行进式磁悬浮演示系统以及浮子静止悬浮和行进控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种行进式磁悬浮演示系统以及浮子静止悬浮和行进控制方法，演示系统包括浮子、永磁轨道、调磁线圈、磁场强度传感器、控制单元和总控单元等部分。永磁轨道是由条形磁钢沿长向拼组而成的双轨式结构，调磁线圈在永磁轨道的每根轨道的内侧沿长向排布一列；控制单元包括单片机、网络通讯模块和驱动电路等；总控单元通过网络与所有的控制单元电连接，用于控制浮子在永磁轨道上方的行进和静止悬浮。本发明专利技术系统构成简单，演示方式直观明了，即仅仅依靠一个以重力为法线的平面磁场，就可以同时完成重力方向的支撑和侧向的定位，能够以一个单一平面的隐形轨道实现浮子沿轨道的悬浮运行。因此，可以更为直观地观察到磁悬浮所提供的悬空效果。

【技术实现步骤摘要】
行进式磁悬浮演示系统以及浮子静止悬浮和行进控制方法
本专利技术涉及一种磁悬浮装置，具体地说是一种行进式磁悬浮演示系统以及浮子静止悬浮和行进控制方法。
技术介绍
现有的磁悬浮产品或演示系统中的浮子基本都是静止或围绕Z轴自由旋转的，就实际情况而言，磁悬浮系统很难做到定子的托举或牵拉磁场、浮子的悬浮磁场和浮子自身重心的完全重合与平衡。其不平衡的效果一般体现在浮子不受控制的自由度上，即体现在其Z轴上的转矩失控。有鉴于此，Z轴转矩上任何一个很小的干扰，都会因浮子在这个方向上没有任何的阻尼而显现出不稳定的状态，从而表现为浮子围绕Z轴转动的现象。由于现有磁悬浮系统对Z轴方向的转矩均无约束，所以其缺点明显，就是其浮子会在XOY平面中围绕Z轴产生无法受控的和缓慢的自由转动。CN108768214A公开了一种六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法。该磁悬浮机构包括定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统；其将悬浮、定位与位置调整这三大功能模块进行完全的分离，并且加装了平转驱动系统。因此，除了能完成悬浮功能之外，还能够在一定范围内任意控制浮子的悬浮高度、悬浮角度、悬浮旋转速度等。但是，这种磁悬浮机构也不能直观显示浮子在平面上的悬浮运动状态。磁悬浮列车是一种可在地面的轨道上运行的磁悬浮装置，但是，磁悬浮列车的规模和体量巨大，其悬浮状态的产生是依靠轨道的正面磁场对列车提供重力方向的支撑，以及轨道的侧面磁场保证列车侧向的定位和稳定，即必须要有三个平面提供完整的磁场环境。所以，磁悬浮列车的外观很像普通的高铁列车，而整个磁悬浮系统必须坐落在一个立体的轨道上，并“包裹”在该轨道上运行，不能直接观察其悬浮结构和运动状态。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种行进式磁悬浮演示系统以及浮子静止悬浮和行进控制方法，以解决现有磁悬浮机构中的浮子围绕Z轴的自由转动和不能直观演示浮子在平面状态下的悬浮运行的问题。本专利技术的目的是这样实现的：一种行进式磁悬浮演示系统，包括：浮子，为磁性体，通过磁力支撑在永磁轨道上方沿宽度方向的中心处；永磁轨道，由若干条形磁钢沿长向拼组成双列排布的双轨式轨道，用于形成支撑浮子的托举磁场；调磁线圈，有若干个，在所述永磁轨道的内侧沿轨道长向呈双列排布；磁场强度传感器，有若干个，在两列所述调磁线圈之间沿轨道长向呈单列排布，用于检测浮子在永磁轨道上的精确位置；控制单元，分别与在轨道宽度方向排成一行的一个所述磁场强度传感器和两个所述调磁线圈电连接，用于控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮；以及总控单元，通过网络通讯模块与各控制单元电连接，用于向控制单元发送包括浮子在永磁轨道上方行进以及在轨道上方静止悬浮在内的总控指令。所述控制单元包括：网络通讯模块，分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元与控制单元之间以及控制单元与总控单元之间的信息通讯；驱动电路，分别与单片机和调磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整调磁线圈励磁电流的大小和方向；以及单片机，分别与所述磁场强度传感器、网络通讯模块和驱动电路相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维检测信息，分别调整轨道宽度方向上同行的两个调磁线圈中励磁电流的大小和方向，以控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮。所述永磁轨道中的两条轨道的磁极极性的设置方向相同，并垂直于支撑演示系统的底板平面，所述浮子的磁极极性的设置方向与永磁轨道的磁极极性的设置方向相同。所述永磁轨道可以是平面状态下的闭合的环形轨道，也可以是平面状态下的直线或曲线形轨道。对于后者，在轨道的两端分别设置有封挡端部开口的端部磁条，在所述端部磁条的内侧居中位置处设置有端部线圈，所述端部线圈通过驱动电路连接到对应的轨道端部的控制单元中。本专利技术中的所述浮子为单体结构或是基于级联方式的多磁芯连体结构。如果是采用多磁芯连体结构的浮子，其长度设置的要求是，当其后端的磁芯中心正对下方的某个磁场强度传感器时，其前端的磁芯中心则正对下方两个磁场强度传感器接缝处的控制共享区。本专利技术磁悬浮演示系统的系统构成简单，演示方式直观明了，即仅仅依靠一个以重力为法线的平面磁场，就可以同时完成重力方向的支撑和侧向的定位。所以，本专利技术能够以一个单一平面的隐形轨道，实现浮子沿轨道的悬浮运行，以及在轨任意点位的静止悬浮。因此，通过本专利技术可以更为直观地观察到磁悬浮所提供的悬空效果。特别是，该演示方式能够明确彰显磁悬浮技术的独到优势——浮子在运动过程中的机械阻尼几乎为零。这些特点均可为观察者留下深刻的印象。本专利技术还可这样实现：一种行进式磁悬浮演示系统中的浮子静止悬浮和行进控制方法，所述浮子悬浮于永磁轨道之上，浮子中的每个磁芯所在的三维位置信息都被其下方的磁场强度传感器所感知，该位置信息传输到对应控制单元中的单片机，该单片机对磁芯位置进行分析，并给出调磁线圈的控制信号，送入驱动电路；控制信息经由驱动电路中的功放电路放大后，分别驱动永磁轨道两侧的调磁线圈，以便产生相应的磁场；该磁场有两个组成部分：一是居中磁场，使得浮子能够在永磁轨道的宽度方向始终保持居中；二是行进磁场，用于动态调整浮子在永磁轨道的长度方向的位置和走向；由此使得浮子既能处于稳定的静止状态，又能沿着永磁轨道的长度方向完成行进动作。附图说明图1是本专利技术磁悬浮演示系统的系统构成框图。图2是本专利技术磁悬浮演示系统中的悬浮装置的结构示意图。图3是本专利技术所采用的虚实调节器的原理示意图。图4是控制共享区的形成示意图。图中：1、永磁轨道，2、调磁线圈，3、磁场强度传感器，4、浮子，5、控制共享区，6、端部磁条，7、端部线圈。具体实施方式如图1、图2所示，本专利技术行进式磁悬浮演示系统包括浮子4、永磁轨道1、调磁线圈2、磁场强度传感器3、控制单元和总控单元等部分。如图2所示，永磁轨道1是由若干条形磁钢沿长向拼组成双列并行排布的双轨式轨道，其既可以是平面状态下的闭合的环形轨道，也可以是平面状态下的直线或曲线形轨道。两条轨道的磁极极性的设置方向相同，并且均垂直于支撑演示系统的底板平面。永磁轨道可选用条形、矩形或圆形磁钢等材料，均匀磁化，其磁化方向一致，视情紧密拼接而成，并垂直于支撑显示系统的底板平面，形成稳定、均匀的条状磁场。图2中，在永磁轨道1的轨道两端分别设置有封挡端部开口的端部磁条6，在端部磁条6内侧的居中位置处设置有端部线圈7。端部线圈7与调磁线圈2的几何尺寸和绕制方向均对应一致，并通过驱动电路连接到对应的轨道端部的控制单元中，对端部磁场进行调节，以免浮子运行至此之时出现失控的可能。浮子4为磁性体，通过磁力支撑在永磁轨道1的上方。浮子4的磁极极性的设置方向与永磁轨道1的磁极极性的设置方向相同。由于永磁轨道1有两根轨道，且磁极极性的设置方向一致，因此，在两根轨道中部的空间内，就形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种行进式磁悬浮演示系统，其特征是，包括：/n浮子，为磁性体，通过磁力支撑在永磁轨道上方沿宽度方向的中心处；/n永磁轨道，由若干条形磁钢沿长向拼组成双列排布的双轨式轨道，用于形成支撑浮子的托举磁场；/n调磁线圈，有若干个，在所述永磁轨道的内侧沿轨道长向呈双列排布；/n磁场强度传感器，有若干个，在两列所述调磁线圈之间沿轨道长向呈单列排布，用于检测浮子在永磁轨道上的精确位置；/n控制单元，分别与在轨道宽度方向排成一行的一个所述磁场强度传感器和两个所述调磁线圈电连接，用于控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮；以及/n总控单元，通过网络通讯模块与各控制单元电连接，用于向控制单元发送包括浮子在永磁轨道上方行进以及在轨道上方静止悬浮在内的总控指令；/n所述控制单元包括：/n网络通讯模块，分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元与控制单元之间以及控制单元与总控单元之间的信息通讯；/n驱动电路，分别与单片机和调磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整调磁线圈励磁电流的大小和方向；以及/n单片机，分别与所述磁场强度传感器、网络通讯模块和驱动电路相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维检测信息，分别调整轨道宽度方向上同行的两个调磁线圈中励磁电流的大小和方向，以控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮。/n...

【技术特征摘要】
1.一种行进式磁悬浮演示系统，其特征是，包括：
浮子，为磁性体，通过磁力支撑在永磁轨道上方沿宽度方向的中心处；
永磁轨道，由若干条形磁钢沿长向拼组成双列排布的双轨式轨道，用于形成支撑浮子的托举磁场；
调磁线圈，有若干个，在所述永磁轨道的内侧沿轨道长向呈双列排布；
磁场强度传感器，有若干个，在两列所述调磁线圈之间沿轨道长向呈单列排布，用于检测浮子在永磁轨道上的精确位置；
控制单元，分别与在轨道宽度方向排成一行的一个所述磁场强度传感器和两个所述调磁线圈电连接，用于控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮；以及
总控单元，通过网络通讯模块与各控制单元电连接，用于向控制单元发送包括浮子在永磁轨道上方行进以及在轨道上方静止悬浮在内的总控指令；
所述控制单元包括：
网络通讯模块，分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元与控制单元之间以及控制单元与总控单元之间的信息通讯；
驱动电路，分别与单片机和调磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整调磁线圈励磁电流的大小和方向；以及
单片机，分别与所述磁场强度传感器、网络通讯模块和驱动电路相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维检测信息，分别调整轨道宽度方向上同行的两个调磁线圈中励磁电流的大小和方向，以控制浮子保持在轨道上方沿宽度方向的居中位置处，并根据总控单元发出的总控指令，控制浮子的行进或静止悬浮。


2.根据权利要求1所述的行进式磁悬浮演示系统，其特征是，所述永磁轨道中的两条轨道的磁极极性的设置方向相同，并垂直于支撑演示系统的底板平面，所述浮子的磁极极性的设置方向与永磁轨道的磁极极性的设置方向相同。


3.根据权利要求1所述的行进式磁悬浮演示系统，其特征是，所述永磁轨道为平...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钊，周永学，周赛君，满梦华，原硕朋，李芳，展永霞，
申请(专利权)人：河北腾云信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13