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《電磁懸浮實驗裝置的研制》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)2004年本科生科技創(chuàng)新活動獲獎作品集電磁懸浮實驗裝置的研制耿瑩，鄭嘉敏，陳碩，張佳寧（應(yīng)用物理系，光學(xué)信息與技術(shù)專業(yè)01級）指導(dǎo)教師：趙海發(fā)，劉世剛摘要：本文介紹了穩(wěn)定磁懸浮的理論及實現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮的方法。課題使用電磁鐵磁力可控的磁懸浮方法，通過引入感應(yīng)、反饋回路等裝置，使一塊粘有永磁體的懸浮物在電磁力、重力合成場中達(dá)到穩(wěn)定平衡。文章分析了系統(tǒng)的設(shè)計方案、構(gòu)造、工作原理及測試過程，指出了此裝置在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。Abstract：Inthisarticle,weintroducethetheoryofstablemagneticlevitati
2、on(Maglev)andpossiblemethodsofachievingit.Byusinganelectromagnet,apositionsensorandacontrolcircuittoconstructaclosed-loopfeedbackcontrolsystem,westablysuspendapermanentmagnetinthegravitationalfield.Thearticledescribesthedesign,structure,workingmodeandtestingofthisMaglevsystem.Thea
3、pplicationofthesysteminrelatedfieldsisalsodiscussed.關(guān)鍵詞：電磁懸浮系統(tǒng)，穩(wěn)定平衡，回路控制1.緒論1.1現(xiàn)狀分析磁懸浮現(xiàn)象，是當(dāng)今的熱門話題。但是利用磁力使物體懸浮，實現(xiàn)起來并不容易。因為磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機械學(xué)、動力學(xué)為一體的典型的機電一體化技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型電磁材料和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。目前國內(nèi)外研究的熱點是磁懸浮軸承和磁懸浮列車，它們種種特殊的優(yōu)點引起世界各國科學(xué)界的特別關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)界人
4、士都對其傾注了極大的興趣和研究熱情。1.2課題研究內(nèi)容及意義15哈爾濱工業(yè)大學(xué)2004年本科生科技創(chuàng)新活動獲獎作品集我們所做的課題是利用電磁鐵線圈及反饋回路系統(tǒng)將一個粘有永磁體的物體穩(wěn)定懸浮，即不論懸浮物體受到向下或向上的擾動，它始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這也是對于用于磁懸浮軸承和磁懸浮列車的磁懸浮原理的演示與模擬。1.3系統(tǒng)設(shè)計思想及理論依據(jù)從原理上來說，用一塊永磁體是可以抵消一個鐵磁體的重力，從而實現(xiàn)物體的懸浮的；用一個電磁鐵線圈替代永磁體也可以通過調(diào)節(jié)電流使磁力恰好與重力抵消，達(dá)到同樣的效果。但是這種懸浮顯然是非穩(wěn)定平衡，只要受到一點擾動（如：周圍的
5、氣流、微小振動、電磁鐵線圈的電壓波動等），平衡狀態(tài)立刻會被破壞。1.3.1穩(wěn)定平衡理論一個質(zhì)點要想達(dá)到穩(wěn)定平衡，需要滿足兩個條件。除了滿足靜力平衡條件以外，平衡點還必須是一個勢能極小點。早在1842年英國物理學(xué)家Earnshaw就證明了這樣的定理[1]：任何形式的平方反比力的靜場或它們的疊加場不可能用來支持靜止電荷或磁體在各個方向都保持穩(wěn)定平衡。而我們常見的力，如重力、靜電力、磁力等都是平方反比力。所以，在重力場系統(tǒng)中，如果只用永磁體且不施加任何外加能量，是不可能實現(xiàn)穩(wěn)定平衡的磁懸浮效應(yīng)的。證明如下：對于靜力場F(x,y,z)中的任一質(zhì)點，設(shè)質(zhì)點坐標(biāo)為（x
6、0,y0,z0）,質(zhì)點受力為F（x0,y0,z0）.質(zhì)點的穩(wěn)定平衡條件為：(1-1)(1-2)(1-1)式為靜力平衡條件。(1-2)式為穩(wěn)定條件，相當(dāng)于質(zhì)點處于勢能極小點。若場F(x,y,z)是一個無旋場，則F總可以表示為一個勢函數(shù)的梯度:(1-3)從而前述的穩(wěn)定平衡條件可用勢函數(shù)表示為：(1-4)(1-5)對于平方反比力場，勢函數(shù)與1/r成正比，可將其表示為：15哈爾濱工業(yè)大學(xué)2004年本科生科技創(chuàng)新活動獲獎作品集而對于任意多個平方反比力的疊加場，必定有:也就是說，任何滿足靜力平衡（）的點，都不可能同時滿足穩(wěn)定條件。在三維空間中勢函數(shù)是一個鞍形曲面，如果
7、在一個方向達(dá)到了平衡，則在與它正交的一個方向就不會穩(wěn)定。1．3．2將穩(wěn)定平衡理論應(yīng)用于靜磁場I．分子電流觀點電偶極子在磁場中的能量為(1-6)如果為常數(shù)，則能量僅僅決定于的分量。而對于靜磁場，，即的各階分量取二階微分都為零。所以，不存在勢能極小值。II．等效磁荷觀點由等效磁荷的觀點，磁場強度H的定義式與電場強度的定義式的形式完全相同，從而有關(guān)電場的公式作一定代換就可以移植到磁場中。點磁荷qm產(chǎn)生的靜磁位公式為：(1-7)顯然，靜磁場的勢函數(shù)與1/r成正比，屬于平方反比力場，不可能用來支持磁體在各個方向都保持穩(wěn)定平衡。1．3．3如何實現(xiàn)磁體的穩(wěn)定懸浮由前述可
8、知，局限在平方反比力的靜磁場中是不可能實現(xiàn)穩(wěn)定的靜止磁懸浮的。但事
