基于磁悬浮灯的研究

摘要：本课题是对太阳能磁悬浮灯创新设计的研究，致力于系统的研究太阳能供电及磁悬浮基本原理，将磁悬浮技术与太阳能发电技术相结合，科研价值高，技术性强，绿色节能，应用领域广。磁悬浮属前沿技术，具有重大的研究意义、实用价值和经济价值。

关键词：磁悬浮技术；太阳能供电；智能灯；无线供电

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110381014），安徽省大学生创新创业训练计划项目（202010381032）。

引言

利用磁悬浮使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦。但实现起来并不容易。磁悬浮技术是集电磁学，电子技术，控制工程，信号处理，机械学，动力学为一体的典型的机电一体化技术。随着电子技术，控制工程，信号处理元器件，电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。与此同时，太阳能发电系统的污染少，无噪声，并且随着太阳能产业化以及技术发展，其性价比以及效率也会不断提升，同时被广泛的应用到社会生活生产的各个领域。

1 系统总体结构与工作原理

磁悬浮灯是一种典型的机电一体化系统，运用磁悬浮的科学手段，也就是磁路定律和磁场区域产生磁力的动力学原理，由控制器和执行器两部分而组成。只要让磁场方向和上方的磁铁几何重心保护在一条直线上，且此时的磁力和上方的磁铁的重力相同时，即可让上方的特体悬浮在空中某一点。

1.1磁悬浮技术（electromagnetic levitation）

磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属的悬浮体。

磁悬浮就是运用磁体“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁体具有抗拒地心引力的能力悬浮起来，即“磁性悬浮”。目前世界上有三种类型的磁悬浮。一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是我国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。

（1）电磁悬浮系统（electromagnetic levitation ）：简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。

（2）超导磁悬浮：利用超导体的磁绝缘性（超导体是唯一的磁绝缘体）以及超导体的磁钉扎现象，采用永磁体和超导磁体的联合悬浮。

（3）全永磁悬浮：采用“李氏拉推磁路”理论，完全由永磁体构成、不带任何控制系统的全永磁悬浮技术，突破了恩肖定理，是磁悬浮技术的原始性创新。

1.2 磁路定律

一个静止的电子具有静止电子质量和单位负电荷，可以对外产生引力和单位负电场力作用。当外力对静止电子加速并使之运动时，该外力需要为电子的整体运动提供动能，同时为运动电荷所产生的磁场提供磁能。可见，磁场是外力通过能量转换的方式在运动电子内注入的磁能物质。电流产生磁场或带负电的点电荷产生磁场都是大量运动电子产生磁场的宏观表现。由一个运动的带正电的点电荷所产生的磁场，是其中过剩的质子从外力所获取的磁能物质的宏观体现。

1.3太阳能技术

太阳能光伏发电不会对环境造成污染。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

太阳能发电与磁悬浮灯结合的意义：（1）太阳能照明应用。（2）太阳能与LED光源相结合。（3）将磁悬浮技术与太阳能结合制成LED灯，一是创新性强，二是经济性好，三是节能性强，四是安全性好。不仅可以宣传节能意识，同时可以将磁悬浮技术运用广泛使用。（4）顺应时代的发展，推动磁悬浮技术和绿色能源的前进，无噪音污染等。

2 太阳能供电磁悬浮灯系统

磁悬浮灯设计结构是采用下推式结构，主要器件包括：线圈板、信号放大及驱动板、MicroPython、无线充电模块、浮子（LED灯）。利用相匹配的无线共振变压器对灯供电，由电磁悬浮模块和非接触输电模块构成。线圈板：主要安装了永磁铁、四个线圈和三个霍尔元器件。信号放大及驱动板：采集来的信号进行放大，送到单片机。然后根据单片机的控制PWM信号来驱动线圈。MicroPython：PWM信号给驱动板，驱动板根据PWM信号给X方向的线圈供一定的电压值及流过X线圈的电流方向。LED灯浮子：就是我们要漂浮的强磁铁。

电磁悬浮模块由带着铁磁芯的电磁体和霍尔传感器构成。电磁体放在装置的顶部，通过在线管内部插入铁芯，使螺线管的磁性大大增强，将电磁铁起作用的有效范围向下扩展。在电磁体底部和白炽灯泡里面分别安装一小堆直径0.5mm 的磁体，实现电磁铁对悬浮物体的磁力作用。在电磁体的两端分别装有霍尔效应传感器，通过其差分信号来确定灯泡的位置。差分信号的不同引起电磁铁绕组的电流不同，因而产生的电磁力也会发生变化，通过不断的调节，使得电磁力与灯泡的重量相同，灯泡便可实现悬浮。

磁悬浮灯是一种典型的机电一体化系统，运用磁悬浮的科学手段，也就是磁路定律和磁场区域产生磁力的动力学原理，由控制器和执行器两部分而组成。只要让磁场方向和上方的磁铁几何重心保护在一条直线上，且此时的磁力和上方的磁铁的重力相同时，即可让上方的特体悬浮在空中某一点。

3 结语

本文针对磁悬浮灯创新设计进行研究，科研价值高，技术性强，绿色节能，应用领域广。磁悬浮属前沿技术，具有重大的研究意义、实用价值和经济价值，拓展能力好，同时利用太阳能发电系统能够有效地节约能源，磁悬浮灯具有实际推广和应用价值，未来会拥有广阔的市场前景。

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