车运行的工作电流比较大,会产生较大热量,不宜长时间工作．为此设计自动控制电路,见图9．取低压输出变压器的相电压,经7812芯片稳压给时基电路E555供电,E555输出控制继电器工作近2 min自动断电保护．若要重新运行,需触发安装在轨道控制面板上的启动开关．

图9

4 优化改进

4.1 存在不足

经过几轮基础课和拓展研究课的应用,发现此装置有几处需要改进:

(1) 电源限制,380 V动力电的使用限制此装置只能在固定的实验室展示．

(2) 轨道偏长,2 m半长轨道不便移动．

(3) 单一直轨道不能满足学生学习的需要．

针对这些问题,经过论证,找到改进提升的方法,又设计制作了更新换代样机．

4.2 单相短轨道磁动力机车

设计基本同上,轨道长1 m,电源改为单相低压交流电供电,整体装置见图10．要使单相电机能自动旋转,可在定子中加入一个起动绕组,其与主绕组在空间上相差90°,起动绕组串接一个合适电容,使得与主绕组电流在相位上近似相差90°．这样两个在时间上相差90°的电流通入两个在空间上相差90°的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,在这个旋转磁场作用下,转子就能自动旋转．

图10

4.3 单相水平圆轨道磁动力机车

圆轨道用1.6 mm厚的铝板敲制而成,直径120 mm,见图11．机车采用双边初级线圈构成(俯视图),铁芯呈圆弧形(仰视图),通过支撑滚轮悬挂铝板上(侧视图和前视图),铝轨道两侧贴有铜皮,铜皮与铝板间绝缘,触点在铜皮上滑动给线圈供电．

图11

5 小结

学生学习磁场与磁场力、旋转磁场和直线电机等知识点时,学生学习磁悬浮列车、电子缝纫机和磁头定位装置及各类数控机床等技术设备时,建议启用此类装置演示．

磁动力机车设计制作过程中涉及知识、技能和方法很多,经过学生移植,可以拓展到研究课学习中．例如: (1) 低压三相交流电知识,线圈连接方法“Y”和“Δ”变换．(2) 低压单相交流电移相问题,电容、电感对相位的影响．(3) E555芯片的功能与应用．(4) 基本工具使用,涉及台虎钳、砂轮机、台转、手枪钻、锯、刨子等工具的使用,尤其是利用小型车床加工工件的技巧．(5) 电路板的设计制作及其锡焊技术．(6) 各类工件的粘接技术．(7) 用自制工具加工有机玻璃．切割直方、切割圆弧、加热变形与粘接加固等．磁动力机车的设计与制作是较好的工程范例．