專利名稱：磁懸浮地球儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電磁懸浮并有準確的傾角23. 5°傾角的科學(xué)地球儀。這是一種可以取代舊的有軸支撐式的和不科學(xué)的垂直式的，并含有磁懸浮原理的集力學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)為知識背景的可用于課堂教學(xué)以及物理實驗的教學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
目前，磁懸浮技術(shù)作為世界上公認的前沿科學(xué)，具有其極大的應(yīng)用前景。在國外，此項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域異常廣泛，如機械加工、核能源、化工、航空航天、食品醫(yī)藥等方面。著名的磁懸浮列車就是讓人感興趣的一項產(chǎn)品。同樣地，在國內(nèi)我們的應(yīng)用主要在重工業(yè)上，民用產(chǎn)業(yè)較少。 本實用新型使用的電磁懸浮技術(shù)(electromagnetic levitation)簡稱EML技術(shù)。
主要原理是利用電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實現(xiàn)對金屬的懸浮。將金屬物體放置在通
有高頻電流的線圈上時，高頻電磁場會在金屬表面產(chǎn)生高頻渦流，而高頻渦流會與外磁場
相互作用，使金屬受到洛淪茲力的作用。在匹配的間隙下，改變高頻源的功率使電磁力與重
力相等，可使洛淪茲力的方向與重力方向相反，支撐金屬物體，達到懸浮。 目前我國只有垂直式的磁懸浮地球儀，球體受垂直的兩個分力，制作簡易，技術(shù)含
量較少，而且與傳統(tǒng)的有地軸及傾角的地球儀外觀上不同，使觀察者誤以為地球的旋轉(zhuǎn)軸
是垂直于赤道平面的，這樣不利于教學(xué)示范，也增加了示范對象的困惑。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種磁懸浮地球儀?；诳茖W(xué)的態(tài)度，將直拉式的磁懸浮地球儀，植入更多的力學(xué)分析，還原科學(xué)的展示，另外，使用成本較低但是高性能的控制元件達到磁懸浮地球儀球體是具有與軸不接觸的外觀特性，作為美觀的展品和饋贈禮品，它具有很高的觀賞價值。
為達到上述目的，本實用新型的構(gòu)思是外觀上看將現(xiàn)在的地球自轉(zhuǎn)軸垂直于水平面的不科學(xué)的結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計成外加軸與豎直方向夾角①=23. 5° 。另外將控制箱內(nèi)固定控制電路板，可以節(jié)約空間，以及節(jié)省導(dǎo)線并且增加底座質(zhì)量，增加整個裝置穩(wěn)定性。上下兩個電磁鐵只在下部的電磁鐵內(nèi)安裝一個傳感器，以節(jié)省成本。[0007]傳感器的性能參數(shù)如下靈敏度為8mv/iim ;量程1. 85mm ;供電電壓士24V。[0008] 根據(jù)上述實用新型構(gòu)思，本實用新型采用下述技術(shù)方案 —種磁懸浮地球儀，包括球體和支架，其特征在于所述球體的上下兩極由磁懸浮軸承支承，使球體與支架之間實現(xiàn)非接觸關(guān)聯(lián)，且球體的上下兩極中心連線與垂直線的夾角為23. 5° ±2° 。 上述磁懸浮軸承的機械機構(gòu)為內(nèi)部鐵芯和外部套筒組成電磁鐵，作為提供懸浮電磁力的元件。鐵芯與套筒之間放置漆包線，并纏繞在鐵芯上；電磁鐵的外部是定位鐵圈，其作用是夾住并固定電磁鐵，并用于調(diào)節(jié)和固定電磁鐵的位置，使其在工作時與所述吸鐵片之間保持有效距離的氣隙。兩個所述吸鐵片裝在球體兩端，由拉桿連接固定；所述支架的圓弧連接桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心，用于通過與漆包線相連接的控制導(dǎo)線，從而連接控制回路。[0011] 上述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是控制器內(nèi)置于地球儀底座下方的一個控制器箱內(nèi)，通過底座的通孔沿所述圓弧連接桿以及鐵芯底座的槽與上下兩個鐵芯上的漆包線相連接；一個傳感器的探頭分別裝于下部的兩個鐵芯的內(nèi)孔中；一個傳感器的前置器安裝在控制箱內(nèi)，前置器與焊接好的電路板上的控制器相連，控制器是由PID電路與放大電路兩部分集成的一塊電路板；從上部電磁鐵引出兩根導(dǎo)線，為漆包線的兩個端子，通過圓弧連接桿，作為兩個輸入信號接入控制器。從下部電磁鐵引出三根導(dǎo)線，其中兩根與上部電磁鐵的引出導(dǎo)線相同，作為電磁鐵中流過電流信號通過底座的通孔與控制器相連接，剩下的第三根線是傳感器的探頭的引線，也作為輸入信號與控制器相連接。 上述支架的結(jié)構(gòu)是圓弧連接桿內(nèi)部開槽，從上端電磁鐵引出的導(dǎo)線沿著圓弧連接桿通過底座的通孔與控制器的輸入端相連接；圓弧連接桿與底座采用螺紋進行連接；定位鐵圈和電磁鐵通過內(nèi)六角螺釘和螺母與圓弧連接桿相連接，連接處采用單個螺釘保證定位鐵圈的角度可調(diào)節(jié)；底座下方控制箱內(nèi)固定傳感器的前置器，以及安裝控制電路板。[0013] 上述控制系統(tǒng)采用了模擬PID電路，將傳感器輸入的信號調(diào)理并輸出信號給放大電路，經(jīng)放大電路輸出控制信號以調(diào)節(jié)鐵芯的繞組電流。 上述傳感器的安裝結(jié)構(gòu)是鐵芯的中心通孔用于放置位移傳感器的探頭，孔有內(nèi)螺紋可將傳感器牢固安裝。 上述模擬PID電路使用PI兩個模塊之后再加入D的環(huán)節(jié)；所述控制系統(tǒng)中的放大電路反饋部分為電流并聯(lián)負反饋，選用貼片元件。 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實質(zhì)性特點和有點本實用新型采用磁懸浮地球儀時，不但實現(xiàn)球體與支架非接觸關(guān)聯(lián)，而且使球體的上下兩極中心連線與垂直線的夾角為23.5。 ±2° 。這符合現(xiàn)實中地球儀自轉(zhuǎn)軸與垂直于水平面的垂直平面之間的夾角，有利于用作教學(xué)示范和科學(xué)展覽。本發(fā)明設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，作為展品和饋贈禮品，有很高的觀賞價值。

圖1是本實用新型一個實施例磁懸浮地球儀整體外形圖 圖2是圖1磁懸浮地球儀沿A-A位置的剖面圖 圖3是電磁軸承結(jié)構(gòu)的剖面圖 圖4是內(nèi)部鐵芯的剖面圖 圖5是外部套筒的剖面圖 圖6是電磁鐵未安裝電磁繞組的結(jié)構(gòu)圖 圖7是鐵芯的結(jié)構(gòu)圖 圖8是定位鐵圈的結(jié)構(gòu)圖 圖9是地球儀的受力分析示意圖 圖10是圓弧連接桿的外形圖 圖11是圓弧連接桿局部放大示意圖 圖12是圓弧連接桿示意圖
4[0029] 圖13是底座的結(jié)構(gòu)圖 圖14是控制系統(tǒng)的布線圖 圖15是球體以及上下電磁軸承外形圖 圖16是控制流程框圖 圖17是控制電路的接線原理圖 圖18是控制板的PID電路圖 圖19是控制板的放大電路圖
具體實施方式本實用新型的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下參見圖l，一種磁懸浮地球儀，包括球體1和支架，球體1的上下兩極由磁懸浮軸承支承，使球體1與支架之間實現(xiàn)非接觸關(guān)聯(lián)，且球體1的上下兩極中心連線與垂直線的夾角為23.5。 ±2° 。[0037] 參見見圖1——圖15，磁懸浮軸承的機械結(jié)構(gòu)為內(nèi)部鐵芯2和外部套筒3組成電磁鐵，作為提供懸浮電磁力的元件。鐵芯2與套筒3之間放置漆包線13，并纏繞在鐵芯2上；電磁鐵的外部是定位鐵圈5，其作用是夾住并固定電磁鐵，并用于調(diào)節(jié)和固定電磁鐵的位置，使其在工作時與所述吸鐵片4之間保持有效距離的氣隙。兩個所述吸鐵片4裝在球體兩端，由拉桿ll連接固定；所述支架的圓弧連接桿8內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心，用于通過與漆包線13相連接的控制導(dǎo)線16，從而連接控制回路。 參見圖1、圖7、圖8、圖10、圖11、圖12、圖13和圖14，支架的結(jié)構(gòu)是圓弧連接桿8內(nèi)部開槽，從上端電磁鐵引出的導(dǎo)線沿著圓弧連接桿8通過底座9的通孔與控制器15的輸入端相連接；圓弧連接桿8與底座9采用螺紋進行連接；定位鐵圈5和電磁鐵通過內(nèi)六角螺釘6和螺母7與圓弧連接桿8相連接，連接處采用單個螺釘保證定位鐵圈5的角度可調(diào)節(jié)；底座9下方控制箱10內(nèi)固定傳感器的前置器14，以及安裝控制電路板15。[0039] 參見圖11、圖12、圖13、圖14、圖16、圖17控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是控制器15內(nèi)置于地球儀底座9下方的一個控制器箱10內(nèi)，通過底座9的通孔沿所述圓弧連接桿8以及鐵芯2底座的槽與上下兩個鐵芯2上的漆包線13相連接；一個傳感器的探頭12分別裝于下部的兩個鐵芯2的內(nèi)孔中；一個傳感器的前置器14安裝在控制箱10內(nèi)，前置器14與焊接好的電路板上的控制器15相連，控制器15是由PID電路與放大電路兩部分集成的一塊電路板；從上部電磁鐵引出兩根導(dǎo)線，為漆包線13的兩個端子，通過圓弧連接桿8，作為兩個輸入信號接入控制器15。從下部電磁鐵引出三根導(dǎo)線，其中兩根與上部電磁鐵的引出導(dǎo)線相同，作為電磁鐵中流過電流信號通過底座9的通孔與控制器15相連接，剩下的第三根線是傳感器的探頭12的引線17，也作為輸入信號與控制器15相連接。 參見圖9，對球體l進行受力分析，在平行與參考地面的方向列出X軸平衡方程，在垂直與參考地面的方向列出Y軸的平衡方程，解出需要匹配的m(球體的質(zhì)量)值作為設(shè)計的參數(shù)值。內(nèi)部鐵芯2和外部套筒3組成電磁鐵，提供懸浮電磁力，電磁力將球體1支承起來，但是不接觸球體l，實現(xiàn)磁懸浮的目的。 參見圖16，提供的電磁力大小由傳感器和電磁鐵以及PID電路和放大電路構(gòu)成的控制回路實現(xiàn)。在鐵芯的中心孔安裝傳感器的探頭。傳感器的探頭接收到的位移信號作為傳感器的輸出信號經(jīng)變換成為控制電路的輸入信號。輸入信號以及輸出信號與控制電路構(gòu)成連通的控制回路，通過控制線圈電流的變化以達到控制上下電磁力大小的目的，PID電路以及放大電路的作用是將傳感器的輸出信號調(diào)制并放大，再改變電磁鐵繞組電路，以調(diào)節(jié)電磁力的大小，實現(xiàn)懸浮時需要的平衡電流穩(wěn)定值域，將電磁鐵的繞組電流調(diào)節(jié)到合適的變化范圍。通過快速而有效的調(diào)節(jié)，球體迅速平衡。 參見圖17，導(dǎo)線由于密集因而分布于機械結(jié)構(gòu)的各處，需小心而謹慎的布線。鐵芯2與套筒3之間放置的漆包線13需保護完整不能有破損，將其纏繞在鐵芯2上，漆包線圈接入電源后使鐵心2與吸鐵片4之間產(chǎn)生相互作用力，以平衡球體1的重力。鐵芯2內(nèi)的線圈電流是控制回路的輸出信號。電磁鐵的繞組通過圓弧連接桿8與傳感器和控制電路分別相連。PID電路和放大電路均放置于電路控制箱IO?？刂葡?0的集成電路板內(nèi)裝有直流電源以供給電磁鐵和控制電路所需要的功率。 電磁鐵的外部定位鐵圈5，調(diào)節(jié)和固定電磁鐵的位置，使其在工作時與吸鐵片4之間保持有效距離的氣隙。圓弧連接桿8內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心(參見圖7)，用于通過控制導(dǎo)線。導(dǎo)線在尖利的邊界處應(yīng)有保護措施，防止被機械結(jié)構(gòu)磨損而漏電。圓弧連接桿8與底座9進行連接。底座9下方為控制箱10。 控制回路使用了傳感器，實現(xiàn)了閉環(huán)控制，PID電路和放大電路的性能可靠，可以穩(wěn)定懸浮。參見圖18，19。圖中所示的R為電阻，C為電容，VCC為輸入電壓，Ui為輸入信號端口， Uo為輸出信號端口， 0PAMP為運算放大器，RL為負載電阻，Rw為變阻器。
權(quán)利要求一種磁懸浮地球儀，包括球體(1)和支架，其特征在于所述球體(1)的上下兩極由磁懸浮軸承支承，使球體(1)與支架之間實現(xiàn)非接觸關(guān)聯(lián)，且球體(1)的上下兩極中心連線與垂直線的夾角為23.5°±2°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮地球儀，其特征在于磁懸浮軸承的機械結(jié)構(gòu)為內(nèi)部鐵芯(2)和外部套筒(3)組成電磁鐵，作為提供懸浮電磁力的元件；鐵芯(2)與套筒(3)之間放置漆包線(13)，并纏繞在鐵芯(2)上；電磁鐵的外部是定位鐵圈(5)，其作用是夾住并固定電磁鐵，并用于調(diào)節(jié)和固定電磁鐵的位置，使其在工作時與所述吸鐵片(4)之間保持有效距離的氣隙；兩個所述吸鐵片(4)裝在球體兩端，由拉桿(11)連接固定；所述支架的圓弧連接桿(8)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空心，用于通過與漆包線(13)相連接的控制導(dǎo)線(16)，從而連接控制回路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮地球儀，其特征在于所述的控制回路的結(jié)構(gòu)是控制器(15)內(nèi)置于地球儀底座(9)下方的一個控制器箱(10)內(nèi)，通過底座(9)的通孔沿所述圓弧連接桿(8)以及鐵芯(2)底座的槽與上下兩個鐵芯(2)上的漆包線(13)相連接；一個傳感器的探頭(12)分別裝于下部的兩個鐵芯(2)的內(nèi)孔中；一個傳感器的前置器(14)安裝在控制箱(10)內(nèi)，前置器(14)與焊接好的電路板上的控制器(15)相連，控制器(15)是由pid電路與放大電路兩部分集成的一塊電路板；從上部電磁鐵引出兩根導(dǎo)線，為漆包線(13)的兩個端子，通過圓弧連接桿(8)，作為兩個輸入信號接入控制器(15);從下部電磁鐵引出三根導(dǎo)線，其中兩根與上部電磁鐵的引出導(dǎo)線相同，作為電磁鐵中流過電流信號通過底座(9)的通孔與控制器(15)相連接，剩下的第三根線是傳感器的探頭(12)的引線(17)，也作為輸入信號與控制器(15)相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮地球儀，其特征在于所述的支架的結(jié)構(gòu)是圓弧連接桿(8)內(nèi)部開槽，從上端電磁鐵引出的導(dǎo)線沿著圓弧連接桿(8)通過底座(9)的通孔與控制器(15)的輸入端相連接；圓弧連接桿(8)與底座(9)采用螺紋進行連接；定位鐵圈(5)和電磁鐵通過內(nèi)六角螺釘(6)和螺母(7)與圓弧連接桿(8)相連接，連接處采用單個螺釘保證定位鐵圈(5)的角度可調(diào)節(jié)；底座(9)下方控制箱(10)內(nèi)固定傳感器的前置器(14)，以及安裝控制電路板(15)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁懸浮地球儀，其特征在于控制回路采用了模擬pid電路，將傳感器輸入的信號調(diào)理并輸出信號給放大電路，經(jīng)放大電路輸出控制信號以調(diào)節(jié)鐵芯(2)的繞組電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁懸浮地球儀，其特征在于傳感器的安裝結(jié)構(gòu)是鐵芯(2)的中心通孔用于放置位移傳感器的探頭(12)，孔有內(nèi)螺紋可將傳感器牢固安裝。
專利摘要本實用新型涉及一種磁懸浮地球儀。它包括球體和支架，球體的上下兩極由磁懸浮軸承支承，使球體與支架之間實現(xiàn)非接觸關(guān)聯(lián)，且球體的上下兩極中心連線與垂直線的夾角為23.5°±2°。本實用新型將直拉式的磁懸浮地球儀，植入更多的力學(xué)分析，實現(xiàn)科學(xué)展示。本實用新型成本低，可作美觀的展品和饋贈禮品，具有很高的觀賞價值。
文檔編號G09B27/08GK201465415SQ200920069450
公開日2010年5月12日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者張可喜, 朱禮進, 汪希平, 田豐, 錢婧 申請人:上海大學(xué)