电磁悬浮实验装置的研制

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1、哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集电磁悬浮实验装置的研制耿莹，郑嘉敏，陈硕，张佳宁（应用物理系，光学信息与技术专业01级）指导教师：赵海发，刘世刚摘要：本文介绍了稳定磁悬浮的理论及实现稳定磁悬浮的方法。课题使用电磁铁磁力可控的磁悬浮方法，通过引入感应、反馈回路等装置，使一块粘有永磁体的悬浮物在电磁力、重力合成场中达到稳定平衡。文章分析了系统的设计方案、构造、工作原理及测试过程，指出了此装置在相关领域的应用。Abstract：Inthisarticle,weintroducethetheoryofstablemagneticlevitati

2、on(Maglev)andpossiblemethodsofachievingit.Byusinganelectromagnet,apositionsensorandacontrolcircuittoconstructaclosed-loopfeedbackcontrolsystem,westablysuspendapermanentmagnetinthegravitationalfield.Thearticledescribesthedesign,structure,workingmodeandtestingofthisMaglevsystem.Thea

3、pplicationofthesysteminrelatedfieldsisalsodiscussed.关键词：电磁悬浮系统，稳定平衡，回路控制1.绪论1.1现状分析磁悬浮现象，是当今的热门话题。但是利用磁力使物体悬浮，实现起来并不容易。因为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和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的进步。目前国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，它们种种特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者和企业界人

4、士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。1.2课题研究内容及意义15哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集我们所做的课题是利用电磁铁线圈及反馈回路系统将一个粘有永磁体的物体稳定悬浮，即不论悬浮物体受到向下或向上的扰动，它始终能处于稳定的平衡状态。这也是对于用于磁悬浮轴承和磁悬浮列车的磁悬浮原理的演示与模拟。1.3系统设计思想及理论依据从原理上来说，用一块永磁体是可以抵消一个铁磁体的重力，从而实现物体的悬浮的；用一个电磁铁线圈替代永磁体也可以通过调节电流使磁力恰好与重力抵消，达到同样的效果。但是这种悬浮显然是非稳定平衡，只要受到一点扰动（如：周围的

5、气流、微小振动、电磁铁线圈的电压波动等），平衡状态立刻会被破坏。1.3.1稳定平衡理论一个质点要想达到稳定平衡，需要满足两个条件。除了满足静力平衡条件以外，平衡点还必须是一个势能极小点。早在1842年英国物理学家Earnshaw就证明了这样的定理[1]：任何形式的平方反比力的静场或它们的叠加场不可能用来支持静止电荷或磁体在各个方向都保持稳定平衡。而我们常见的力，如重力、静电力、磁力等都是平方反比力。所以，在重力场系统中，如果只用永磁体且不施加任何外加能量，是不可能实现稳定平衡的磁悬浮效应的。证明如下：对于静力场F(x,y,z)中的任一质点，设质点坐标为（x

6、0,y0,z0）,质点受力为F（x0,y0,z0）.质点的稳定平衡条件为：(1-1)(1-2)(1-1)式为静力平衡条件。(1-2)式为稳定条件，相当于质点处于势能极小点。若场F(x,y,z)是一个无旋场，则F总可以表示为一个势函数的梯度:(1-3)从而前述的稳定平衡条件可用势函数表示为：(1-4)(1-5)对于平方反比力场，势函数与1/r成正比，可将其表示为：15哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集而对于任意多个平方反比力的叠加场，必定有:也就是说，任何满足静力平衡（）的点，都不可能同时满足稳定条件。在三维空间中势函数是一个鞍形曲面，如果

7、在一个方向达到了平衡，则在与它正交的一个方向就不会稳定。1．3．2将稳定平衡理论应用于静磁场I．分子电流观点电偶极子在磁场中的能量为(1-6)如果为常数，则能量仅仅决定于的分量。而对于静磁场，，即的各阶分量取二阶微分都为零。所以，不存在势能极小值。II．等效磁荷观点由等效磁荷的观点，磁场强度H的定义式与电场强度的定义式的形式完全相同，从而有关电场的公式作一定代换就可以移植到磁场中。点磁荷qm产生的静磁位公式为：(1-7)显然，静磁场的势函数与1/r成正比，属于平方反比力场，不可能用来支持磁体在各个方向都保持稳定平衡。1．3．3如何实现磁体的稳定悬浮由前述可

8、知，局限在平方反比力的静磁场中是不可能实现稳定的静止磁悬浮的。但事