電磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置的研制

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)2004年本科生科技創(chuàng)新活動(dòng)獲獎(jiǎng)作品集電磁懸浮實(shí)驗(yàn)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(jí)）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(shí)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(guò)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(chǎng)中達(dá)到穩(wěn)定平衡。文章分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、構(gòu)造、工作原理及測(cè)試過(guò)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(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。因?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論及新型電磁材料和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是磁懸浮軸承和磁懸浮列車，它們種種特殊的優(yōu)點(diǎn)引起世界各國(guó)科學(xué)界的特別關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)界人

4、士都對(duì)其傾注了極大的興趣和研究熱情。1.2課題研究?jī)?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(dòng)獲獎(jiǎng)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(gè)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(dòng)，它始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這也是對(duì)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(jì)思想及理論依據(jù)從原理上來(lái)說(shuō)，用一塊永磁體是可以抵消一個(gè)鐵磁體的重力，從而實(shí)現(xiàn)物體的懸浮的；用一個(gè)電磁鐵線圈替代永磁體也可以通過(guò)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(diǎn)擾動(dòng)（如：周圍的

5、氣流、微小振動(dòng)、電磁鐵線圈的電壓波動(dòng)等），平衡狀態(tài)立刻會(huì)被破壞。1.3.1穩(wěn)定平衡理論一個(gè)質(zhì)點(diǎn)要想達(dá)到穩(wěn)定平衡，需要滿足兩個(gè)條件。除了滿足靜力平衡條件以外，平衡點(diǎn)還必須是一個(gè)勢(shì)能極小點(diǎn)。早在1842年英國(guó)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(chǎng)或它們的疊加場(chǎng)不可能用來(lái)支持靜止電荷或磁體在各個(gè)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡的磁懸浮效應(yīng)的。證明如下：對(duì)于靜力場(chǎng)F(x,y,z)中的任一質(zhì)點(diǎn)，設(shè)質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)為（x

6、0,y0,z0）,質(zhì)點(diǎn)受力為F（x0,y0,z0）.質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)處于勢(shì)能極小點(diǎn)。若場(chǎng)F(x,y,z)是一個(gè)無(wú)旋場(chǎng)，則F總可以表示為一個(gè)勢(shì)函數(shù)的梯度:(1-3)從而前述的穩(wěn)定平衡條件可用勢(shì)函數(shù)表示為：(1-4)(1-5)對(duì)于平方反比力場(chǎng)，勢(shì)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(dòng)獲獎(jiǎng)作品集而對(duì)于任意多個(gè)平方反比力的疊加場(chǎng)，必定有:也就是說(shuō)，任何滿足靜力平衡（）的點(diǎn)，都不可能同時(shí)滿足穩(wěn)定條件。在三維空間中勢(shì)函數(shù)是一個(gè)鞍形曲面，如果

7、在一個(gè)方向達(dá)到了平衡，則在與它正交的一個(gè)方向就不會(huì)穩(wěn)定。1．3．2將穩(wěn)定平衡理論應(yīng)用于靜磁場(chǎng)I．分子電流觀點(diǎn)電偶極子在磁場(chǎng)中的能量為(1-6)如果為常數(shù)，則能量?jī)H僅決定于的分量。而對(duì)于靜磁場(chǎng)，，即的各階分量取二階微分都為零。所以，不存在勢(shì)能極小值。II．等效磁荷觀點(diǎn)由等效磁荷的觀點(diǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的定義式與電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式的形式完全相同，從而有關(guān)電場(chǎng)的公式作一定代換就可以移植到磁場(chǎng)中。點(diǎn)磁荷qm產(chǎn)生的靜磁位公式為：(1-7)顯然，靜磁場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)與1/r成正比，屬于平方反比力場(chǎng)，不可能用來(lái)支持磁體在各個(gè)方向都保持穩(wěn)定平衡。1．3．3如何實(shí)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(chǎng)中是不可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的靜止磁懸浮的。但事