电磁驱动器的设计与分析要点.docx

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电磁驱动器的设计与分析要点

电磁驱动器的设计与分析

摘要

随着电磁驱动的发展，电磁驱动已经应用到现在的各行各业。

小到孩童时代的四驱车马达，大到工业应用的驱动装置，电磁驱动越来越被人们所重视。

电磁驱动之所以被人们所关注，也是主要由于其动能转化的机械低磨损率，机械磨损率的降低，一方面可以有效地降低工业设备维护的成本，一方面也有效地控制动能转化的效率。

而且电磁驱动作为一个新能源，其低碳的理念也和可持续发展的战略紧扣。

因此，电磁驱动的发展是一个顺应潮流的趋势。

本文主要介绍了电动机的国内外发展现状，电磁学的发展历程，进而延伸到一些基本的电磁学现象，从而了解电磁驱动器的工作原理以及由电磁驱动原理而来的一些技术应用，最后制作一个电磁驱动演示仪用来进行电磁驱动相关的数据收集。

关键词电磁驱动；感应电机；电磁学

Thedesignandanalysisofelectromagneticactuator

Abstract

Alongwiththedevelopmentofelectromagneticdriving,electromagneticdrivehasbeenappliedtoallwalksoflife.Fourdrivemotors,thesizeofsmalltochildhood,totheindustrialapplicationofactuatingdevice,electromagneticdrivebecomesmoreandmoreimportantforpeople.

Electromagneticdrivehavebeenattentionbypeople,ismainlybecauseofitskineticenergyintomechanicallowwearrate,therateofmechanicalwearisreduced,ontheonehandcaneffectivelyreducethecostofindustrialequipmentmaintenance,ontheonehand,alsoeffectivelycontrolthekineticenergyconversionefficiency.Andelectromagneticdriveasanewenergy,itslowcarbonconceptandstrategyofsustainabledevelopmentalsoclosely.Therefore,thedevelopmentofelectromagneticdriveisasuitthetrendofthetrend.

Developmentpresentsituationathomeandabroad,thisarticlemainlyintroducedthemotordevelopmentofelectromagnetism,whichextendstosomeofthebasicelectromagneticphenomenon,soastounderstandtheworkingprincipleofelectromagneticdriveanddrivenbyelectromagneticprincipleandsometechnicalapplication,andfinallymakeaelectromagneticdrivedemonstrationinstrumentusedforelectromagneticdriverelateddatacollectionandanalysis.

Keywordselectromagneticdrive，Inductionmotor，electromagnetism

第1章绪论

1.1引言

随着电磁驱动的发展，电磁驱动已经应用到现在的各行各业。

小到孩童时代的四驱车马达，大到工业应用的驱动装置，电磁驱动越来越被人们所重视。

电磁驱动之所以被人们所关注，也是主要由于其动能转化的机械低磨损率，机械磨损率的降低，一方面可以有效地降低工业设备维护的成本，一方面也有效地控制动能转化的效率。

而且电磁驱动作为一个新能源，其低碳的理念也和可持续发展的战略紧扣。

因此，电磁驱动的发展是一个顺应潮流的趋势。

对于电磁驱动的研究不在少数，很多人针对电磁驱动都做了相关的研究，包括电磁线圈的温度对电磁驱动的影响，电磁驱动材料对电磁驱动的影响，以及电磁驱动装置的散热解决方案等等。

其中，周志广在《电磁驱动器冷却系统设计与实现》中提到“工作时,驱动线圈内过高温升会降低线圈的机械强度和绝缘材料的绝缘性能,影响其使用寿命,甚至会烧毁线圈。

因此，在电磁驱动器研究过程中,必须关注驱动线圈的冷却问题。

”说明了电磁驱动线圈温度的变化是会影响到电磁驱动性能的，过高的温度会降低线圈的机械强度，降低其使用寿命，我们需要探究的是线圈温度的变化对于电磁驱动器动能转化率的影响。

另外，张琦也在《连铸空心管坯内置磁场搅拌器的优化设计》中提到“相比两相绕组，采用三相绕组的电磁搅拌器能效更高；磁轭结构对搅拌器的作用效果影响显著，为提高金属液所受电磁力应使磁轭的齿部尺寸尽量小些，但若尺寸太小会使磁轭饱和，影响磁轭的使用寿命；电流强度越大则金属液内的流速越大，电流强度与金属液流速呈线性变化，而电流频率与金属液流速呈非线性变化，电流强度对金属液流动的影响要大于电流频率。

”说明磁扼结构的改变还会影响电磁驱动的效率。

1.2本文研究的内容

为了了解影响电磁驱动转化效率的因素，从而进行电磁驱动器的设计，本文着重探究圆盘的材料变化（Al、Cu、Fe等）或者圆盘与磁铁间的距离变化以及磁铁旋转的速率变化对电磁驱动器动能转化率的影响。

讨论影响电磁驱动器动能转化率的主要因素，探讨如何减小各因素的影响，为电磁驱动器的设计提供理论依据。

1.3研究的创新点

电磁学是本科生学习中较为复杂的一门学科之一，电磁驱动器作为电磁学理论发展中的一个产物，其工作原理也较难以理解，因此要对电磁驱动器进行分析与设计有着较大的难度。

此次研究电磁驱动器，采取了先分析再制作最后再分析的方法，即首先通过参考文献、相关书籍等进行电磁驱动器工作原理的分析，再通过电磁驱动器的工作原理制作一个简易电磁驱动演示仪，并利用其进行所需数据的收集，最后再次分析利用电磁驱动演示仪收集的数据最终了解影响电磁驱动器转化效率的因素，并为电磁驱动器的设计提供了充足的理论依据。

1.4本文篇章结构

本文篇章结构如下：

在下文章节二中，将介绍国内外电磁驱动器研究现状，包括电磁学理论的发展，国内外电磁驱动原理的技术应用以及感应电动机的研究现状。

在章节三中，将详细介绍电磁学的一些基本理论和著名的电磁学定律以及电磁驱动器的工作原理并结合电磁学的基本定律对电磁驱动器的工作原理加以分析。

在章节四中，将介绍电磁驱动演示仪的制作流程并利用其做一系列的相关实验进行数据收集，最后结合电磁学定律对收集到的数据加以分析。

文章的最后是参考文献和附录。

第2章国内外研究现状

2.1电磁学理论的发展

19世纪是科学时代的开始。

在天文学领域，科学家们开始论及太阳系的起源和演化。

在地质学领域，英国的地质学家赖尔提出地质渐变理论。

在生物学领域，细胞学说、生物进化论，孟德尔的遗传规律相继被发现。

在化学领域，原子-分子论被科学肯定；拉瓦锡推翻了燃素说，并成为发现质量守恒定律的第一人；1869年，俄国化学家门捷列夫发表了元素周期律的图表和《元素属性和原子量的关系》的论文。

在文中，门捷列夫预言了十一种未知元素的存在，并在以后被一一证实。

十九世纪最重大的科学成就是电磁学理论的建立和发展。

在19世纪之前，人们基本上认为电与磁是两种不同现象，但人们也发现两者之间可能会存在某种联系，因为水手们不止一次看到，打雷时罗盘上的磁针会发生偏转。

1820年7月，丹麦教授奥斯特通过实验证实了电与磁的相互作用，他指出磁针的指向同电流的方向有关。

这说明自然界除了沿物体中心线起作用的力以外，还存在着旋转力，而这种旋转力是牛顿力学所无法解释的，这样，一门新学科——电磁学诞生了。

奥斯特的发现震动了物理学界，科学家们纷纷做各种实验，力求搞清电与磁的关系。

法国的安培提出了电动力学理论。

英国化学家、物理学家法拉第于1831年总结出电磁感应定律，1845年他还发现了“磁光效应”，播下了电、磁、光统一理论的种子。

但法拉弟的学说都是用直观的形式表达的，缺少精确的数学语言。

后来，英国物理学家麦克斯韦克服了这一缺点，他于1865年根据库仑定律、安培力公式、电磁感应定律等经验规律，运用矢量分析的数学手段，提出了真空中的电磁场方程。

以后，麦克斯韦又推导出电磁场的波动方程，还从波动方程中推论出电磁波的传播速度刚好等于光速，并预言光也是一种电磁波。

这就把电、磁、光统一起来了，这是继牛顿力学以后又一次对自然规律的理论性概括和综合。

2.2国内外电磁驱动的技术应用

随着电磁学的理论发展，以及全球的能源危机意识，电磁驱动渐渐为人们所重视，国内外已经存在许多应用电磁驱动原理技术的驱动和传动装置。

2.2.1感应电机

感应电机（InductionMotor）定转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的电机。

感应电机一般用作电动机。

感应电机的优点是结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便；缺点是功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

感应电机是异步电机的一种，由于异步电机主要是感应电机，所以也有人直接在定义时候将异步电机定义为感应电机。

但异步电机不仅包括感应电机还包括双馈异步电机和交流换向器电机。

2.2.2电磁驱动泵

在电动机或柴油机驱动的往复式泵中，由于电动机或柴油机均为旋转运动，为了将旋转运动转化为往复运动，在泵的传动部分均需要有一套运动转换机构，常用的有：

曲柄连杆机构、偏心凸轮机构等。

由于这类传动机构体积庞大、结构复杂，也就使往复式泵的体积增大、易损件数量多，生产成本增加，并需要较高的制造精度，这在很大程度上限制了往复泵的适用范围。

泵的组成可简单地分为三大部分：

驱动电源液力端和电磁线圈。

泵的工作原理为：

电磁线圈通电后产生电磁场，该磁场通过泵外壳与衔铁（衔铁同时又起柱塞的作用）产生电磁回路，在泵的排出行程时，电磁回路是逐步封闭，磁感应强度逐渐增强。

由于衔铁与外壳端面之间存在间隙，使得衔铁与端面产生电磁力，从而使两者吸合，吸合的过程也就是泵的排出过程。

当电源断开后，弹簧的弹力使衔铁复位，此过程为泵的吸入过程。

由于此泵的电源为脉冲电源，电磁线圈的连续通电和断电，就会使衔铁在泵中带动柱塞作往复直线运动。

2.2.3

磁悬浮列车

在电磁学中当通给两个相互平行的线圈相互平行的电流时就相互吸引，

图2-1磁悬浮列车

电流方向相反时就互相排斥，系悬浮列车就是将通有方向相反的线圈来减小阻力达到提高速度效果的。

将不同方向线圈装在轨道和列车上，列车就会悬浮起来，同样，在列车和轨道的适当位置分别安装许多对电流方向相同的线圈，由于互相吸引，就能使列车前进。

磁悬浮列车就是根据这样一个简单的电磁学原理设计而成的。

下图就是形式中的磁悬浮列车：

如图2-1，磁悬浮列车是目前世界上技术最先进并且己经进入实用阶段的新型列车，与普通高速列车相比具有许多优越性：

第一，速度比普通列车高很多，度速可达500km/h以上，而且预想在真空隧道中运行的磁悬浮列车速度可达到1600km/h。

第二，消耗能量较低。

原因主要就在于它是悬浮着，只存在与空气间的摩擦。

而且因无轮轨接触，震动较小，舒适性好。

第三，噪音很低，（只有当速度达到200km/h以上时，才会产生与空气摩擦的轻微噪音）。

第四，安全系数高。

它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。

列车运行的动力来自固定在路轨两则的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。

列车的整个安全系统可以相互检测，自动替补，这在其它交通工具是不具备的，因而它是一种高安全度的交通工具。

尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：

特别是断电后的安全保障和制动问题。

其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。

第3章电磁驱动器的分析

3.1静电场

欲从电学中找到电磁学规律的发现，首先我们得先从电现象入手，找到电学中动力学关系和磁动力关系就不难知道电与磁之间存在着怎么的关系。

3.1.1库伦定律

让我们认识一下库伦定律，了解两点电荷之间的关系，如图3-1库仑定律：

图3-1库仑定律

是电磁场理论的基本定律之一。

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同名电荷相斥，异名电荷相吸。

公式：

（3-1）

其中F是两点电荷之间所受的库伦力，k是比例常数，q1、q2分别代表两点电荷所带的电荷量，r是两点电荷的距离。

3.1.2电场

在很多没有直接接触的力现象中力的相互作用需要有介质的存在，例如马拉车，马能拉动车肯定少不了绳子的存在，只有将马和马车栓在一起才能使马在奔跑中带动马车。

再如声音的传播，我们聊天时虽然对方并没有将声带直接贴在我们的耳朵上，但我们能听到对方的声音，这是因为有空气介质的存在。

加入我们生活的空间没有空气的存在，那么所谓的聊天只能看到对方嘴唇的动作，并不能听到声音……但刚才说过的例子中q1、q2明显没有直接接触，又似乎没有介质的存在，那么q1、q2之间存在的库伦力又是怎样传递的呢？

历史上对这个问题有很多争论，一类人认为这种力并不需要介质的存在就可以之间传递，甚至更不需要时间，不受时间的限制，力的作用就能从一个物体直接传递到另一个物体上。

另一种观点认为空间中存在着科学家还未发现的弹性物质——“以太”，电场力就是通过“以太”来传递的。

这些观点都被近代物理学家所否认并引入电场。

而且还将点电荷在电场中受到的力F与电荷量q0的比值称为电场强度，用字母E来表示：

（3-2）

如图3-2，以下是几种电荷模型的电场分布：

正点电荷负点电荷

等量异种电荷

图3-2电荷模型电场分布

3.2磁场

如图3-3，我们现在先来看看以下实验现象：

图3-3实验现象

本实验的原理图如上图所示，其中深黑色的直导线是原来的导线，就是还没通电时的导线，灰色的导线是通有电流后导线原导线移动的位置。

如上图，在导线中通有电流大小为I的电流，这样导线的位置就会发生改变，当电流的方向时导线互相吸引，电流方向相反时导线互相排斥，牛顿第二定律告诉我们，当物体状态发生改变时肯定要受到外力的作用，导线从原来的静止状态开始运动，使得导线的形状发生改变，这说明导线受到力的作用，问题就产生了，导线明显受到了力的作用，那通电导线中相互间的作用力从何而来？

以下将对这个问题进行简易的解释。

3.2.1奥斯特实验

库伦定律说明了两点电荷之间存在着相互作用，在这基础上物理学家们发现带电物体接触磁场时也能产生力的作用，说到这就少不了说奥斯特实验了，奥斯特实验说明了通电导线与磁性物质之间存在着力的作用，奥斯特是丹麦的科学家，他在1820年4月的一节课中，他讲授了电与磁的课程，他做了一个实验中无意发现了这个现象：

通电铂丝扰动玻璃罩内的指南针，虽然效应很弱，看上去也很不规则，但奥斯特却对这种无意间发现的现象产生浓厚的兴趣，在课后他进行了大量的电池反复做了同样的实验对自己的假设进行验证。

奥斯特在做实验时还在磁针与导线间放入玻璃、金属、木头等物质，然而磁针的偏转并不因此减弱或者消失[8]。

他的实验可以如下概述：

导线中通有大小为I的电流，在导线旁放一个小磁针，众所周知磁针在地磁场的作用下沿南北取向，但磁针在电流的作用下会产生偏转，说明磁针与导线间存在着力的作用。

当断开电源时磁针重新南北指向，这个实验中的单一变量是导体是否通电，这样我们就能很明确的得到一个结论：

通电导体对磁性物质有力的作用。

这样就能说明通电导体不仅能产生电场，它也能产磁性质，并又此产生的磁场使奥斯特实验中的磁针发生偏转。

也像电荷一样奥斯特实验中通电导线和磁针之间并没有直接的接触，他们之间又是以什么形式传递力的作用呢？

与电荷之间的作用力一样，磁性物质周围也存在场的性质，所以物理学家引入的磁场的概念，并以字母B代表磁场强度。

这样就不难解释图二所示实验中产生的现象，通电导线能产生磁场，实验中两导线所通电流方向相同时产生的磁场使得两导线互相吸引，相反当电流的方向相反时产生的磁场使得两导线互相排斥，图二中的第一个实验就是因为导线通的电流相同导线互相吸引，最后出现的现象必然是两导线同时向内弯曲，第二个实验磁场间的相互作用使得导向向外弯曲！

3.2.2安培环路定理

由奥斯特实验得到了惊人的结论，那么通电导体产生的磁场又是怎样的呢？

这个问题我们让安培我们解答：

安培知道奥斯特的发现时非常惊讶，他注意到了这个发现的重要性，立刻对电流间的作用进行了精密的研究，他发现图3-3所示实验现象，他便由此猜想到所有的磁性都能用电流置换。

随后安培便花了大量的时间研究导体中电流所产生磁场的性质。

这里我们取简单的一个种模型（通电直导线）为例，许多实验证实了通电直导线产生的磁场如图。

图3-4安培环路定理

如图3-4就是安培环路定理，磁场的方向应服从右手螺旋定则：

手握导线，大拇指指向电流方向，那么其余四个手指的环绕方向就是磁场的方向，而且在这种简单的模型中产生磁场的强度还满足公式：

（3-3）

3.2.3通电螺线管上的磁场

现在我们来讨论一下通电螺线管，我记得初中我们学到电磁感应现象的时候就是通过通电螺线管来说明的，下图就是一个通电螺线管：

图3-5通电螺线管上的磁场

根据电磁感应现象的原理，我们不难理解通电螺线管周围会有磁场的存在，如图3-5在软铁上绕有导线，并在导线中通有电流大小为I的电流，在螺线管中磁场的方向同样服从右手定则，将右手的四个手指弯曲并指向电流环绕的方向，那样大拇指所指向的方向就是磁场的方向。

当然在这种情况中如果要求场强的大小还需知道软铁的性质，本文不在这里做解释。

3.2.4载流线圈的磁场

下面我们来看看通电线圈中磁场的方向是如何的，下面是通电导线圈的模型：

图3-6载流线圈的磁场

如图3-6，导线圈中通有电流的大小为I，这种模型服从右手螺旋定则，将右手的四只手指指向电流方向沿线圈环绕，右手大拇指伸直，大拇指指向的方向就是磁场的方向，上图模型的磁场方向如上图所示。

这种情可以当做简单的通电螺线管来理解，通电螺线管中线圈的匝数较多，而本模型中可以认为是线圈匝数为一的通电螺线管。

3.2.5电磁感应现象

上述内容能很清楚的知道通电导体能产生磁场，我们能不能根据以上结论做一个假设呢？

我们假设磁场也可能产生电流或者电动势。

带着这个问题我们访问法拉第任何认识这个问题的。

法拉第是英国著名的物理学家和化学家。

他发现了电磁感应现象，这在物理学上起着很重要的作用。

电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。

此电动势称为感应电动势或者感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。

电磁感应现象不止揭示了电与磁的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础。

以下为感生电动势的普适公式。

（3-4）

其中E代表的是感应电动势，n是螺线管的匝数，

是磁通量的改变量，

是时间的改变量。

其中螺线管中的电流方向我们可以根据右手螺旋定则将其判断出来：

将右手握住螺线管并使得右手的大拇指向磁场的方向，那么四肢手指环绕的方向就是电流的流向。

电磁感应现象告诉我们变化磁场中产生的感应电动势，坦若我们所选择的导体是一个闭合回路，所产生的感应电流的方向又该是如何呢？

让我们做一下这个简单的实验，实验原理图如下图所示：

图3-7示意图

其中ABCD是闭合回路，AB间接有一个灵敏电流表，CD是灵活边，并以

（

可变化）的速度向右运动，匀强磁场的方向大小也如图所示。

当

=0的时候灵敏电流表没有发生偏转，当

不等于0的时候电流表发生偏转，即在闭合线圈ABCD中产生感应电流。

CD边滑动得越快，灵敏电流表的偏转角度也越大，即感应电流越大。

当CD边朝反向运动时，感应电流的方向也相反。

大量的实验同样验证着导线切割磁场产生的感应电流的方向必服从左手定则，将左手摊开大拇指指着导线的运动方向，让磁感线穿过手心，四个手指所指的方向就是感应电流的方向。

前面我们所接触到的式3-2是在特殊情况下才能适用，但在一般情况下必须使用普适方程：

（3-5）

3.2.6楞次定律

说到感应电流的方向就少不了介绍楞次定律的介绍：

图3-8楞次定律

如图3-8，是把磁棒的N极插入线圈和从线圈中拔出的实现，实验中所产生的感应电流的方向也标在图中。

作图所示是将磁棒插入线圈的情况，磁棒的感应线方向朝下，很明显的当磁棒插入过程中的向下的磁通量增加。

根据右手定则可知，这时感应电流所激发的磁场方向朝上，其作用相当于阻碍磁通量的增加。

在右图所示的N极拔出的情况中，穿过线圈向下的磁通量明显减少，而这时感应电流所激发的磁场的方向是向下的，其作用相当于阻碍磁通量的减少，在其他实验中也可以发现这样的规律，所以我们可以得到这样的结论：

闭合回路中的感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

这个结论叫做楞次定律。

在以上导体切割磁感线的实验中，我们也能用楞次定律来判断出感应电流的方向。

图3-9楞次运动

如图3-9，当CD的速度

=0时，由于磁场是一定的，所以这种情况下没有磁通量的变化，这样灵敏电流表自然不会发生偏转，因为没有感应电流的产生，

不等于0却CD向右运动时，闭合回路中垂直纸面向上的磁通量不断增加，根据楞次定律闭合回路ABCD所产生的感应电流必然要激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化，这与左手定则相吻合。

同样，当CD向左运动时，垂直纸面向外的磁通量不断减少，由此产生的感应电流也激发垂直纸面向里的磁通量来阻碍磁通量的变化。

3.3塞曼效应

3.3.1正常塞曼效应

图3-10塞曼效应

电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦慈的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。

洛伦兹认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的，后来这些微小的实体被称为电子，他以电子的概念为基础来解释物质的电性质，从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，既洛伦兹力。

他把物体的发光解释成原子内部电子的震动产生的，所以当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的震动将发生改变，使得电子的震动频率增大或者减小，导致光谱线的增宽或分裂，之后洛伦兹的学生塞曼发现了塞曼效应，证实了洛伦兹的预言，塞曼与洛伦兹共同获得1902年的诺贝尔物理学奖。

塞曼效应是指磁场中的光源发出的光谱线分裂成几条谱线的现象。

这种现象就是光源中的电子与磁场发生相互作用而产生的现象，塞曼效应可分为正常与非正常塞曼效应，本文简单介绍一下正常塞曼效应，它指的是光源中一条谱线在外磁场的作用下一分为三，彼此间隔相等。

而这种现象只能再原子中电子数目为偶数并形成独态的原子时，才能有正常的塞曼效应。

在这里本文用镉原子为例，镉的643.847nm谱线是

跃迁的结果，这里共有九个跃迁，镉原子正常塞曼效应的原子中的电子跃迁如