工程电磁场基础及应用 教学课件 ppt 作者 刘淑琴 第9章

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1、第 9 章,工程电磁场应用新技术,第9章 工程电磁场应用新技术,9.1 洛仑兹把经典电磁理论推向了最后的高峰,指南针电磁场应用技术：沈括在梦溪笔谈中记载：指南针指南“常微偏东，不全南也”。沈括第一次发现，磁针虽然朝着南方，但不是指的正南，而略有些偏东。这就是磁偏角现象，它的产生是由于地球的磁极与地理的南北极不重合，略有些偏差。在西方，直到公元1492年哥伦布横渡大西洋时，才发现有磁偏角存在，比沈括晚了400多年。,指南针已经预示了电磁力的存在，但是真正描述电磁力是1892年荷兰物理学家洛仑兹(Hendrik Antoon Lorentz，1853-1928)在建立经典电子论时，作为基本假设，给

2、出了磁场对运动带电粒子作用力的公式：,（9-1）,下 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,洛仑兹认为，一切电作用力归根到底是电场对带电粒子的作用力，表为qE，一切磁作用力归根到底是磁场对运动带电粒子的作用力，安培关于两电流元作用力的公式应理解为一电流元受另一电流元产生的磁场的作用力，因电流是带电粒子的运动，故安培力的本质是磁场对运动带电粒子的作用力。,如果除了磁场，还有电场 ，则带电粒子还受电力，式(9-1)应推广为：,(9-2),洛仑兹力公式的给出，实现了源派孜孜以求而终未如愿的建立统一电磁力公式的愿望，洛仑兹力公式和麦克斯韦电磁场方程是经典电磁理论的两大支柱，为解释各种电磁现象奠

3、定了基础。洛仑兹力在现代电磁场的工程运用中发挥了重要作用，磁悬浮轴承、磁悬浮列车都是磁场力运用的结果。,第 9 章,工程电磁场应用新技术,9.2 磁悬浮技术,9.2.1 磁力和磁悬浮原理,磁悬浮可分为以下四种：,（1）有源磁悬浮，又称为主动磁悬浮或电磁悬浮，它是由电磁铁提供磁力。一般一个简单主动磁悬浮系统由电磁铁、传感器、控制器和功率放大器组成。图9.1所示是有源磁悬浮的原理图。,图9-1 有源磁悬浮的原理图,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,（2）无源磁悬浮，又称为被动磁悬浮，它是由永久磁铁提供磁力。被动磁悬浮没有主动进行控制的电子控制系统，是利用磁场本身的特性将物体

4、悬浮起来。与主动磁悬浮相比，无源磁悬浮系统虽具有结构简单、可靠、成本低等优点，可它却不能产生阻尼，亦即缺少像机械阻尼或像主动磁悬浮那样的附加手段，因此这个系统的稳定域是很小的，外界的干扰会使它趋于不稳定。,（3）混合磁悬浮，它是由永久磁铁和电磁铁共同提供磁力。即由主动磁悬浮、被动磁悬浮和其他一些辅助机构基础上形成的一种混合式磁悬浮。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,4）超导磁悬浮，利用超导体的抗磁性实现的悬浮。超导体是指当某种导体在一定温度下，可使电阻为零的导体。使超导体电阻为零的温度，叫做超导临界温度。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体的抗磁性又称迈斯纳(

5、Meissner) 效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。图9.2是超导磁悬浮的示意图。,图9-2 超导磁悬浮示意图,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,9.2.2 磁悬浮轴承与旋转机械,磁悬浮轴承又简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于空间，使定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间不存在机械上的接触，所以磁悬浮轴承无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑，无污染，转子可达到很高的转速。,典型的电磁轴承结构如图9.3所示。,图9-3 磁悬浮轴承结构示意图,下 页,

6、上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,磁轴承常用的主要设计方法一是采用简化磁路算法，二是电磁场分析计算法。,简化磁路算法即忽略漏磁，忽略电磁铁铁心与转子的磁阻，且气隙处磁场密度均匀，从而用比较简化的方法来计算电磁铁通以一定的励磁电流后所产生的气隙磁场密度，并最终确定对应的承载力。由此，励磁电磁轴承承载力的大小最终只取决于组成磁极的尺寸和磁性（软磁）材料的饱和磁通量。若材料的饱和磁感应强度B和磁极面积S已知，则励磁电磁轴承的承载能力为,（9-3）,而实际上由于漏磁和边缘效应等因素，电磁径向轴承和电磁轴向轴承的承载能力与设计理想值存在较大出入。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程

7、电磁场应用新技术,漏磁引起的电磁力不仅可能消耗能量，而且可能改变整个电磁轴承的工作状态，不加以分析和控制对系统的正常运行和稳定性会产生不利影响。电磁轴承的总磁通一般可表示为通过全部工作气隙的主磁通和未通过工作气隙或只通过部分工作气隙的漏磁通之和。对于电磁推力轴承来说，漏磁通主要是指经过机箱外壳和转轴而没有经过全部两个工作气隙形成回路的那部分磁力线。对于电磁径向轴承来说，漏磁通是指未通过工作气隙和转子，而直接经过线圈回到定子铁心形成闭合回路的磁力线。实际上，当电磁铁的结构尺寸确定和铁心磁极面积一定时，承载力与工作电流的大小、铁心材料的非线性磁化特性、边缘磁力线的扩散及漏磁大小等都相关。漏磁磁场的

8、存在使电磁铁磁场的空间分布趋于复杂，同时也会影响电磁力的大小和方向，因而，磁轴承中电磁场电磁铁的工作情况相当复杂，很难用求得准确的解析解。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,电磁场分析计算对结构参数设计非常有用。图9.4是对径向轴承和不同结构参数的磁悬浮轴承推力轴承的磁场仿真结果（间隙不同）。,图9-4 磁悬浮轴承磁场分布图,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,磁悬浮轴承实现了无接触的支承，与传统的机械轴承相比具有许多优越性能，主要表现在以下方面：,(1) 可以有效地防止转子与轴承间因磨擦引起的零部件损坏，使用寿命长，噪声低，可靠性高。 (2) 无

9、须润滑，可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不会因润滑剂而污染环境，因此特别适合于真空技术、净室和无菌车间等超净环境使用。 (3) 轴承功耗低，仅是传统轴承的1/5-1/20，降低了运行费用。 (4) 允许转子高速旋转，一般转子的最高转速仅由其材料能承受离心力的强度限制，磁悬浮轴承的DN值可达5106，远高于其它轴承。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,（5) 磁悬浮的动态性能主要取决于所采用的控制规律，这样就可能在物理极限内使刚度和阻尼与轴承的工作环境甚至与运行状态和转速相适应。刚度、阻尼均可调，从而使转子很容易通过各阶临界转速而并不会失稳，实现高速(超高速) 运转。

10、 (6) 刚度和阻尼在线可调。 (7) 转子的控制精度高，转子的回转精度主要取决于控制环节中信号的测量精度。 (8) 便于对机器的运行状态进行在线诊断和监控，提高系统的稳定性。鉴于磁悬浮轴承所具有的优点，特别适合于高速、真空、超洁净等要求严格的环境下，被广泛用于空间技术领域、高速旋转机械和其它高技术领域，如透平机械、汽轮发动机、空气压缩机、真空分子泵、储能飞轮，真空分子泵，心脏泵，风力发电机，和高速机床的主轴部件等。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,采用磁悬浮轴承的鼓风机，具有体积小、转速高、功率大、可靠性高、噪音小等优点。磁悬浮鼓风机的机械部件没有摩擦、磨损，不需要

11、润滑系统，日常运行维护费用低，也避免了其他鼓风机在冬天低温情况下启动困难的缺点；在寿命周期内，机械部件基本没有磨损，不需更换，工作可靠性大大提高。图9.5是已经应用的工业磁悬浮轴承及应用了磁悬浮轴承的旋转机械。,图9-5 磁悬浮轴承在工业中的应用,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,9.2.3 磁悬浮列车,1. 磁悬浮列车简介,磁悬浮列车是一种新型的非接触式地面轨道交通运输工具，是磁悬浮技术在地面交通运输中的典型应用，其最大的特点是在磁悬浮列车上取消了传统列车赖以传动的轮子，依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，从而实现非粘着牵引和非接触运行。,图9-6 磁悬

12、浮列车,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,磁悬浮列车的主要优点是：,1) 无机械接触和齿轮传动，电机传动效率高； 2) 在运行过程中车体和轨道之间没有摩擦，运行阻力小； 3）磁悬浮的能效高，维护成本低； 4) 磁悬浮列车不会产生温室气体，是一种无污染的交通方式； 5) 运行的噪声低，尤其适用于城市或郊区； 6) 磁悬浮还是一种安全的交通工具，列车的速度是通过导轨上的电子能量提供的，列车在导轨上发生碰撞的可能性远低于轮轨交通。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,磁悬浮列车按悬浮方式可分为两类：一类是EMS(Electromagnetic Syste

13、m)，即常导型磁悬浮列车系统，如图9.7所示。,图9-7 常导型磁悬浮列车系统,常导磁吸型技术较简单，产生的电磁吸引力较小，悬浮的气隙较小，一般为8mm10mm。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400km/h500km/h，适合于城市间的长距离快速运输。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,另一类是EDS(Electrodynamic SyStem)，即超导型磁悬浮列车系统，如图9.8所示。,图9-8 超导型磁悬浮列车系统,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,表9-1 常导型TR系统与超导型MLU系统区别,第 9 章,工程电磁场应用新技术,2 磁悬浮列

14、车运行基本原理,磁悬浮列车上一般有磁推进、磁悬浮、磁导向和车辆支撑四个主要系统。,磁推进系统 该系统作用原理可用线性同步电动机来说明，定子受电后产生磁场，转子上带电导线在磁场中受到电磁力作用，使转子转动。若将电机从轴向剖开并展开成平面，把平面定子和平面转子分别安装在轨道上和列车底部的相应部位，当平面定子受电后，就产生电磁场，使转子上带电导体在电磁场中受到电磁力的作用，使平面转子（列车）沿平面定子（轨道）运动。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,磁悬浮系统 一般来说，在磁悬浮列车底部装有超导体制成的强磁铁，轨道上铺设有超导体导线。当列车在轨道上运行时，其底部的强磁铁也随之

15、移动，这时在轨道上的导线中由于列车底部运动磁场的切割产生感应电流，因此轨道上的导线也成了电磁铁。这样车辆底部电磁铁与轨道上的电磁铁两者所产生的磁场互相排斥，其间产生的强大推力使车辆浮起，因而成为超导磁浮。 磁导向系统 磁浮列车一般采用一种零流导向磁力系统，在列车底部两侧设有一块超导磁铁，轨道上两侧铺设导线。当车辆处在轨道中心位置时，导线的闭合电路中无电流存在，这时左右两侧列车底部磁场与轨道磁场间的相互作用力相等，列车在横向处于平衡状态。当车辆进入曲线横向移动一段距离时，导线的闭合电路中有感应电流产生，此时左右两侧磁场相互作用力彼此不相等，列车在横向处于不平衡状态，列车上磁场作用力的合力（导向力

16、）使车辆重新走向线路中心位置，使车辆沿轨道运行。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,列车及支撑系统 列车可根据实际的需要试制，主要采用高强度轻质材料组装，并满足推进、磁浮、导向的要求，而支撑系统主要是指支撑轮滚动系统，仅在列车启动和停止时起作用，就像飞机的起落架一样。 磁悬浮高速列车具有速度快、能耗低、爬坡能力强、转弯半径小、环保、安全等优点，但同时也存在一些不足。 如造价昂贵、断电后磁悬浮的安全保障问题，尤其是列车停电后的制动问题、高速稳定性和可靠性必须经历很长时间的运行考验、对路况的要求很高等问题，但是随着经济的发展和人民生活水平的提高，落后的运输工具必然满足不了人们的需求，高速磁悬浮列车将全面走进人们的生活，所以，磁悬浮列车将成为未来重要的交通工具，具有非常广阔的发展前景。,下 页,上 页,返 回,第 9 章,工程电磁场应用新技术,9.2.4 磁悬浮人工心脏泵 磁悬浮人工心脏泵（又称血泵）采用悬浮轴承技术，使一直困扰血泵的血栓问题得到了显著地改善。同时，磁悬浮技术中高转速的实现，也使得人工心脏泵的性能指数更接近于人体真实心脏正常工作水平。,1、