萬廣福

摘 要：電磁懸浮技術(shù)利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑等優(yōu)點(diǎn)。在汽車工程領(lǐng)域中利用這一技術(shù)，能很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)能耗大、污染嚴(yán)重、效率低下等不足。這一類活塞式電磁發(fā)動(dòng)機(jī)一方面提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，另一方面也保護(hù)了環(huán)境，具有很大的研發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 活塞式 發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TK441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（a）-0029-02

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能耗大、污染嚴(yán)重、效率低下，因此汽車工程領(lǐng)域正積極研發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)解決這些問題?？紤]到電磁懸浮技術(shù)具有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等優(yōu)點(diǎn)，都恰能彌補(bǔ)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的不足，所以該課題試圖將磁懸浮這一高新技術(shù)與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮磁懸浮的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以電磁驅(qū)動(dòng)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，為綠色能源的開發(fā)探索出一條新的道路。

該文將從原理解釋、電路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、前景展望等幾個(gè)方面來進(jìn)行理論分析與簡易模型設(shè)計(jì)，目的在于探明電磁懸浮的力學(xué)特性，運(yùn)用電磁學(xué)規(guī)律設(shè)計(jì)電路，最終設(shè)計(jì)模型，驗(yàn)證合理性。

1 基本原理

電磁懸浮技術(shù)簡稱EML（Electromagnetic Levitation）技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的懸浮[1]。簡單來說，電磁懸浮技術(shù)就是利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁體具有抗拒地心引力的能力，進(jìn)而完全脫離接觸面，懸浮在空中。磁懸浮列車就是這一技術(shù)的最好體現(xiàn)。

實(shí)際中，磁懸浮列車不僅能懸浮空中，不與軌道接觸，還能依靠磁力作用驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。這是因?yàn)樵谖挥谲壍纼蓚?cè)的線圈里流動(dòng)的交流電，能將線圈變成電磁體，而它與列車上的電磁體能夠相互作用，進(jìn)而使列車開動(dòng)。這與同步直線電動(dòng)機(jī)的原理一模一樣，即：相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成了磁懸浮列車和軌道之間的直線運(yùn)功。磁懸浮列車相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，而軌道相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的定子[2]。列車前進(jìn)時(shí)，頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點(diǎn)的軌道上的電磁體S極所吸引，同時(shí)又被安裝在軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體N極所排斥，產(chǎn)生一個(gè)向前的推力，這樣周而復(fù)始，列車不斷前進(jìn)。

顯然，借鑒磁懸浮列車的基本原理，在傳統(tǒng)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用電磁懸浮技術(shù)，可以有效避免傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)能耗大、效率低的缺點(diǎn)，并且因?yàn)殡姶膨?qū)動(dòng)沒有附加產(chǎn)物，不會(huì)污染環(huán)境，非常符合現(xiàn)代汽車工程中的“低碳”理念。

2 電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）通過使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。這一過程，活塞隨著氣體狀態(tài)的不斷改變進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，再由曲柄等機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，進(jìn)而使汽車前進(jìn)。

所以設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵在于如何使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。對(duì)此，該課題采用的是單向電磁驅(qū)動(dòng)，即：將活塞置于豎直狀態(tài)下工作，通過電磁的驅(qū)動(dòng)使活塞完成豎直向上的直線運(yùn)動(dòng)，再通過重力讓活塞自由下落，完成豎直向下的直線運(yùn)動(dòng)，如此往復(fù)，使活塞得以不停運(yùn)動(dòng)。

其中，電磁驅(qū)動(dòng)部分需要設(shè)計(jì)相應(yīng)電路，完成對(duì)磁體活塞不斷上推的作用，并在最高點(diǎn)處對(duì)電路短路，解除電磁作用使活塞僅受重力作用。考慮到單邊電磁作用下產(chǎn)生的法向作用力，會(huì)產(chǎn)生不必要的機(jī)械振動(dòng)與損耗，實(shí)際采用雙邊模型[3]，以此消除法向作用力，使活塞能真正懸浮起來。

因?yàn)閮蛇吘哂袑?duì)稱性，電路設(shè)計(jì)僅以單邊為例，如圖1所示。整套電路由兩組電極相反的電路組成，每組電路在電磁作用下產(chǎn)生極性相同且相互串聯(lián)的電磁鐵。整個(gè)系統(tǒng)中，極性不同的電磁鐵相鄰排列，這樣使得磁體活塞上端的N極被靠上一點(diǎn)的電磁體S極所吸引，同時(shí)又被稍下一點(diǎn)的電磁體N極所排斥，產(chǎn)生一個(gè)向上的推力。當(dāng)活塞到達(dá)頂端時(shí)，短路連通，兩組電磁鐵失去磁力，活塞只受向下的重力作用。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

活塞式電磁發(fā)動(dòng)機(jī)仍舊采用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞曲柄機(jī)構(gòu)，最大的區(qū)別在于活塞采用磁性材料，氣缸壁內(nèi)安有與外界電路相連的電磁鐵。如圖2是一個(gè)活塞的電磁發(fā)動(dòng)機(jī)的三維示意圖，曲柄處有固定裝置，一側(cè)曲柄與飛輪相連，使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能能傳遞出去。

由于結(jié)構(gòu)簡單，這一裝置可采用模塊化處理?；钊鷻C(jī)構(gòu)利用市面上現(xiàn)有的型號(hào)即可（活塞需要時(shí)磁性材料）；考慮到慣性作用，飛輪可采用黃銅等慣性力矩較大的材料；外部電源由兩組極性相反的電池組構(gòu)成。另外，根據(jù)實(shí)際情況可在氣缸頂部固定一段適當(dāng)長度的導(dǎo)電彈簧。

開關(guān)閉合后，活塞兩側(cè)的電磁鐵對(duì)活塞磁體產(chǎn)生磁力作用，促使活塞不斷向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞接觸到彈簧時(shí)，由于活塞本身和彈簧的導(dǎo)電性，兩組外部電路與活塞和彈簧構(gòu)成通路，使電磁鐵部分短路，電磁力消失，但在飛輪慣性力的作用下，活塞仍舊向上運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)處，彈簧被壓緊。之后在彈性力與重力作用下，活塞開始向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞與彈簧分離時(shí)，活塞兩側(cè)的電磁鐵再次對(duì)活塞磁體產(chǎn)生磁力作用，但依靠飛輪的慣性力，活塞仍舊向下運(yùn)動(dòng)，直到最低點(diǎn)。之后活塞在電磁力的作用下又開始向上運(yùn)動(dòng)，這樣循環(huán)往復(fù)，活塞不停運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語

活塞式電磁發(fā)動(dòng)機(jī)不同于傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其活塞依靠電磁懸浮技術(shù)與氣缸壁部分無需接觸、無需潤滑，減少了摩擦帶來的機(jī)械損失，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。同時(shí)，因?yàn)殡姶膨?qū)動(dòng)僅依靠電力，不會(huì)像傳統(tǒng)燃料一般產(chǎn)生附加產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境沒有直接污染，充分體現(xiàn)了低碳環(huán)保的思想。

但因?yàn)榧夹g(shù)水平等因素的限制，這一設(shè)想還很難大幅度地投入生產(chǎn)，應(yīng)用到實(shí)際。不可否認(rèn)的是，結(jié)合電磁懸浮技術(shù)研發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)一定是汽車工程領(lǐng)域的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 電磁懸浮技術(shù)[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[2] 磁懸浮列車[EB/OL].http//：www.baike.baidu.com.

[3] 楊帥.永磁直流直線電機(jī)推力的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 孫麗，汪邦家.電磁驅(qū)動(dòng)小車的制作方法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（4）：72.