平稳可控磁悬浮演示小车的制备*

古 迪 周青云 黄楚仲 钟婷婷 吴红梅 张周粮 朱伟玲

(广东石油化工学院理学院 广东 茂名 525000)

1 引言

传统的汽车和列车依靠车轮在地面或铁轨上滚动而快速前进，当汽车和列车高速行驶时，车轮与地面或轨道存在较大的摩擦阻力，因而将难以获得人们期望的高速度.为克服传统列车运行过程中所受摩擦阻力的问题，科学家探索了将列车与轨道脱离接触的技术——磁悬浮技术[1～3].磁悬浮列车利用电磁体“同性相斥”原理，改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用电磁力悬浮车体、直线电机驱动技术，使其在高速行驶时以不到几厘米的间隙悬浮在单轨导向路上，从而实现无接触的高速运行.这是对人类地面交通技术史上的一次重大突破，被誉为21世纪一种理想的交通工具[2,4,5].磁悬浮列车的突出优点是速度快、可达500 km/h、噪音小及安静舒适等优点[6～8].在物理课程和实验课程的教学中，由于磁悬浮列车模型较复杂且昂贵，所以较难在课堂上通过磁悬浮列车模型展示磁悬浮列车的技术.本实验中，设计并制备了一种平稳可控的磁悬浮演示小车，该演示小车通过磁力克服重力使小车处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，且小车车身自带驱动电源和电路控制系统，可使小车在直道、弯道、上坡、下坡等场景中平稳地加速、减速或反方向行驶，可作为一款有效的教学或科普展示用磁悬浮演示小车.

2 磁悬浮演示小车的制备

本实验对磁悬浮演示小车各类型的悬浮系统、推进系统、导向系统进行了制备，并根据实验的最佳效果，最终制备平稳可控梯形的磁悬浮演示小车,如图1所示.

图1 平稳可控梯形磁悬浮演示小车示意图

平稳可控梯形的磁悬浮演示小车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮距离轨道约0.5 cm处，腾空行驶.轨道侧向密封护栏能减少外界对系统的干扰；小车车身设置了侧向辅助轮子，减少了小车转弯时的摩擦力，提高了小车转弯时的稳定性；小车上的小风扇给小车提供动力，使小车水平滑行以及爬坡滑行.

2.1 不同形状小车稳定性的比较

如图2(a)所示，实验最初制作的是矩形的悬浮小车，矩形小车长6 cm，宽度3 cm.车体内部，装有8颗长1.1 cm,宽0.5 cm，厚0.5 cm的磁铁(以下用①号磁铁表示)，左右对称排布，小车的磁铁与轨道的磁铁正对的面极性相同，小车受到互相排斥的力而悬浮.在实验过程中，矩形的小车悬浮高度较高，而且稳定性较差，可能的原因是：小车悬浮高度较高，受到轨道强排斥力造成小车重心不稳；小车磁铁的侧面容易被轨道磁铁的侧面吸引，导致小车容易侧翻.

如图2(b)所示，梯形小车两侧面下方按同一极性斜向下各粘贴4颗长2 cm，宽0.9 cm，厚0.2 cm的磁铁(以下用②号磁铁表示)，两侧面的磁铁磁性相同与轨道粘贴的①号磁铁的侧面相互排斥，进而悬浮起来.经过多次的实验和理论分析，梯形的车身较矩形小车更为稳定.首先梯形的小车重心会比矩形小车低，其次梯形小车的磁铁的侧面不易被轨道磁铁的侧面影响.在悬浮效果较好的情况下，进一步装上驱动动力，小车表现出不稳，出现了矩形小车所显现的问题.

如图2(c)所示，进一步对小车进行稳定实验，在梯形下底面中间粘贴3颗②号磁铁，磁铁排布方式为“N-S-N”，其中两颗②磁铁与轨道①号磁铁的内侧面相互排斥，增强小车的悬浮力，而另外一颗②磁铁作用则与其他两颗②磁铁作用相反，与轨道①号磁铁的内侧面相互吸引，使小车更平稳.且实验证实这个梯形小车的悬浮稳定性更强.

如图2(d)所示，进一步对小车车身设置了侧向辅助轮子，提高了转弯时候的稳定性和减少了小车转弯时的摩擦力.由于转弯时候，演示小车产生了一定的向心力，容易往一边倾斜，从而与挡板产生摩擦，行驶时不稳定，所以增加侧向辅助轮子，一方面，在小车发生倾斜时起到支撑作用，同时又会把与侧向护栏之间的摩擦变为摩擦力较小的滚动摩擦,提高了小车转弯时的稳定性.

图2 小车车身改进过程示意图

2.2 不同倾斜程度轨道稳定性的比较

在木板上，按磁铁极性进行排列粘贴，两列磁铁磁极向上的极性相同，小车两侧面的磁铁与轨道磁铁外侧面同极相对，使小车实现悬浮.在制作过程中，尝试两种粘贴磁铁方式制作轨道如图3所示.图3(a)是用①号磁铁按一定的间隔粘贴且极性相同.图3(b)是用②号磁铁粘贴的倾斜式轨道，磁铁与直板大约成45°角粘贴，两列磁铁侧面极性相同.本实验的小车采取梯形的车身，两侧面各粘贴4颗②号磁铁，两侧面的磁铁磁性相同与轨道粘贴的磁铁的侧面相互排斥，进而悬浮.在不断实验和改进过程中，图3(a)的轨道比图3(b)的轨道达到悬浮的效果更好，稳定性更强，主要因为图3(b)的磁铁侧面极性与小车两侧面磁铁极性相斥，两个所成的角度相同，但却在悬浮中表现极不稳定.相比较下，图3(a)的轨道表现出较大的优越性，悬浮较为稳定并且悬浮高度(0.5 cm)适合小车爬坡和转弯.

图3 水平式轨道和倾斜式轨道示意图

2.3 演示小车推进系统的制备

如图4所示，本实验中，演示小车采用双螺旋桨鼓风机作为动力推进系统，其中，两个电动机驱动电源输出电压9 V,电机额定电压是7 V.通过遥控系统控制装有螺旋桨的电动机的转动，从而产生动力.高速旋转的螺旋桨能产生较强的气流(风力)，气流向小车后方吹动时，根据反作用力原理推动小车整体向前进.此外，通过电路板控制小车.该电路板仅用于两电机独立驱动磁悬浮演示小车的两螺旋桨.前进时两电机同时正转，后退时两电机同时反转，减速时一个电机正转.从而有效地实现演示小车前进、后退、减速和停止的控制指令.

图4 演示小车推进系统示意图

2.4 模拟现实场景的轨道

如图5所示，设计了一条模拟现实场景的轨道，包括了模拟现实场景的直道、弯道、上坡、下坡等场景.在轨道中均铺设了①号永久磁铁，其中，永久磁铁之间竖间隔0.6 cm，横间隔3.6 cm.模拟现实场景的的轨道可分为3部分，第一部分是长直轨道，包括两段长直轨道，第一段是小车起动段(AB段)，为了小车平稳运行后爬坡和拐弯，第二段是小车停止段(EF段)；第二部分爬坡轨道(BCD段)，坡度最高高度2.0 cm，总弧长42 cm；第三部分拐弯轨道(DE段)，外半径25 cm，内半径16 cm.轨道两侧均用合板围起.经过不断改良小车，使小车重心降低，稳定性提高.此外，可进一步设计，采用更多的轨道，可模拟成首尾相接的闭环轨道，以便演示小车在闭环轨道内持续循环地行驶.

图5 模拟现实场景小车轨道

2.5 平稳可控磁悬浮演示小车速度

本实验中，将磁悬浮演示小车放在轨道上模拟其在平直轨道时的速度，经过多次实验测量通过直轨道所用的时间，并求出了其平均速度.如表1所示，磁悬浮演示小车通过长度为46.7 cm的直轨道所用的平均时间为0.974 s，其平均速度为47.9 cm/s，且多次实验的结果均接近于平均值.而且实验过程中磁悬浮演示小车行驶平稳可控.

表1 磁悬浮演示小车在平直轨道速度

3 结论

本实验制备了平稳可控梯形磁悬浮演示小车.研究发现该小车车身为梯形时比车身为矩形时稳定；梯形小车的永磁铁粘贴于两个侧面和底部，侧面的永磁铁用于悬浮，而底部的永磁铁有利于克服水平方向外力微扰的影响，维持运行时水平方向的稳定性；小车车身设置了侧向辅助轮子，减少了小车转弯时的摩擦力，提高了小车转弯时的稳定性.该演示小车能在模拟现实场景的直道、弯道、上坡、下坡等场景中平稳可控地加速或减速行驶，其中该磁悬浮演示小车在平直轨道的平均速度达47.9 cm/s，可作为一款有效的教学或科普展示用磁悬浮演示小车，提高学生对磁悬浮技术的兴趣.