工程电磁场基础及应用第9章.ppt

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(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 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