示教用磁动力机车设计与制作

谢春君

问题的提出

教学过程中时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，这些問题都与磁场力有关。学生虽然学习了一些基础的磁场知识，但对于这些装置缺少感性认识，学生不了解其中的结构与工作原理。于是，我就有了设计磁动力机车的想法。

设计原理

磁动力机车是利用直线电机原理制作而成的动力小车。

直线电机基本结构

平板形直线异步电动机可以看作是将普通鼠笼转子三相异步电动机沿径向剖开后展平而成。对应于旋转电动机定子的一边嵌有三相绕组，称为初级;对应于旋转电动机转子的一边称为次级。实际平板形直线电动机初级长度和次级长度并不相等，通常是次级较长。初级包括硅钢片叠成的铁芯、线圈绕组、电刷等，把这些安装在一辆带有轮子的小车上，即构成磁动力机车;次级包括木质长直轨道、铝包裹铁芯、铜柱供电导轨、变压器和控制电路及换向运行装置等部分，是为磁动力机车运行提供的长直轨道。

工作原理

在普通鼠笼转子三相电动机的定子绕组中通入三相对称电流时，会在气隙中产生旋转磁场，转子导条切割旋转磁场而在其闭合回路中生成电流，带电的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旋转。改变三相电流的相序时，可以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时，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的方向移动，移行磁场及次级的移动方向也由三相电流的相序决定。

制作过程

轨道设计与制作

轨道材料准备：细工木板2400mm×1200mm×16mm;铜皮2280mm×35mm×0.2mm;铜柱2根，直径6mm、长2280mm;铁芯2280mm×33mm×7mm;变压器3只，220V/24V。轨道设计图纸如图1所示，控制电路图略。

机车设计与制作

机车材料准备：E型硅钢片1kg;漆包线1卷，直径0.4mm;有机玻璃板和电木板等。设计图如图2所示，控制电路图略。

注意事项

◇间距问题：初级的磁动力机车要在次级的长直轨道上运行，车轮的轮间距要与长直轨道上供电铜柱间距相同，制作误差小于1mm。

◇阻力问题：第一，铜柱焊接必须保证表面平滑且能承受一定的力。铜柱不足2280mm长，需两端焊接使用。焊接时，先将要对接的铜柱端各打1个直径1mm的孔，插入一段直径略小于1mm的铜丝和细焊丝，然后用酒精灯加热，外部涂抹焊锡。第二，车轮与铜柱轨道凹凸吻合，车轮轴加装轴承以减小摩擦。第三，调节适合的碳刷与轨道间接触压力，做到既接触良好又不会产生过大的摩擦力。同时，要注意机车整体的重心分布问题。

◇转向问题：机车在轨道运行，轨道只有2m多一点，每运行1次只需1s左右的时间。为了使机车连续运行，要设计一个控制换向装置。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，机车立即反向运行。

◇定时控制问题：机车在轨道上运行时，工作电流比较大（小于2A），会产生较大的热量，不能长时间工作。为此，需设计自动控制电路。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分钟自动断电保护;若仍继续运行，则触发安装在轨道控制面板上的开关启动。

优化改进

此装置完成后，经过几轮基础课、拓展研究课的应用，发现有几处需要改进：①电源的限制，此装置只能在固定实验室展示;②长度偏长，不便移动;③单一直轨道不能满足需要;④放在平面上，学生观察不够直观。针对这些问题，我又设计制作了更新换代产品。

单相短轨道磁动力机车

当单相正弦电流通过定子绕组时，电机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为2个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这2个旋转磁场在转子中产生2个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。

要使单相电机能自动旋转起来，我们可在定子中加上1个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90°，起动绕组要串接1个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90°，即所谓的分相原理。这样，2个在时间上相差90°的电流通入2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。由于电容的移相作用比较明显，只要在启动绕组中串入适当容量的电容（一般约为20～50uF），就可使2绕组的电流相位差接近于90°，这时的合成旋转磁场接近于圆形旋转磁场，因而启动转矩大同时启动电流较小。轨道长1m，单相交流电供电，其他都与前面设计基本相同（图3）。

单相水平圆轨道磁动力机车

圆轨道用轨道1.6mm厚、直径120mm的铝板敲制而成。机车采用双边初级线圈构成，铁芯做成圆弧形，通过支撑滚轮悬挂铝板上。铝轨道两侧的贴有铜皮，铜皮与铝板之间绝缘，通过触点在铜皮上滑动给线圈供电。与单相竖直圆轨道磁动力机车的原理相同，制作方法与水平轨道相近。

作用与功能

◇教学演示，认知结构：基础课教学磁场与磁场力、旋转磁场、直线电机等知识点时，可用此装置演示运行、结构及原理;学生学习磁悬浮列车、液态金属的输送和搅拌、电子缝纫机和磁头定位装置、直线电机冲压机及各类数控机床等技术设备时，也可以用此装置演示原理运行及结构。

◇拓展研究，学会方法：磁动力机车设计制作过程中涉及几类知识、几种技能和多种方法，学生可以将这些方法、技能用到拓展课、研究课的学习中。

◇课题研究，创造创新：“磁动力机车的设计与制作”本身就是工程类的研究课题，通过问题发现选题、方案设计论证、确定制作计划、制作加工及其应用完善等环节都为学生开展课题研究作了很好的范例。