[发明专利]钢球磁悬浮运动实验装置

说明书

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及到一种吸引钢球的磁悬浮运动实验装置。

背景技术

磁悬浮技术越来越受到人们的重视，该技术已应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承、储能飞轮、超净加工室内物体的磁悬浮搬运系统、实验教学和演示等方面。磁悬浮列车是利用车体与轨道之间的磁力抵消地球引力，通过直线电机的驱动，实现列车在轨道上的悬浮运行。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，是一种具有广阔前景的新型交通工具，磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，利用电磁铁与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右，其速度可达每小时400～500公里。超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，利用超导磁体产生的强磁场，在列车运行时与安装在地面上的线圈相互作用，产生电磁斥力将列车悬起，悬浮高度一般为100～150毫米左右，运行速度可达每小时500公里以上。

上述磁悬浮列车所存在的一个技术问题是常导磁悬浮系统是以电磁力实现悬浮、导向和驱动功能的，其控制系统相当复杂。磁悬浮列车所存在的另一个技术问题是需要低温冷却系统，操作不变，运行成本高，虽然已有高温超导磁悬浮列车模型，但仍需低温冷却条件。

利用高温超导磁悬浮原理制作的磁悬浮列车模型已有报道，其中我国西南交通大学研制的列车是世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。此高温超导磁悬浮实验车采用高温超导块材与轨道之间的电磁吸力将列车悬起，在液氮温度条件下(77K)，可以连续工作超过6小时，悬浮总重量530公斤，可载5人，悬浮净高度23毫米，稳定性较好，悬浮刚度较高。该“车”的永磁导轨到长15.5米，用直线电机推进，加速度1米/秒²，它是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。但是这辆高温超导磁悬浮实验车制造工艺复杂，耗资大，而且形体巨大，不能普及到一般的高校实验室和展览馆，因此很多人无法亲眼看到列车运行的演示。

形体较小的超导磁悬浮列车演示装置目前国内也有报道，例如陕西师范大学，北京同方辰源科技发展中心的THP-1型超导磁悬浮演示装置，北京英纳超导技术有限公司的高温超导磁悬浮演示装置，北京特运科技有限公司的超导磁悬浮车演示模型等。这些模型装置都是利用超导体的抗磁性使高温超导体悬浮在永磁轨道上。THP-1型超导磁悬浮演示装置是一台高临界温度超导体磁悬浮列车物理课堂演示装置，该装置为一个盛放高温度超导体的列车模型，在具有磁束缚的封闭磁轨道上方悬浮，或在磁轨道下方倒挂“悬挂”，并可在旋转磁场加速装置作用下，沿着长度约为1.7m的封闭磁轨道，以悬浮或倒挂状态无摩擦地连续运转。高温超导磁悬浮演示装置是一种适用于大、中、小学的物理学课堂演示以及科技馆、少年宫等单位的展示、教学用超导教学仪器。发明人所在的课题组研制的超导磁悬浮车演示模型综合了超导、仪表、电子、低温、磁路设计、直线电机原理、自动控制等方面的知识，可以加强学生对现代科技的认识并激发其对高新技术的兴趣。超导磁悬浮车演示模型由环形轨道和超导小车模型组成，轨道由铁环和吸附在其上的钕铁硼(NdFeB)永久磁铁材料构成，当钇钡铜氧(YBCO)超导材料被冷却到液氮温度时，车体就可以稳定地悬浮在轨道上方。此时只要沿轨道方向给车体一个很小的推动力，悬浮车就将沿轨道延伸方向运动。如果轨道磁场非常均匀(没有磁阻尼的理想状态)，且车体在封闭的真空环境中运动，车的运动速度将不会衰减。目前，已有的小型高温超导磁悬浮实验车模型能够让人们在感知此类现象的同时，让老师、学生和广大群众了解与超导磁悬浮列车系统相关的各种技术。就这种小型高温超导磁悬浮实验车模型也需要用液氮，由于液氮并不是在任何地方都有，即就是有，每次做实验还得去买，因此对该类实验装置的普及尚有难度，特别是在偏远地区。

在大专院校物理课的教学中，当前迫切需要解决的一个技术问题是提供一种结构简单、体积小、实验条件容易实现、成本低、演示直观的磁悬浮教学实验演示仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述电磁悬浮装置的缺点，提供一种设计合理、结构简单、体积小、演示直观、演示效果好、便于在常温下进行实验研究的钢球磁悬浮运动实验装置。