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实验讲义-电磁感应与磁悬浮讲义-2012.doc

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ujuck 2012-11-03 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《实验讲义-电磁感应与磁悬浮讲义-2012doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含电磁感应与磁悬浮磁悬浮是一系列技术的通称它包括借助磁力的方法悬浮、导引、驱动和控制等。磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS永磁斥力悬浮PRS感应斥符等。

电磁感应与磁悬浮磁悬浮是一系列技术的通称它包括借助磁力的方法悬浮、导引、驱动和控制等。磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS永磁斥力悬浮PRS感应斥力悬浮EDS其基本原理源于电磁感应。本实验要求学生用电磁感应的基本定律研究导体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性通过数据拟合给出经验公式并学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬浮的各种应用设计。【预备问题】产生电磁感应的条件是什么?产生磁悬浮现象的机理是什么?产生磁悬浮的主要方式有那几种?各有什么特点?本实验中利用的是稳恒磁场还是交变磁场?是均匀磁场还是非均匀磁场?本实验采用什么方法测量磁悬浮力和牵引力的?若要提高测量精度应如何改进?本实验采用什么方法测量轴承转速?若要提高测量转速的稳定性应如何改进实验装置?铝盘转速与磁悬浮和磁牵引力有什么关系?【引言】年英国科学家法拉第从实验中发现当通过一闭合回路所包围的磁通量(磁感应强度B的通量)发生变化时回路中就产生电流这种电流称之为感应电流。法拉第在年月日向英国皇家学院报告了《电磁学的实验研究》的结果他将电磁感应的条件概括为:变化的电流变化的磁场运动的稳恒电流运动的磁铁在磁场中运动的导体。电磁感应定律的发现无论在科学和技术上都具有划时代的意义电磁感应定律使人类找到机械能与电能之间的转换方法为生产部门和各行各业广泛的使用电力创造了条件大大地促进了生产力的发展和人类文明的进程开创了电气新时代的新纪元。目前磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承上。第一个提出磁悬浮列车的是美国布鲁克林国家实验室的两位青年物理学家JamesRPowell和GordonDanby。他们设想了一种有超导磁铁感应线圈悬浮的每小时公里的火车而德国人海尔曼率先获得开发磁悬浮列车的专利。于是磁悬浮列车首先在德国随后在日本进行了更深入的研究。由于磁悬浮列车在运行时是悬浮在磁轨上只要象飞机一样克服空气阻力就可以前进而不像火车或汽车那样还需要克服铁轨或地面的阻力。所以磁悬浮列车的速度可与飞机相比同时它不但无噪音还可大大地节约能源安全性比飞机还优越。磁悬浮列车的诸多优点将使地面交通发生巨大的变革。许多发达国家正在竞相开发磁悬浮列车技术上海于年建成我国第一条磁悬浮示范运营线。最近美国宇航局正在研制磁悬浮发射航天器马歇尔宇航中心的发射部经理谢里(布希曼说:“与火箭相比磁悬浮用电费用简直便宜的惊人。同时即安全又符合环保的要求”。另外磁悬浮技术在国防、材料制备、机电工业等各个领域中均有极其重要的应用价值。楞次定律:闭合回路中的感应电流方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量去反抗引起感应电流的磁通量的改变。或者说感应电流产生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化。法拉第电磁感应定律:不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时回路中产生的感应电动势与此通量对时间的变化率成正比即()式中负号表明了感应电动势的方向k为比例系数其值决定于式中各物理量所用的单位。如果使用国际单位制则k=。如果感应回路是N匝串联那么在磁通量的变化时每匝线圈都将产生感应电动势若每匝中通过的磁通量相同则有()习惯上把N(称为线圈的磁通量匝数。对本实验装置在金属铝盘与永磁体做相对运动时产生的“磁悬浮力”和“磁牵引力”可以理解为与通过铝盘单位面积内磁通量的大小有关。请查阅相关资料和文献写出实验原理和实验方案。【实验仪器】本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮综合实验仪、力传感器光电传感器步进电机、步进电机控制器、铝盘、磁悬浮测试底座和传感器支架、带有小辐轮和永磁体的轴承等组成。如下图所示:为了保证实验的精度本实验采用步进电机步进电机可以将电脉冲转化为角位移当步进驱动器接收到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)在非超载的情况下电机的转速不受负载变化的影响。本实验中我们可以用步进电机控制器来控制脉冲频率进而控制电机的转速。具体操作方法如下:图步进电机控制器面板打开控制器电源开关按一下按键进入到自动状态这时auto灯亮数码管显示SP这里即为脉冲频率。按一下按键电机即按照当前设置速度开始运转按一下按键电机即停止运转可由减小脉冲频率实现减速加大脉冲频率实现加速加减步长为调整范围为~。电机转速(角速度)与频率的换算关系为:其中f为脉冲频率。步【实验程序】、磁牵引力的测量移去带有小辐轮和永磁体的轴承。装配磁悬浮测试架调节底座的水平。根据实验装置的结构先思考一下力传感器和永磁体应如何装配?再将力传感器和永磁体安装到立柱上并锁紧螺丝。永磁体与铝盘的距离可用两层标准垫片(实验室提供)来调节同时思考一下永磁体的摆放位置。装配好后检查永磁体与铝盘是否接触避免高速旋转后磁铁飞出造成意外伤害。在铝盘静止状态按磁力数显窗口旁的SET键和REF键使磁力显示归零。从最小频率开始逐级加大脉冲频率到最大频率为止测量铝盘不同转速对应磁牵引力的大小每个频率测量三组数据(可以暂停后重新旋转再测量下一组数据)并记录数据。二、磁悬浮力的测量磁悬浮力测量与测量磁牵引力的步骤类似但要根据磁悬浮力的方向重新装配力传感器和永磁体。从最小频率开始到最大频率为止测量铝盘不同转速对应磁悬浮力的大小每个频率测量三组数据并记录数据。、设计并测量磁悬浮传动系统移去传感器支架利用带有小辐轮和永磁体的轴承参考上述基本实验程序设计磁悬浮传动系统将轴承装配在立柱合适的位置上要注意避免意外伤害!从最小频率开始到最大频率为止测量铝盘不同转速对轴承转速的影响轴承转速可由转速窗口读出每个频率测量六组数据并记录下来。这一部分实验要求思考一下如何使轴承转速读数更稳定?根据你的想法改进到最好的效果再进行测量同时将你发现的有效的改进措施记录在实验记录纸上。四、(选作)利用标准塑料垫片改变磁铁和铝盘的距离分析磁牵引力与悬浮力随距离的变化规律。【注意事项】在安装力传感器和永磁体时要注意检查磁体与铝盘是否有摩擦如有摩擦则在铝盘高速旋转时可能导致永磁体飞出造成伤人事故!为了防止在铝盘高速转动时的震动导致传感器和永磁体随支持杆下滑导致永磁体飞出立柱上的固定螺丝一定要拧紧!【数据和结果分析】用多项式拟合不同转速与磁牵引力的依赖关系确定其函数形式和相关系数。用多项式拟合不同转速与磁悬浮力的依赖关系确定其函数形式和相关系数。用数学公式进行拟合铝盘不同转速对轴承转速的依赖关系确定其函数形式和相关系数计算其传动比。拟合磁悬浮力随距离改变的变化规律。【拓展问题】定量研究永磁体与运动导体之间距离的改变对电磁相互作用力(包括磁悬浮力和磁牵引力)的影响找出其规律性给出经验公式。查阅相关文献和资料或阅读法拉第有关电磁学的实验研究的原文(见中心网站)请根据磁悬浮原理设计一种简易的磁悬浮轴承、或磁悬浮转向架、或磁悬浮隔振系统给出详细的设计方案和技术分析鼓励在课内外进行实验研究。利用磁牵引力效应设计一种简易的电磁制动器、或感应电动机、或转速计、或磁力搅拌器等给出详细的设计方案和技术分析鼓励在课内外进行实验研究。自选相关研究课题给出研究方案进行实验探索。【参考资料】费恩曼、莱顿、桑兹费恩曼物理学讲义(第二卷)上海科学技术出版社赵凯华陈熙谋电磁学(下册中第五章、第六章、第九章)北京:高等教育出版社田晓岑、张萍磁悬浮列车原理简介大学物理连级三磁浮列车原理及技术特征电力机车技术单磁浮转向架的试验研究伊力明、谢云德等机车电传动EMS型磁浮列车悬浮力分析胡基士西南交通大学学报电磁型(EMS)磁悬浮列车系统铅垂方向的建模与仿真谢云德、常文森铁道学报图实验装置图传感器支架箭头方向为传感器可以测量的力的方向。unknownunknownunknown

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