自制磁悬浮装置

自制磁悬浮装置

Magnetic Levitation

张皓

2009.5.6 china

磁悬浮是一项很有发展前途的项目，我在网上找到两种控制方法，一种是利用模拟运算放大器进行PD控制 ,另一种是通过AVR单片机进行软PD控制，我参照了运放的电路制作了装置，磁铁终于悬浮在空中了.

悬浮的效果

结构如图,传感器放置在下方感知磁铁磁场强度,通过电路,反馈控制上方线圈的电流,使磁铁处于动态的平衡中.

装置的电感从日光灯泡的电子镇流器中卸出,为合适,将下方两侧的磁芯切除,保留中间和上方的磁芯.封闭的磁芯使磁力线从磁芯穿过,就很难吸引下方磁铁了.

磁芯有无的影响:有磁芯可以增强线圈的磁场,降低线圈数与能耗,此外磁芯与磁铁的吸引力可以抵消一部分重力,但是有磁芯磁铁就不能太靠近电感,否则会被牢牢吸住.总之有磁芯的利大于弊.

支架利用打火机弯曲有机玻璃制成。

首次焊接的电路(图片)，效果不理想，电路基准与比例共用一个运放，调试困难，输出电流不是呈直线,于是我改进了电路:

各运放的接法与功能列表如下

如果使用集成霍尔元件，无需限流，分压电阻也要调整。

基准与比例电路分离。22UF电容为微分电容，串一小阻值电阻，否则一些毛刺就会使输出电压上下振动。

IC-F2输出端的LED指示磁场的强弱,2k电阻避开LM324的0.7V死区电压。IC-F3恒流源用于消除三极管放大倍数影响。续流二极管防止电感反激电流损坏三极管，三极管选用中大功率管.4.7UF、104仅用于消除电感的声音噪声。

磁铁有三种不稳定情况,如上图所示,其中前两种最终会导致生效,第一种可通过滤波或微分电路消除,第二种遇到后我想来好长时间,感谢上帝帮助,只要下面固定一重物就可以解决了.实际操作中我在磁铁下方粘贴了一块马赛克玻璃,就不会倾翻了.

调试过程：

将磁铁放于底座(霍尔传感器上方)，强度指示LED亮，然后缓慢离开.在合适的高度,如果LED仍然亮,顺时针调节基准电位器,直到LED熄灭.接通线圈电路,磁铁即悬浮半空中

昨天跑赛格买元件，没白买了。买了关键元件，磁线性霍尔 3503 元件。

1.是，已成功悬浮。

2.是电路上仅有3点不同，一是霍尔VDD处电阻短路，二是用3503。三是，注意第一级基准，47K-->4.7K,

反正调到和霍尔输出的电压，约2.6V。

自制要点:被悬浮的必须是磁力强体积小的磁铁,推荐使用球形钕铁硼磁铁,非球形也行.

漆包线很贵,线圈不必绕那么多圈,绕到我这个的一半就可以达到和我这个一样的磁场了,但是绕得越多,越省电.

两个可变电阻的阻值必须调试到合适才能悬浮且稳定.

霍尔元件的位置应该处于线圈中心.

这种球形磁铁可以在淘宝上买到，搜“球形钕铁硼”即可，目前全国只此一家，所以是2元/个的“垄断价格”，不用球形的话，很多城市的卖电机的地方都有卖钕铁硼。

“磁悬浮”现在已经变成家喻户晓的名词。但现在大家熟悉的磁悬浮都是利用磁场的斥力把铁磁体向上方托起，磁悬浮列车就属于这一种。可是你见过凌空悬着的“磁悬挂”吗？我设计制作了一个不算复杂的电子装置，就能演示这种不寻常的科学现象。

材料

R1——R6均为1/4W碳膜电阻，R7、R8为1/4W微调电位器。

C1：1uF无极性电解电容。

IC1：四运算放大器集成块LM324。

VT1：9013。

霍尔元件：3503。霍尔元件被广泛用在家电上，电子市场或家电维修部都能买到，可以买3503,也可以用别的型号,但购买时须说明是线性输出的,错买了开关型的不能用。在电路图中没画出霍尔元件的接法，应该把有字的一端朝向自己，三个管脚从左到右依次接电源正极、接地、接电路中的信号输入端。

悬浮小磁球为高强磁性的钕铁硼磁钢小球，普通磁铁的磁性不够，不能用。钕铁硼磁钢小球可以在淘宝网上购买(搜索“球形钕铁硼”），非球形的钕铁硼小磁钢也能用，就是演示的视觉效果差点。

制作

1. 电路部分的元件不多，我自制时采取“空间连接”，各接点用电烙铁焊牢。如果不习惯，则把元器件焊在附上的印刷电路板上。

2. 制作电磁线圈。找一根内径8毫米的塑料圆珠笔管，切割1.5厘米长一段做为线圈芯管，用薄铝片（绝对不能用铁片）剪两块外径2厘米的挡板，分别在中心部位钻一个与笔管内径一样大的孔，用AB胶把两个档板粘牢在芯管两端。把长度为15 — 20米、线径为0.2毫米的漆包线密绕在这个骨架上。圈数绕得更多些就更省电，但是电磁力不会明显提高。

线圈做好后试验一下：接上大约5伏直流电，在小磁球上方1厘米之外应该能把它吸上来。

最后在线圈芯管中心处插入一个霍尔元件，使霍尔元件上的平面与线圈挡板平行。在线圈端面前加一块铝片，铝片内形成的涡流能够使小磁球悬浮更加平稳，其作用类似于电容的微分控制。

3. 将包括5号电池夹（4节）和开关在内的各部分组装在一个长条形的半敞开盒子里，今后调节电位器就比较方便。

调试和演示

把磁钢小球放在线圈下5毫米处。先把R8调到最大，从正到负调节R7，直至小磁球离地为止。如果它一直不能离地，则应把线圈反接。

调小R8，使磁钢小球稳定；然后边观察边微调R7、R8，最终使小球能稳定悬空漂浮在线圈下1厘米处。

在演示时，可以轻轻晃动装置，用纸、塑料瓶等从小球与线圈之间穿过，甚至用手指轻轻触碰小球，它都能保持悬浮状态。

“磁悬浮”现在已经变成家喻户晓的名词。但现在大家熟悉的磁悬浮都是利用磁场的斥力把铁磁体向上方托起，磁悬浮列车就属于这一种。可是你见过凌空悬着的“磁悬挂”吗？我设计制作了一个不算复杂的电子装置，就能演示这种不寻常的科学现象。

材料

R1——R6均为1/4W碳膜电阻，R7、R8为1/4W微调电位器。

C1：1uF无极性电解电容。

IC1：四运算放大器集成块LM324。