示教用磁動力機車設計與制作

謝春君

(上海市宜川中學，上海 200065)

1 問題提出

1.1 學習中的問題

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等是磁場區域,內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 教學中的問題

常有學生提問磁懸浮列車前進的原理是什么?數控機床的行車是怎樣運行的?

雖然學生學習過磁場力的入門知識,但是對這些裝置缺少感性認識,不了解其結構與工作原理,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,就有了設計制作磁動力機車的想法．

2 磁動力機車設計與制作

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 直線電機基本結構

平板型直線異步電動機可看作將普通鼠籠轉子三相異步電動機沿徑向剖開后展平而成．對應于旋轉電動機的定子一邊嵌有三相繞組,稱為初級;對應于轉子這邊稱為次級．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,即構成磁動力機車;次級包括木質長直軌道、銅(或鋁)皮包裹鐵芯、銅柱供電導軌、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,會在氣隙中產生旋轉磁場,切割轉子導條在其閉合回路中生成電流,帶電轉子在磁場作用下產生電磁轉矩,使轉子沿旋轉磁場行進方向而旋轉．改變三相電流相序,可使旋轉磁場及轉子的旋轉方向改變．

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 軌道設計與制作(長度單位mm)

(1) 材料選取:細工木板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) 設計圖紙:見圖3．上為俯視圖;下為側視圖．軌道制作過程的關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,X、Y、Z3根導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,內部緊密,表面平整,尤其不要出現毛刺．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鐵芯的結構尺寸而定．根據線圈鐵芯間距和交流電頻率,計算線圈匝數,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是開關指示燈線路圖．指示燈安裝在車體前后兩側共計兩組,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 典型問題與關鍵技術

(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,調節碳刷與軌道間的接觸壓力適合,做到既接觸良好,又不會產生過大的摩擦力．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．為了使機車連續運行,設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,會產生較大熱量,不宜長時間工作．為此設計自動控制電路,見圖9．取低壓輸出變壓器的相電壓,經7812芯片穩壓給時基電路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,需觸發安裝在軌道控制面板上的啟動開關．

圖9

4 優化改進

4.1 存在不足

經過幾輪基礎課和拓展研究課的應用,發現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生學習的需要．

針對這些問題,經過論證,找到改進提升的方法,又設計制作了更新換代樣機．

4.2 單相短軌道磁動力機車

設計基本同上,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,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,將會在空間上產生(兩相)旋轉磁場,在這個旋轉磁場作用下,轉子就能自動旋轉．

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(側視圖和前視圖),鋁軌道兩側貼有銅皮,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

學生學習磁場與磁場力、旋轉磁場和直線電機等知識點時,學生學習磁懸浮列車、電子縫紉機和磁頭定位裝置及各類數控機床等技術設備時,建議啟用此類裝置演示．

磁動力機車設計制作過程中涉及知識、技能和方法很多,經過學生移植,可以拓展到研究課學習中．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芯片的功能與應用．(4) 基本工具使用,涉及臺虎鉗、砂輪機、臺轉、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) 電路板的設計制作及其錫焊技術．(6) 各類工件的粘接技術．(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．磁動力機車的設計與制作是較好的工程范例．