示教用磁動力機車設計與制作

謝春君

問題的提出

教學過程中時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，這些問題都與磁場力有關。學生雖然學習了一些基礎的磁場知識，但對于這些裝置缺少感性認識，學生不了解其中的結構與工作原理。于是，我就有了設計磁動力機車的想法。

設計原理

磁動力機車是利用直線電機原理制作而成的動力小車。

直線電機基本結構

平板形直線異步電動機可以看作是將普通鼠籠轉子三相異步電動機沿徑向剖開后展平而成。對應于旋轉電動機定子的一邊嵌有三相繞組，稱為初級;對應于旋轉電動機轉子的一邊稱為次級。實際平板形直線電動機初級長度和次級長度并不相等，通常是次級較長。初級包括硅鋼片疊成的鐵芯、線圈繞組、電刷等，把這些安裝在一輛帶有輪子的小車上，即構成磁動力機車;次級包括木質長直軌道、鋁包裹鐵芯、銅柱供電導軌、變壓器和控制電路及換向運行裝置等部分，是為磁動力機車運行提供的長直軌道。

工作原理

在普通鼠籠轉子三相電動機的定子繞組中通入三相對稱電流時，會在氣隙中產生旋轉磁場，轉子導條切割旋轉磁場而在其閉合回路中生成電流，帶電的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旋轉。改變三相電流的相序時，可以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時，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的方向移動，移行磁場及次級的移動方向也由三相電流的相序決定。

制作過程

軌道設計與制作

軌道材料準備：細工木板2400mm×1200mm×16mm;銅皮2280mm×35mm×0.2mm;銅柱2根，直徑6mm、長2280mm;鐵芯2280mm×33mm×7mm;變壓器3只，220V/24V。軌道設計圖紙如圖1所示，控制電路圖略。

機車設計與制作

機車材料準備：E型硅鋼片1kg;漆包線1卷，直徑0.4mm;有機玻璃板和電木板等。設計圖如圖2所示，控制電路圖略。

注意事項

◇間距問題：初級的磁動力機車要在次級的長直軌道上運行，車輪的輪間距要與長直軌道上供電銅柱間距相同，制作誤差小于1mm。

◇阻力問題：第一，銅柱焊接必須保證表面平滑且能承受一定的力。銅柱不足2280mm長，需兩端焊接使用。焊接時，先將要對接的銅柱端各打1個直徑1mm的孔，插入一段直徑略小于1mm的銅絲和細焊絲，然后用酒精燈加熱，外部涂抹焊錫。第二，車輪與銅柱軌道凹凸吻合，車輪軸加裝軸承以減小摩擦。第三，調節適合的碳刷與軌道間接觸壓力，做到既接觸良好又不會產生過大的摩擦力。同時，要注意機車整體的重心分布問題。

◇轉向問題：機車在軌道運行，軌道只有2m多一點，每運行1次只需1s左右的時間。為了使機車連續運行，要設計一個控制換向裝置。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，機車立即反向運行。

◇定時控制問題：機車在軌道上運行時，工作電流比較大（小于2A），會產生較大的熱量，不能長時間工作。為此，需設計自動控制電路。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分鐘自動斷電保護;若仍繼續運行，則觸發安裝在軌道控制面板上的開關啟動。

優化改進

此裝置完成后，經過幾輪基礎課、拓展研究課的應用，發現有幾處需要改進：①電源的限制，此裝置只能在固定實驗室展示;②長度偏長，不便移動;③單一直軌道不能滿足需要;④放在平面上，學生觀察不夠直觀。針對這些問題，我又設計制作了更新換代產品。

單相短軌道磁動力機車

當單相正弦電流通過定子繞組時，電機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為2個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這2個旋轉磁場在轉子中產生2個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電機無法旋轉。

要使單相電機能自動旋轉起來，我們可在定子中加上1個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90°，起動繞組要串接1個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°，即所謂的分相原理。這樣，2個在時間上相差90°的電流通入2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。由于電容的移相作用比較明顯，只要在啟動繞組中串入適當容量的電容（一般約為20～50uF），就可使2繞組的電流相位差接近于90°，這時的合成旋轉磁場接近于圓形旋轉磁場，因而啟動轉矩大同時啟動電流較小。軌道長1m，單相交流電供電，其他都與前面設計基本相同（圖3）。

單相水平圓軌道磁動力機車

圓軌道用軌道1.6mm厚、直徑120mm的鋁板敲制而成。機車采用雙邊初級線圈構成，鐵芯做成圓弧形，通過支撐滾輪懸掛鋁板上。鋁軌道兩側的貼有銅皮，銅皮與鋁板之間絕緣，通過觸點在銅皮上滑動給線圈供電。與單相豎直圓軌道磁動力機車的原理相同，制作方法與水平軌道相近。

作用與功能

◇教學演示，認知結構：基礎課教學磁場與磁場力、旋轉磁場、直線電機等知識點時，可用此裝置演示運行、結構及原理;學生學習磁懸浮列車、液態金屬的輸送和攪拌、電子縫紉機和磁頭定位裝置、直線電機沖壓機及各類數控機床等技術設備時，也可以用此裝置演示原理運行及結構。

◇拓展研究，學會方法：磁動力機車設計制作過程中涉及幾類知識、幾種技能和多種方法，學生可以將這些方法、技能用到拓展課、研究課的學習中。

◇課題研究，創造創新：“磁動力機車的設計與制作”本身就是工程類的研究課題，通過問題發現選題、方案設計論證、確定制作計劃、制作加工及其應用完善等環節都為學生開展課題研究作了很好的范例。