活塞式電磁發動機模型設計

萬廣福

摘 要：電磁懸浮技術利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑等優點。在汽車工程領域中利用這一技術，能很好彌補傳統發動機能耗大、污染嚴重、效率低下等不足。這一類活塞式電磁發動機一方面提高了發動機的效率，另一方面也保護了環境，具有很大的研發價值。

關鍵詞：磁懸浮 活塞式 發動機

中圖分類號：TK441 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0029-02

傳統的汽車發動機能耗大、污染嚴重、效率低下，因此汽車工程領域正積極研發新型發動機解決這些問題。考慮到電磁懸浮技術具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等優點，都恰能彌補傳統發動機的不足，所以該課題試圖將磁懸浮這一高新技術與汽車發動機結合起來，充分發揮磁懸浮的優點，設計一種以電磁驅動的新型發動機，為綠色能源的開發探索出一條新的道路。

該文將從原理解釋、電路設計、機械設計、前景展望等幾個方面來進行理論分析與簡易模型設計，目的在于探明電磁懸浮的力學特性，運用電磁學規律設計電路，最終設計模型，驗證合理性。

1 基本原理

電磁懸浮技術簡稱EML（Electromagnetic Levitation）技術。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現對金屬的懸浮[1]。簡單來說，電磁懸浮技術就是利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，進而完全脫離接觸面，懸浮在空中。磁懸浮列車就是這一技術的最好體現。

實際中，磁懸浮列車不僅能懸浮空中，不與軌道接觸，還能依靠磁力作用驅動列車前進。這是因為在位于軌道兩側的線圈里流動的交流電，能將線圈變成電磁體，而它與列車上的電磁體能夠相互作用，進而使列車開動。這與同步直線電動機的原理一模一樣，即：相當于電動機轉子和定子之間的旋轉運動變成了磁懸浮列車和軌道之間的直線運功。磁懸浮列車相當于電動機的轉子，而軌道相當于電動機的定子[2]。列車前進時，頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體S極所吸引，同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體N極所排斥，產生一個向前的推力，這樣周而復始，列車不斷前進。

顯然，借鑒磁懸浮列車的基本原理，在傳統的活塞式發動機中應用電磁懸浮技術，可以有效避免傳統發動機能耗大、效率低的缺點，并且因為電磁驅動沒有附加產物，不會污染環境，非常符合現代汽車工程中的“低碳”理念。

2 電路設計

傳統的汽車發動機（內燃機）通過使燃料在機器內部燃燒，將其放出的熱能直接轉換為動能。這一過程，活塞隨著氣體狀態的不斷改變進行往復直線運動，再由曲柄等機構將其轉化為驅動輪轉動的動能，進而使汽車前進。

所以設計發動機的關鍵在于如何使活塞往復運動。對此，該課題采用的是單向電磁驅動，即：將活塞置于豎直狀態下工作，通過電磁的驅動使活塞完成豎直向上的直線運動，再通過重力讓活塞自由下落，完成豎直向下的直線運動，如此往復，使活塞得以不停運動。

其中，電磁驅動部分需要設計相應電路，完成對磁體活塞不斷上推的作用，并在最高點處對電路短路，解除電磁作用使活塞僅受重力作用。考慮到單邊電磁作用下產生的法向作用力，會產生不必要的機械振動與損耗，實際采用雙邊模型[3]，以此消除法向作用力，使活塞能真正懸浮起來。

因為兩邊具有對稱性，電路設計僅以單邊為例，如圖1所示。整套電路由兩組電極相反的電路組成，每組電路在電磁作用下產生極性相同且相互串聯的電磁鐵。整個系統中，極性不同的電磁鐵相鄰排列，這樣使得磁體活塞上端的N極被靠上一點的電磁體S極所吸引，同時又被稍下一點的電磁體N極所排斥，產生一個向上的推力。當活塞到達頂端時，短路連通，兩組電磁鐵失去磁力，活塞只受向下的重力作用。

3 機械設計

活塞式電磁發動機仍舊采用傳統發動機的活塞曲柄機構，最大的區別在于活塞采用磁性材料，氣缸壁內安有與外界電路相連的電磁鐵。如圖2是一個活塞的電磁發動機的三維示意圖，曲柄處有固定裝置，一側曲柄與飛輪相連，使活塞往復運動的動能能傳遞出去。

由于結構簡單，這一裝置可采用模塊化處理。活塞曲柄機構利用市面上現有的型號即可（活塞需要時磁性材料）；考慮到慣性作用，飛輪可采用黃銅等慣性力矩較大的材料；外部電源由兩組極性相反的電池組構成。另外，根據實際情況可在氣缸頂部固定一段適當長度的導電彈簧。

開關閉合后，活塞兩側的電磁鐵對活塞磁體產生磁力作用，促使活塞不斷向上運動。當活塞接觸到彈簧時，由于活塞本身和彈簧的導電性，兩組外部電路與活塞和彈簧構成通路，使電磁鐵部分短路，電磁力消失，但在飛輪慣性力的作用下，活塞仍舊向上運動。運動到最高點處，彈簧被壓緊。之后在彈性力與重力作用下，活塞開始向下運動。當活塞與彈簧分離時，活塞兩側的電磁鐵再次對活塞磁體產生磁力作用，但依靠飛輪的慣性力，活塞仍舊向下運動，直到最低點。之后活塞在電磁力的作用下又開始向上運動，這樣循環往復，活塞不停運動。

4 結語

活塞式電磁發動機不同于傳統的汽車發動機，其活塞依靠電磁懸浮技術與氣缸壁部分無需接觸、無需潤滑，減少了摩擦帶來的機械損失，大大提高了發動機的效率。同時，因為電磁驅動僅依靠電力，不會像傳統燃料一般產生附加產物，對環境沒有直接污染，充分體現了低碳環保的思想。

但因為技術水平等因素的限制，這一設想還很難大幅度地投入生產，應用到實際。不可否認的是，結合電磁懸浮技術研發新型發動機一定是汽車工程領域的重要方向。

參考文獻

[1] 電磁懸浮技術[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[2] 磁懸浮列車[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[3] 楊帥.永磁直流直線電機推力的優化設計[D].河北工業大學，2012.

[4] 孫麗，汪邦家.電磁驅動小車的制作方法[J].中學物理教學參考，2015（4）：72.