一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置及测定方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置及测定方法，为了解决目前缺少能够直观测定基于径向磁场的涡流制动规律的装置的问题。本发明专利技术所述的测定装置包括底座、第一轴承、离合器、第一齿轮、陀螺、电机、第二齿轮、测微螺杆、电磁铁和控制系统，所述的测定方法通过设定预定转速，读出当前磁场强度，测定陀螺静止时间，以转速为横坐标，以陀螺静止时间为纵坐标作图，在同一坐标系下绘出处于不同磁场强度下的n‑t图，与理论曲线进行对比。本发明专利技术提供的测定装置利用涡流制动效应进行实验，结合本发明专利技术提供的测定方法，能够准确预测陀螺在径向磁场的涡流制动效应影响下的减速运动规律，进行综合性实验，实验和教学效果更好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置及测定方法
本专利技术涉及一种涡流制动规律测定装置，特别涉及一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置及测定方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，市面上涌现出多种磁场强度测定仪器，其中以霍尔元件为代表的特斯拉计最为突出，其采用霍尔效应测量原理，结构简单，测量方便，精度较高，然而其装置成本较高，测量直观性不足，不利于使实验者认清实验原理；采用电流天平法制成的磁场强度测定仪，应用通电导线在磁场中受力的原理，依据力矩平衡条件，测出磁感应强度，但根据此种测定方法制作的仪器结构较为复杂，一般仅用于使学生认识电磁感应原理的定性实验，并且，其由于设计原理的限制，在某些测量区间，所能测量的精度相对较低。涡流制动已经在实际生产生活中广泛应用，但目前缺少能够直观测定涡流制动规律的装置，特别是基于径向磁场的涡流制动规律的测定装置，因此希望能设计一种现象直观形象，便于教学实践和学生操作实践，且能够准确测定涡流制动规律的装置和方法。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，包括底座、第一轴承、离合器、第一齿轮、陀螺、电机、第二齿轮、测微螺杆、电磁铁和控制系统，底座上设有第一轴承支架、陀螺支架和测微螺杆支架；第一轴承的外圈固定在第一轴承支架上，内圈设有套筒；所述的离合器包括主动轮、主动轴和从动轮，主动轮与主动轴相连，从动轮与陀螺的一侧轴杆相连；第一齿轮的齿轮轴穿过套筒与离合器的主动轴相连，离合器的主动轴上套设有拨动装置；陀螺通过两侧轴杆架设在陀螺支架上，轴杆与陀螺支架之间通过轴承连接；电机设在第一轴承支架下部，电机的输出轴与第二齿轮相连，第二齿轮与第一齿轮啮合；测微螺杆水平固定在测微螺杆支架上，测微螺杆前端与电磁铁相连，电磁铁轴线正对陀螺径向；控制系统设在底座上，通过导线与电机、电源、电磁铁相连。光电测速传感器设在陀螺支架上，并通过导线与控制系统相连，测量陀螺的转数并传输至控制系统。所述的拨动装置包括上紧固圈、下紧固圈、第二轴承、拨叉和拨杆，其中上紧固圈和下紧固圈扣合固定在第二轴承外圈，第二轴承的内圈套设在离合器的主动轴上，主动轴上设有两个挡圈，挡圈位于第二轴承的两侧，起到限位的作用；拨叉与上紧固圈和下紧固圈相连，拨杆与拨叉相连；拨杆上设有转轴，转轴插在位于底座上的轴孔内，转轴使拨杆形成杠杆作用；拨杆与底座之间设有回位弹簧。所述的控制系统包括处理器、电机驱动器、显示屏和按键，电机驱动器、显示屏和按键分别与处理器相连，电机驱动器还与电机相连。显示屏分别显示电磁铁的磁感应强度、时间、预设定陀螺转速、当前陀螺转速；按键包括电磁铁的磁感应强度的增大键与减小键、预设陀螺转速的增大键与减小键、计时器的运行键与清零键、电机的开关键、仪器的电源键；通过磁感应强度的增大键与减小键调整电磁铁的磁感应强度，并显示在显示屏上，通过陀螺转速的增大键与减小键控制电机转速进而调整陀螺转速，通过光电测速传感器测出转数并显示在显示屏上。底座上设有壳体，壳体罩设在第一齿轮至离合器的上方，拨动装置的拨杆从壳体侧边开口处伸出。陀螺支架的上端设有轴承盖，轴承盖通过螺钉与陀螺支架连接，将陀螺轴杆上的轴承固定。本专利技术装置的工作原理：所述的第一齿轮与离合器连接为一体，第一齿轮的齿轮轴能够在第一轴承的套筒内径向位移；当拨动拨杆时，拨杆在转轴的作用下通过拨叉带动上紧固圈和下紧固圈反向运动，推动离合器的主动轮向从动轮方向移动，至与从动轮接触结合，从而依次通过第二齿轮、第一齿轮、离合器向陀螺传动电机的转矩使陀螺旋转；当松开拨杆时，在回位弹簧的作用下拨杆复位，带动离合器的主动轮与从动轮分开。本专利技术提供的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置的测定方法：包括以下步骤：(1)选取陀螺，通过陀螺支架上的轴承盖将陀螺固定；(2)打开装置总开关，设定陀螺初始转速n0并记录；打开电机开关使其运行，打开光电测速传感器对陀螺进行测速；(3)拨动拨杆使离合器的主动轮与从动轮结合，电机带动陀螺开始旋转，待陀螺转速超过转速预定值n0后，打开计时器的运行键，并切断离合器，陀螺开始减速，当陀螺减速到预定转速n0时，计时器开始计时，直到陀螺完全静止，记录陀螺在只有摩擦阻力时的减速时间t0，记录完将计时器清零；(4)根据n0、t0及陀螺转动惯量I，由角动量定理计算出陀螺的平均摩擦阻力矩Mf；(5)旋转测微螺杆，先将电磁铁与陀螺侧表面接触，再向后旋转使电磁铁与陀螺表面有一定距离，并记录两次读数之差Δx；调节电磁铁的磁感应强度为预设值B0；设定陀螺转速预定值n并记录；(6)再次拨动拨杆使离合器闭合，电机带动陀螺开始旋转，待陀螺转速超过转速预定值n后，打开计时器的运行键，并切断离合器，陀螺开始减速，当陀螺减速到预定转速n时，计时器开始计时，直到陀螺完全静止，记录陀螺在有径向磁场作用情况下的减速时间t，记录完将计时器清零；(7)根据陀螺转动惯量I、电磁铁表面到陀螺表面距离Δx、平均摩擦阻力矩Mf及陀螺几何参数由理论计算在预定转速n下的理论停止时间t′，与实际测得时间t进行对比；(8)以转速为横坐标，以陀螺静止时间为纵坐标建立坐标系，在同一坐标系下绘出处于不同磁场强度下的n-t图。电磁铁的磁极方向与陀螺的角速度方向垂直，若将电磁铁产生的磁场分解成与陀螺角速度方向一致的轴向磁场和与角速度方向垂直的径向磁场，其中径向磁场使陀螺上的电子电荷分布变化影响很大，由此可以简化利用安培力矩产生耗散功率的计算。首先确定所选陀螺的直径D，陀螺厚度H，陀螺质量m，电磁铁铁芯直径d，电磁铁铁芯厚度h；电磁铁的磁场与陀螺角速度方向垂直，即当电磁铁与陀螺相对静止时，磁铁外部的磁感应强度满足因而φm即磁标势，所以：故由电荷守恒：以陀螺中心点为原点，在径向设x、y坐标轴，以陀螺轴为z坐标轴，如图8所示，表示陀螺上任一点ρ表示陀螺上任一点处的电荷密度；为陀螺内电流密度，由此可见，陀螺内电荷密度不发生变化，是稳恒电流，金属内电子的响应时间远小于角速度变化时间，因此此时通过焦耳热耗散的功率为：其中电场强度，H为陀螺厚度，B1、B2、B3为在惯性坐标系下B0分别在x、y、z轴上的分量；采用磁荷观点计算参数κ，假设圆柱形铁芯的上下两个地面均匀分布了等量异号的磁荷，以圆柱形铁芯的中轴为z′轴，建立柱坐标系{z′,r,θ}，如图10，则铁芯上(r,θ)处(包含上下两个面)的磁荷在陀螺上(x,y,z)点产生的磁标势为：式中的l-y即Δx，k为待定比例系数；则陀螺上(x,y,z)点总的磁标势和磁感应强度为：在径向磁场中，旋转的陀螺除了受到安培阻力矩，还会受到轴承的摩擦阻力矩，但由于远没有达到轴承的极限转速，可用平均摩擦阻力矩Mf来代替陀螺旋转过程中的总的摩擦阻力矩，则摩擦耗散的功率为P0＝-Mfω；由陀螺几何参数计算得到陀螺沿旋转轴的转动惯量为I，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：包括底座、第一轴承、离合器、第一齿轮、陀螺、电机、第二齿轮、测微螺杆、电磁铁和控制系统，底座上设有第一轴承支架、陀螺支架和测微螺杆支架；第一轴承的外圈固定在第一轴承支架上，内圈设有套筒；所述的离合器包括主动轮、主动轴和从动轮，主动轮与主动轴相连，从动轮与陀螺的一侧轴杆相连；第一齿轮的齿轮轴穿过套筒与离合器的主动轴相连，离合器的主动轴上套设有拨动装置；陀螺通过两侧轴杆架设在陀螺支架上，轴杆与陀螺支架之间通过轴承连接；电机设在第一轴承支架下部，电机的输出轴与第二齿轮相连，第二齿轮与第一齿轮啮合；测微螺杆水平固定在测微螺杆支架上，测微螺杆前端与电磁铁相连，电磁铁轴线正对陀螺径向；控制系统设在底座上，通过导线与电机、电源、电磁铁相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：包括底座、第一轴承、离合器、第一齿轮、陀螺、电机、第二齿轮、测微螺杆、电磁铁和控制系统，底座上设有第一轴承支架、陀螺支架和测微螺杆支架；第一轴承的外圈固定在第一轴承支架上，内圈设有套筒；所述的离合器包括主动轮、主动轴和从动轮，主动轮与主动轴相连，从动轮与陀螺的一侧轴杆相连；第一齿轮的齿轮轴穿过套筒与离合器的主动轴相连，离合器的主动轴上套设有拨动装置；陀螺通过两侧轴杆架设在陀螺支架上，轴杆与陀螺支架之间通过轴承连接；电机设在第一轴承支架下部，电机的输出轴与第二齿轮相连，第二齿轮与第一齿轮啮合；测微螺杆水平固定在测微螺杆支架上，测微螺杆前端与电磁铁相连，电磁铁轴线正对陀螺径向；控制系统设在底座上，通过导线与电机、电源、电磁铁相连。


2.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：光电测速传感器设在陀螺支架上，并通过导线与控制系统相连，测量陀螺的转数并传输至控制系统。


3.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：所述的拨动装置包括上紧固圈、下紧固圈、第二轴承、拨叉和拨杆，其中上紧固圈和下紧固圈扣合固定在第二轴承外圈，第二轴承的内圈套设在离合器的主动轴上，主动轴上设有两个挡圈，挡圈位于第二轴承的两侧；拨叉与上紧固圈和下紧固圈相连，拨杆与拨叉相连；拨杆上设有转轴，转轴插在位于底座上的轴孔内；拨杆与底座之间设有回位弹簧。


4.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：所述的控制系统包括处理器、电机驱动器、显示屏和按键，电机驱动器、显示屏和按键分别与处理器相连，电机驱动器还与电机相连。


5.根据权利要求4所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：显示屏分别显示电磁铁的磁感应强度、时间、预设定陀螺转速、当前陀螺转速；按键包括电磁铁的磁感应强度的增大键与减小键、预设陀螺转速的增大键与减小键、计时器的运行键与清零键、电机的开关键、仪器的电源键。


6.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：底座上设有壳体，壳体罩设在第一齿轮至离合器的上方，拨动装置的拨杆从壳体侧边开口处伸出。


7.根据权利要求1所述的一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置，其特征在于：陀螺支架的上端设有轴承盖，轴承盖通过螺钉与陀螺支架连接，将陀螺轴杆上的轴承固定。


8.一种基于径向磁场的涡流制动规律测定装置的测定方法：其特征在于：包括以下步骤：
(1)选取陀螺，通过陀螺支架上的轴承盖将陀螺固定；
(2)打开装置总开关，设定陀螺初始转速n0并记录；打开电机开关使其运行，打开光电测速传感器对陀螺进行测速；
(3)拨动拨杆使离合器的主动轮与从动轮结合，电机带动陀螺开始旋转，待陀螺转速超过转速预定值n0后，打开计时器的运行键，并切断离合器，陀螺开始减速，当陀螺减速到预定转速n0时，计时器开始计时，直到陀螺完全静止，记录陀螺在只有摩擦阻力时的减速时间t0，记录完将计时器清零；
(4)根据n0、t0及陀螺转动惯量I，由角动量定理计算出陀螺的平均摩擦阻力矩Mf；
(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：段彬，翟猛，崔笑仙，陈少康，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22