电磁感应效应篇1
【关键词】电磁感应；高温空气；升温特性；加热件
1.引言
感应加热技术应广泛应用于金属熔炼、热处理和焊接等过程，己成为冶金、国防、机械加工等部门不可缺少的技术。中频感应加热技术因其具有加热速度快、热效率高、无污染易于实现机械化等优点[3、4]，因此这项技术已经在许多行业中得到应用[5﹑6]。在常规的电磁感应加热炉中，利用感应热对金属进行热处理，不同金属会呈现出不同的升温特性。本文在加热装置上进行试验研究，以探求这种高温空气发生装置的可行性以及加热功率、加热体表面积、加热体形状等因素对空气加热特性的影响。
2.原理设计计算
（1）电磁感应定理：法拉第电磁感应定律说明：在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律是感应加热的理论基础。
当感应线圈上通交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通φ，交变磁通φ又会在金属工件中产生感应电势e。根据麦克斯韦电磁方程式，感应电动势的大小为：
由式（1-5）可以看出，感应电势和发热功率与磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的感应电流可以使工件中产生的涡流增大，从而增加加热效果，使工件升温更快。
3.实验方案及结果
3.1实验流程
在实验开始前第一步是打开装置的水冷却系统，对设备内及感应器通水冷却；接着打开空气压缩机，使通气设备储存一定的空气量；第三步则是打开中频感应设备对金属导体进行加热，同时通气进行热交换加热空气；最后用热电偶对出口空气温度进行测量，记录数据。实验装备流程如图3所示。
3.2实验方案及实验结果
3.2.1加热体表面积﹑形状对空气温度的影响
实验条件如下：通入恒定空气流量为1m3/h，开始加热金属导体的同时即通入空气；在感应设备输出电流为800a的情况下加热5分钟，然后每隔30秒记录一次出口空气温度；每隔3分钟改变一次输出电流，分别为：800a，900a，1000a，1100a，1200a，1300a，1400a。
方案一：通风管道内感应加热体为两个螺旋形钢丝，空气与之进行热交换后出口空气温度记录如表3.1。
方案二：为了与方案一形成对比，探讨热交换面积的大小对出口空气温度的影响，在与方案一实验条件相同的情况下，只把双螺旋形钢丝变成单螺旋形钢丝，出口空气温度见表3.2。
方案三：为了探讨加热体形状对出口空气温度的影响，在与方案一实验条件相同的情况下，用小钢管作为空气加热的热源，与空气热交换后出口空气温度见表3.3。
3.2.2加热功率对空气温度影响
在此实验方案中，空气流量为一恒定值1m3/h，通过改变中频感应设备的输出功率来探求加热功率对出口处空气温度的影响。中频感应输出电流分别为800a、1000a、1200a，每加热1min记录一次出口空气温度，总加热时间为30分钟。在此条件下空气温度如表3.4所示。
由表3.4可知：改变中频感应设备的输出功率，随着加热功率的增加，出口处空气温度增加。
4.实验结果分析与讨论
加热体形状﹑表面积对空气温度的影响：
（1）小钢管为加热体条件下空气加热效果
从图4.1可以看出，小钢管为加热体时，空气温度经过初期快速升温后，升温幅度略微减小，近似为直线关系。随着加热时间的延长，出口空气温度也随之增加。这是因为通入的冷空气不能及时带走小钢管的热量，小钢管的热含量越来越多，表面温度升高，有利于热量从小钢管传递给空气，因此随着加热时间的延长，出口空气温度升高。
（2）双螺旋钢丝为加热体条件下空气加热效果
由图4.2可知：双螺旋钢丝为加热体，出口空气在经过初期的快速升温后，升温幅度迅速减小，升温曲线近似水平，说明冷空气带走的热量与双螺旋钢丝感应产生的热量近似平衡，加热效果不理想。
（3）螺旋形钢丝与钢管的感应加热效果对比
从图4.1和图4.2对比可知：在相同的条件下，螺旋形钢丝与小钢管相比较，螺旋形钢丝在感应加热过程中感应加热效果不明显，加热效果的效果较差。
（4）单螺旋及双螺旋形钢丝条件下空气温度的对比
由图4.3可知：当用双螺旋形钢丝作为感应加热体与空气进行热交换时，出口空气温度大约是单螺旋形钢丝条件下的两倍。因此，增大加热体表面积可以提高出口空气温度。
参考文献
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[6]杜锦才，王晓平.电磁感应加热技术在包装工程中的应用[J].包装工程，2005（5）：21-23.
电磁感应效应篇2
关键词巨磁电阻效应磁电转换特性磁阻特性曲线
中图分类号：o484.4文献标识码：a
1巨磁电阻效应的原理
所谓巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
2巨磁电阻效应模拟传感器的磁电转换特性曲线
2.1记录相应的输出电压于相应的表格内
2.2实验分析
从不同外磁场强度时输出电压的变化能看出巨磁电阻传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值则反映了材料的磁滞特性。
3巨磁电阻传感器测电流
3.1实验数据
将实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件信号输出接至实验仪电压表。将偏置磁铁转到远离巨磁电阻传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25毫伏。逐步改变待测电流，记录相应的输出电压于表4中。同样的方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系，记录数据于表2。
3.3实验分析
从曲线可以看出：适当磁偏置时线性较好，斜率（灵敏度）较高。由于待测电流产生的磁场远小于偏置磁场，磁滞对测量的影响也较小，根据电压的大小就可以确定待测电流的大小。用巨磁电阻传感器测量电流不用将测量仪接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可以测量直流，也可以测量交流，具有广泛的应用前景。
4结束语
本文着重介绍了巨磁电阻传感器的磁电转换特性和磁阻特性测量，并对实验数据进行了数据处理，得到较好的特性曲线，进而了解了巨磁电阻传感器的优点和特性，为其在应用领域的应用打下实验基础。
参考文献
电磁感应效应篇3
本专题的考点是：关于磁场的基础知识及应川、了解电和磁之间的联系、知道电磁波在真空中的传播速度、了解电磁波的应用.
本专题的难点是：认识磁场、会用磁感线描述磁场，弄清发电机和电动机的工作原理.重点是：用磁感线描述磁场、电磁继电器、电动机的原理、发电机的原理、电磁波的产生及应用，考试热点是：磁感线、安培定则、发电机和电动机的原理、电磁波的应用.
本专题知识在中考试卷中的考查主要以填空题、选择题、作图题为主.利用选择题可以将相近、易混的知识点放在一起考查，既扩大了考查面，又可以考查同学们对概念的理解程度，这几年考题中经常出现，同学们在平时的学习和练习巾要学会进行比较，弄清相近、易混的知识点之问的联系和区别，加深理解.
第1节简单的磁现象
重点考点
这部分内容有四个重要考点：磁极间相互作用的规律、磁场的基本性质、磁场的方向、地磁场.对本知识点的考查，一般是通过考查磁极之问的相互作用及磁场方向来命题.
中考常见题型
例1（2014.宜宾）请利用图1中给出的信息，在图中标出电源的正极、小磁针的n极，并用箭头标出磁感线的方向.
思路分析：由图1可知通电螺线管的右端为S极，则左端为n极，根据异名磁极相互吸引，小磁针的右端为S极，则左端为n极，因为在磁体外部，磁感线总是从n极发出，回到S极，所以在磁体外部磁感线的方向是指向右的.根据右手螺旋定则，伸出右手使大拇指指示螺线管的左端，则四指弯曲所指的方向为电流的方向，所以电流从螺线管的右端流人，则电源的右端为正极.答案如图2所示.
第2节电流的磁效应
重点考点
奥斯特实验表明通电导线周围存在着磁场――电流的磁场，这就是电流的磁效应，其本质可以简记为：电生磁.电流的磁场方向跟电流方向有关.根据电流的磁效应，人们发明制作了螺线管、电磁铁、电磁继电器.通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样，通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个极，其两端的极性跟螺线管中的电流方向有关，可以用安培定则来判定，
电磁铁的极性、电流方向，以及磁性强弱的判断、探究影响电磁铁磁性强弱的因素、电磁铁的应用是中考的重点和热点，经常以填空题、选择题、作图题、实验探究题的形式出现.
电磁继电器就是利用电磁铁来控制r作电路的一种开关，是利用电流的磁效应工作的.了解电磁继电器的工作原理，必须区分控制电路与厂工作电路.控制电路就是电磁铁电路，电磁继电器是通过电磁铁电路的通、断而改变电磁铁的磁性有无，从而控制工作电路的.
利用某种方式来操纵电磁继电器控制电路的通、断，就可以实现对工作电路的自动控制，例如水位自动报警器就是由水位的升降来操纵电磁继电器控制电路的通、断.这部分知识在近年的中考试题中出现频率、所占分值呈上升趋势.
中考常见题型
例2（2014.南昌）家庭电路中常用带有开关的移动插座，插座上的开关与插座是________联，插座与插座之间是____联.如图3所示.a、B弹簧下方分别吊着软铁棒和条形磁铁，闭合开关，将滑动变阻器的滑片逐渐向左移动时，a弹簧的长度将____，B弹簧的长度将____.（均填“伸长”“缩短”或“不变”）
思路分析：本题考查了家庭电路的连接，影响电磁铁磁性强弱的因素和根据右手定则判断通电螺线管的极性.插座是用来连接用电器的，开关与被控制的用电器是串联的，所以插座上的开关与插座是串联的，用电器之间是并联的，所以插座与插座之间是并联的.开关闭合，滑动变阻器滑片向左移动时，电路中的电流变大，电磁铁磁性增强，对铁棒的吸引力增强，弹簧a长度会伸长，根据安培定则判断通电螺线管的上端为s极，同名磁极相互排斥，弹簧长度会缩短.当滑动变阻器滑片向左移动时，电路中的电流变大，电磁铁磁性增强，条形磁铁的排斥力增大，所以弹簧B长度会缩短.
答案：串并伸长缩短
例3（2014.东营）学校教学楼里安装的应急照明灯，内部结构如图4所示，分电器的作用是把220V的交流高压转化为12V的直流低压，并且分两路输出.请说出220V的供电线路有电和停电时，蓄电池、灯泡的工作状态分别是什么.
思路分析：电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、触点簧片、弹簧等组成，只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合；当线圈断电后，电磁力也随之消失，衔铁就会在弹簧的作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合；这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的.在220V照明电源正常情况下，应急照明灯通过分电器给蓄电池充电，此时，电磁铁吸引衔铁，将灯泡与蓄电池所在电路形成断路，灯泡不发光.当照明电源突然停电时，电磁铁没有磁性，衔铁在弹簧的作用下向上抬起，使灯泡和蓄电池所在的电路形成通路，灯泡发光，从而实现自动应急照明，
答案：有电时，应急灯熄灭，蓄电池充电；停电时，应急灯由蓄电池供电而点亮.
例4（2014.泰安）如图5，闭合开：关，将滑动变阻器的滑片p向右移动时，弹簧测力计的示数变小.则下列分析正确的是（）.
a.电磁铁的上端为S极
B.电源左端为“+”极
C.断开开关，弹簧测力计的示数为零
D.若滑动变阻器的滑片p不动，抽去电磁铁铁芯，弹簧测力计的示数增大
思路分析：滑动变阻器的滑片p向右移动时，电路中的电阻变小，则电路中的电流变大，从而可以确定电磁铁的磁性变强.而条形磁体的下端为n极，并FL弹簧测力计的示数变小，由于异名磁极相互吸引，同名磁极相互排斥，所以电磁铁的上端为n极，故a不符合题意，由安培定则可知，电流由电磁铁的下端流人，故电源右端为正极，左端为负极，故B不符合题意，断开开关，电路中没有电流，所以电磁铁无磁性，即电磁铁对条形磁体既不吸引也不排斥，但由于条形磁体的F1重，故弹簧测力计有示数，故C不符合题意.抽去铁芯后，电磁铁的磁性变弱，而电磁铁的上端为n极，并月一同名磁极相互排斥，电磁铁对条形磁体的排斥力减小，弹簧测力计的示数将变大，故D符合题意.选D.
第3节磁场对电流的作用电动机
重点考点
通电导体在磁场中会受到力的作用.两个磁体间的相互作用是通过磁场而发生的，电流周围也存在着磁场，当把通电导体放人磁场中时，相当于把一个磁体放入了此磁场中，由于磁场对磁体会产生力的作用，所以通电导体在磁场中也会受到力的作用，而作用的实质，还是两个磁场间发生了力的作用.
通电导体在磁场中的受力方向与磁场方向和电流方向都有关系，人们发明制造的电动机就是利用通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，它把电能转化为机械能，电动机分为交流和直流两种.磁场对电流的作用简单理解就是“因电而动”，
动圈式扬声器足利用通电导体在磁场中受力运动的原理把电信号转换成声信号的一种装置.
中考常见题型
例5（2014-安徽）图6为直流电动机的工作原理图.以下相关的分析中正确的是（）.
a.电动机工作过程中.消耗的电能全部转化为内能
B.电动机工作过程中，消耗的电能全部转化为机械能
C.电动机工作过程中，线圈中也产生感应电流
D.电动机工作过程中，线圈中的电流方向保持不变
思路分析：直流电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，通电线圈在磁场中受力转动，将电能转化为机械能.电动机工作过程中，消耗的电能几乎全部转化5转化为机械能，只有很少一部分电能转化为内能，a、B错.电动机工作过程中，线圈切割磁感线，线圈中也产生感应电流，C对.存制作直流电动机时安装了换向器，当线圈转过平衡位置时及时改变线圈中电流的方阳，从而改变线圈的受力方向，使线圈能够保证持续转动.矿选项D错误.选C.
第4节电磁感应现象发电机
重点考点
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流，这种现象叫作电磁感应，产生的电流叫作感应电流，感应电流的方向跟磁场方向和导体切割感线运动方向有关（三者互相垂直），改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向.发电机、动圈式话筒就是利用电磁感应原理制成的.其实质可以婵解为“因动而电”或“磁生电”.发电机工作时，将机械能转化为电能.
这部分知识在中招考试中出现的频率很高，每年的试题可以变换新颖的背景，而形式最多的是将发电机和电动机的原理进行比较，考查同学们是否理解其实质.中考常见题型
例6（2014.邵阳）下列哪种电器设备是利用电磁感应现象来工作的？（）
a.电热器B.电动机C.发电机D.电磁铁
思路分析：先要知道电磁感应现象原理的含义.闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，会产生感应电流，这叫电磁感应现象，其前提条件是施加运动，结果是产生电流.电热器的主要部件是发热体，足利用电流的热效应工作的，故a不符合题意.电动机是利用通电线圈在磁场中受力转动来工作的，是利用通电导线在磁场中受力的作用的原理工作的，故B不符合题意，发电机就是通过线圈在磁场中做切割磁感线的运动，此时电路中会产生电流，故是电磁感应现象，故C正确.电磁铁足利用电流的磁效应的原理制成的，故D不符合题意，故选c，
小结：明确各设备的结构及工作原理，掌握电流的三种效应，即可解决本题.
第5节信息的传递
重点考点
1.电话的结构及工作原理：最简单的电话由话筒和听筒组成.话筒把声音变成相应的电流信号，听筒再把电信号变成声音.
2.模拟信号和数字信号：信号电流的变化情况与声音的变化情况完全一样的信号叫模拟信号：信号是用不同符号的不同组合来表示，这种信号叫数字信号.使用数字信号的通信方式叫数字通信.
3.电磁波：变化的电流产生电磁波，电磁波的家族庞大、应用广泛，如无线电台、无线电视节日发射、雷达、手机等，都利用电磁波传递信号，电磁波的传播不需要介质.电磁波在真空中的传播速度等于光速，即c=3xl08m/s.电磁波的传播速度c、波长λ、频率f的关系为c=λf.
中考常见题型
例7（2014.广安）随着数字时代的到来，3G与4G的相继出现，现在我们已经可以很方便地使用3G或4G.手机进行无线网络登陆，对手机上网的说法中，正确的是（）.
a.使用电磁波传输数字信号
B.使用超声波传输数字信号
C.使用红外线传输数字信号
电磁感应效应篇4
关键词：Doe；minitab；转速传感器；输出电压；精确控制
1概述
磁电式传感器运用电磁感应原理，将输入的运动速度转换成感应电动势输出，具有不需要供电电源、电路简单、性能稳定、输出阻抗小等优点[1]。磁电式转速传感器广泛应用于发动机转速测量，在监控发动机状态过程中发挥着重要作用。当发动机工作时，具有导磁性的音轮旋转，通过传感器线圈的磁通量发生周期性变化，传感器线圈中产生周期性电压，通过对输出电压处理计数，测出齿轮转速[2]。
根据磁场回路的大小，磁电式传感器可分为开放式磁电转速传感器和半封闭式磁电转速传感器。开放式磁电转速传感器外壳是不导磁的，线圈在磁钢和音轮组成的大回路的磁场下工作，音轮旋转时产生交变的磁场，使线圈产生感应电势。开放式磁电转速传感器对磁钢的要求不高，一般采用普通的铝镍钴永磁材料。虽然在使用过程中磁性能容易下降，但可以在外部用重新充磁来调整，容易返修。半封闭式磁电转速传感器是由铁芯、磁钢、导磁体、外壳组成的e形磁导体和音轮构成小回路的磁场，当音轮旋转时，磁场变化，在线圈内产生感应电动势。半封闭式磁电转速传感器要求磁钢的磁性能强，一般采用钐钴磁钢。半封闭式磁电转速传感器在使用中如果磁性能下降，很难再重新充磁。由于易调整的特点，目前我厂的磁电式传感器以开放式磁电转速传感器为主。下文论述均以开放式磁电转速传感器为基础。
目前，我厂转速传感器输出电压的控制较为粗放，一致性较差，实际测量结果与设计指标误差较大，设计存在反复，影响研发周期。本文基于实验设计（Doe）方法，对输出电压进行流程分析及降噪处理，运用minitab软件，通过实验方案设计、实施、分析，构建合理模型，给出拟合公式，并经预测、验证，提出有效的控制手段。
2流程分析
转速传感器是根据电磁感应原理设计的，完整的测量系统由传感器及音轮两部分组成。音轮按齿形不同可分为端面齿音轮与径向齿音轮，如图1所示。以径向齿音轮为例，传感器的测量端正对音轮的齿，传感器的测量端与音轮的齿之间存在间隙，音轮转动时，间隙交替变化周期性地改变磁路中的磁阻，磁阻周期性的变化引起通过线圈磁通量的变化（见图2），线圈两端输出周期性、上下对称的脉冲电压信号，如图3所示。随着音轮转速的升高，输出电压幅值增大，直至达到饱和。
a.端面齿音轮b.径向齿音轮
转速传感器将非电量转速信号转换为对称的脉冲信号，脉冲的频率值与转速的关系为：
其中，n为音轮转速，f为脉冲频率值，Z为音轮齿数。
由于音轮齿数Z为常数，从式（1）中可以看出，转速n与脉冲的频率值f成正比关系。
转速传感器一般由铁芯、磁钢、外壳、端盖及线圈等组成，铁芯在为传感器提供磁通路径的同时也作为骨架供绕制线圈用，图4所示为磁电式转速传感器典型结构。
输出电压峰值em=nBSω（2）
其中，n为线圈匝数，B为通过线圈的磁感应强度，S为线圈横截面积，ω为线圈切割磁场角速度。
B主要由磁钢磁感应强度B0和铁芯磁导率μ两大参数决定，其他影响因素有传感器y量端与音轮之间的间隙δ、音轮材料磁导率μ'等。
S由骨架外径D1及线圈外径D2决定，如图5所示，线圈外径D2又与匝数n、漆包线直径d、骨架长度L相关。
ω由音轮齿数Z和音轮转速n决定。
3降噪处理及实验方案设计
对于某个确定的测量系统及固定的测量频率，音轮间隙δ、音轮材料磁导率μ'、骨架外径D1、漆包线直径d、骨架长度L、音轮齿数Z、音轮转速n可视为常量。主要变量为线圈匝数n，磁钢磁感应强度B0，铁芯磁导率μ。由此，确定响应为低频输出电压峰值em，实验设计变量为线圈匝数n，磁钢磁感应强度B0，铁芯磁导率μ。
水平选择：3因子，2水平，3个中心点，全因子，共11次实验。
响应变量与参数：以某型转速传感器为例，线圈匝数[1800，2000]，
磁钢磁感应强度[1000，1200]，铁芯磁导率[24000，30000]。
运用minitab软件生成的实验设计方案如图6所示。
4实验实施
通过ansoft/maxwell3D有限元仿真分析软件对低频输出电压峰值进行仿真计算。仿真结果见图7。
5实验分析
运用minitab软件对实验结果进行分析。低频输出峰值的主效应图见图8，无交互效应。由图8可见，三个变量对响应的影响均显著，从斜率来看，对响应的影响程度排序为磁钢磁感应强度>线圈匝数>铁芯磁导率，这与图9所示的pareto图结果一致。
6模型构建
运用minitab软件对实验结果进行因子回归分析。得到如下回归方程：
低频输出峰值=-0.914+0.000279线圈匝数+0.000679磁钢磁感应强度+0.000005铁芯磁导率
模型合理与否的关键指标如下：R-sq=97.52%>80%，R-sq（调整）=96.46%>80%，R-sq（预测）=95.04%>80%。线圈匝数p值=0.000
7预测及验证
运用minitab软件生成响应与变量的曲面图和等值线图。图10～图15分别为铁芯磁导率取24000、27000、30000的情况下低频输出峰值与磁钢磁感应强度、线圈匝数的曲面图和等值线图。由图可见，低频输出峰值与磁钢磁感应强度、线圈匝数呈正相关，并且可粗略地通过为磁钢磁感应强度、线圈匝数赋值，对低频输出峰值进行控制。
图16～图18为分别为铁芯磁导率取24000、27000、30000的情况下低频输出峰值（0.55～0.58）与磁钢磁感应强度、线圈匝数的等值线图。通过在图中白色区域取值，可将低频输出峰值精确控制在0.55～0.58范围内。
运用minitab软件进行响应优化预测。如图19所示，取目标值0.565（0.55与0.58的均值），得到结果：当线圈匝数=1854.9945，磁钢磁感应强度=1200，铁芯磁导率=27151.8260时，可使低频输出峰值预测值达到0.565。关键指标：合意性指数=1，拟合值标准误=0.00630，95%置信区间为（0.55011，0.57989），95%预测区间为（0.53125，0.59875），表明预测结果可信。
运用ansoft/maxwell3D有限元仿真分析软件进行验证，线圈匝数取1855，磁钢磁感应强度取1200，铁芯磁导率取27152，仿真结果为0.56073，与预测值0.565相比，两者误差仅1%，构建的模型得到验证，其拟合度较高。
8控制计划
基于回归方程，运用等值线图和响应优化器，通过为线圈匝数、磁钢磁感应强度、铁芯磁导率赋值，可精确控制输出电压，实现其数值望大、望小及望目等目的。
9结论
本文基于实验设计（Doe）方法，对输出电压进行流程分析及降噪处理，运用minitab软件，通过实验方案设计、实施、分析，构建合理模型，给出拟合公式，并经预测、验证，提出有效的控制手段。
参考文献
电磁感应效应篇5
关键词：合作学习；电磁感应；教学应用
物理是一门以自然为基础的学科，其开展的目的就是让学生深层次地认识自然，而在日常生活中，很多比较普遍的现象都是电磁感应产生的，通过人类对电磁感应的研究，实现对工业生产的更好服务。为此在高中物理教学中，运用合作学习模式，能加深学生对于电磁感应的认识，对于学生来说有着重要的实际意义。
一、构建任务性合作模式，明确教学目标
许多教师在物理教学过程中，在运用合作学习这种教学模式时，往往不能明确教学目标，致使合作环节缺乏目的性，影响高中物理合作学习的教学效率。针对这一现象，教师在引导学生进行合作学习时，一定要明确教学目标，有针对性地组织学生进行合作，这样才能使合作过程有的放矢，具体而言，就是教师可以根据教学目标布置合作任务，进而让学生在完成任务的过程中，建立知识的模型网络，发挥合作学习的优势性。在进行电磁感应教学的过程中，教学目标就是，学生要了解电流磁效应和电磁感应现象的发现过程，以及有关电磁感应的物理学史，进而通过实验，明确电磁感应的产生条件，通过实验现象分析电磁感应、感应电流的定义，最后了解电磁感应现象在生活与生产中的实际应用，只有明确这一教学目标，教师才能实现合作任务的合理性。
二、生活导入，构建合作学习情景
电磁感应现象是生活中常见的一种物理现象，因此，教师在进行这节课程的合作学习教学时，可以结合生活中的实际现象，为学生构建具体的合作情景，通过教材知识与生活情景的融合，提高学生的学习兴趣，进而拉近学生与电磁感应知识的距离，通过增强教学内容的亲切感，使学生由被动学习转变为主动学习，因此，在学习电磁感应这节课程内容时，教师可以在开课前，进行这样的生活导入“银行柜员为什么可以通过信用卡上的磁条读取用户信息”“演唱会中话筒又是如何发声的”，进而通过这些生活中的实际问题引入，向学生阐释“电磁感应”这一物理概念，进而让学生以小组为单位，通过合作学习，探究电磁感应的产生条件，学生就可以在生活的铺垫中，用一种感性思维更直观地去探究抽象的物理知识，不但能提高学生合作学习的效率，还能加深学生对电磁感性知识的理解。
三、通过手动实验，进行合作物理学习
高中物理教学是一门以实验为基础的学科，许多物理理论知识都是通过实验的形式得出的，所以物理教学离不开物理实验，因此在进行电磁感应这节课程时，教师所组织的合作学习，也要以实验为切入点，引导学生以小组为单位，动手实验，在动手合作过程中，加深对实验现象的理解，继而通过实验现象，分析原理知识。在进行探究电磁感应的产生条件这个实验时，实验的重点就是观察闭合电路的一部分导体在磁场运用过程中，产生的感应电流条件，因此在实验过程中，教师可以引导学生观察导体上下左右的不同运动结果，让学生理解导体切割感线的运动含义，进而发现当导体的运动方向与磁感线不平行时，才能称之为切割，继而为e=BLVSinθ这一理论知识打下基础。通过学生手动实验，与教师的有效指导，进行合作实验学习，可以有效提高学生对于原理知识的认识。
四、引入探究式开放问题，拓展学生思维
在高中物理课程标准中，明确地提出了物理教学，要以培养学生的探究学习为主，因此，在教学过程中，通过为学生设置更多的开放式问题，引导学生主动探究，进而让学生以小组的探究式合作学习，不但可以充分的调动学生的思维，也可以开发学生的学习潜能，是提高物理课堂教学的有效方法。而在电磁感应这节课程学习结束后，教师就可以为学生布置这样的开放性作业，例如让学生根据电磁感应现象的理解，做一做摇绳发电，体会发电强弱与摇绳速度和摇绳方向之间的关系，学生就会在这个作业合作探究过程中，加深对影响电磁感应条件的理解，不但拓宽了学生的思维，也可以形成学生物理学习的研究思路。
综上所述，合作学习可以为学生提供更多展示自我的机会，不但可以促进学生的全面发展，也可以提高物理教学效率，尤其是对于电磁感应这种比较难以理解的知识，运用合作学习的方式，更能提高学生的原理认识。
参考文献：
[1]张小丁.“电磁感应现象”的合作学习模式教学设计[J].科技风，2014（19）.
电磁感应效应篇6
关键词：楞次定律；探究；部分抵消变化说
作者简介：梁吉峰（1970-），男，山东荣成，大学本科，特级教师，主要研究方向高中物理教学、物理奥赛辅导.
人教社新课程高中物理选修3-2第3节《楞次定律》的主要热菔翘骄扛杏Φ缌鞯姆较.从总体上来说，探究过程最突出的特点就是涉及物理量多、情境复杂、规律隐蔽.近百年来，该实验装置和方案不曾改过.课本上主要是通过一个“中介”（感应电流的磁场）来进行的，如图1的照片（课本插图），在这里我们不禁要问：为什么要提出这个“中介”？这个“中介”的提出是否有点突兀？另一方面，探究过程是不是涉及了过多的物理量？（从表格1可以窥见一斑）是否还可能有更加通畅而简洁的思路呢？是否可以设计出一个由浅入深、环环相扣、层层递进、总体思路更加通畅的并且易于学生理解和思悟的探究过程？
下面来做一个尝试：首先进行理论探究，也就是通过分析与综合方法提出探究性问题（原磁场的磁通量的变化与感应电流的磁场的方向之间的关系）；然后设计探究性实验，对探究的结果进行分析、总结和归纳最后得出楞次定律.
为了提出具体的探究问题，还是要先从本章第二节《探究感应电流的产生条件》开始回顾.
1通过运用分析与综合方法提出探究问题
探究感应磁场的方向（感应电流磁场的方向）与原磁场的磁通量变化（包括不同原磁场方向的所有相关情况）之间的关系.
在本章第二节我们已经知道：当磁铁插入或者拔出线圈时，也就是穿过线圈的磁通量发生变化的时候，最终会在回路中产生了感应电流，这说明感应电流与穿过闭合电路的磁通量的变化有关.
因为最终产生了感应电流，首先尝试从感应电流的产生原因这一角度入手来思考.
根据闭合电路的欧姆定律，所以感应电流会使人联想起电压和电阻.不过马上就会否定该种想法，因为上述物理概念和规律与本探究物理情境毫不相关，显然这不是探究的方向.
下面尝试从感应电流的各种效应方面入手探究.这包括机械效应、热效应、磁效应和化学效应.稍加分析可知，可能我们可以从电流的磁效应这一方面入手.
至此，我们的问题转化为研究感应电流的磁场的方向.
我们不仅又想起了磁铁的磁场，因为要研究感应电流的方向的问题，现在碰到了两个磁场，自然就会想到研究这两个磁场的方向之间有无关系.
前一节已经告诉我们，要通过研究穿过闭合回路的磁通量的变化来研究.那么要探究的问题立刻浮出水面：原磁场和感应电流磁场的磁通量的变化之间有无关系？
对于（电流或者磁场的）方向这一方面，我们不能轻易放弃，因为对于物理学科而言，方向至关重要.本节就是要探究出感应电流的方向.
最终探究的问题进一步具体化为：探究感应磁场的方向（感应电流磁场的方向）与原磁场的磁通量变化（包括不同原磁场方向的所有相关情况）之间的关系.
2建构条形磁铁――螺线管模型
通过对“条形磁铁―螺线管”模型进行以下四步渐次复杂的实验探究和分析，最终得出楞次定律的内容.
下述前两步探究将使用有共性的两组相同实验仪器，进行对比实验探究.
2.1探究感应磁场的方向与Δ的正负的关系
探究一
如图2所示，在本步所有的操作中，条形磁铁的n极都在下方.分别将磁铁的n极从上端向下插入和从螺线管中向上拔出，（根据安培定则由感应电流的方向来判定感应磁场的方向，下同）然后得到感应磁场的方向.经过分析判定，当磁铁插入螺线管（即（（（0）时，感应磁场方向向上；当磁铁拔出螺线圈（即Δ
这说明：在原磁场方向相同的情况下，感应磁场的方向与Δ的正负（也可以说是穿过螺线管的磁通量的变化）有关.
2.2探究感应磁场的方向与原磁场的方向的关系
探究二
如图3所示，分别将磁铁的n极和S极都从上方向下插入螺线管，在操作过程中尽量保证穿过螺线管的磁通量的变化量的绝对值相等，观察感应磁场的方向.
经过观察分析可知，当n极插入螺线管时，感应磁场方向向上；当S极插入螺线圈时，感应磁场方向向下.
这说明，在磁通量的变化量的绝对值相等的情况下，感应磁场的方向与原磁场方向有关.
综合以上两步探究的结果，感应磁场的方向与穿过螺线管的磁通量的变化量和原磁场的方向这两个因素有关.
2.3综合归纳得出“增反减同”的初步结果
探究三重复并扩展探究二的操作步骤.
如图4所示，将磁铁的n极（和S极）从上方插入螺线管（都是插入）.当n极向下插入螺线管（即Δ为正）时，原磁场方向向下，感应磁场的方向向上；当S极向下插入螺线管（即Δ为正）时，原磁场方向向上，感应磁场的方向向下.
综合上述两步理论分析发现：不管是n极还是S极，只要插入螺线管，也就是说只要穿过螺线管的磁通量的绝对值在增加，感应磁场的方向就与原磁场的方向相反.
下面继续探究将n极和S极向上拔出螺线管的情况.当n极向上拔出螺线管（即（（为负）时，原磁场方向向下，感应磁场的方向向下；将磁铁的S极向上拔出螺线管（即（（为负）时，原磁场方向向上，感应磁场的方向向上.
归纳上述两步可以发现：不管是n极还是S极，只要拔出螺线管，也就是说只要穿过螺线管的磁通量的绝对值在减小，感应磁场的方向就与原磁场的方向相同.
将上述的两大步再进一步归纳（即针对所有插拔情况）：上述每一种操作都满足下述规律：当（（为正时（磁通量的变化量增加），感应磁场与原磁场方向相反；当（（为负时（磁通量的变化量减少），感应磁场与原磁场方向相同，也就是“增反减同”.
2.4运用磁通量的形象标识方式（磁感线的条数）进行科学想象.
怎样理解“增反减同”的现象，这“又增又减”的表面是否隐藏着统一的物理本质？下面继续进行探究和思考.
探究四：如图5所示，继续分别将n极和S极插入和拔出螺线管，观察感应磁场的方向.
当n极插入螺线圈时，原磁场方向向下，穿过螺线管的磁通量（下面用磁感线的条数来进行科学想象）增加，感应磁场方向向上，由于二者方向相反，所以结果是抵消了一部分增加的磁通量，即方向相反的两组磁感线相当于减少了净磁感线的条数.“不让磁通量增加”.
同理，当n极拔出螺线圈时，螺线管的磁通量减小，感应磁场方向向下，由于二者方向相同，所以结果是补偿了一部分减少的磁通量，即方向相同的两组磁感线的总体效果是：“不让磁通量减少”.
将S极插入和拔出螺线管的情况与n极的相关情况类似，不再赘述.
总之，“不让磁通量增加”和“不让磁通量减小”，都是不想让原来的磁通量发生变化的意思，看来“不想让其变化”就是增反减同的共性.
考虑感磁场的强弱和原磁场的强弱之后，可以说：我们是用一种“部分抵消变化说”总结了“增反减同”的共性.
下面再从感应电流的磁场的角度来思考，我们关心的问题是：到底感应磁场在上述电磁感应的过程中起到了什么作用？
上述的“部分抵消变化”事实上就是感应电流的磁场阻碍了（不是完全阻止）原磁场磁通量的变化.
至此，我们得出最终结论：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律.楞次定律的核心，也是最需要大家记住的是“阻碍”二字.
综观楞次定律的整个探究过程，结合了双向思维，先进行理论探究，也就是通过分析与综合方法这一物理科学方法提出探究性问题（原磁场的磁通量的变化与感应电流的磁场的方向之间的关系？）；紧接着通过四步层层递进的探究性小实验，综合运用了控制变量法和部分归纳法、全部归纳法，最后在实验探究的结果的基础上再进一步进行科学想象和综合归纳，最终自然生发而成楞次定律这一重要规律.整个探究过程是本节课的重点和难点.上述的探究过程一直贯穿着理论和实验相结合的思想，彰显了物理科学方法的巨大力量.
参考文献：
[1]陶昌宏，探究性教学的“魂”――独立的思考探索的实践[J].物理教师，2012（2）：1.
电磁感应效应篇7
1．在物理知识方面的要求．
(1)掌握导体切割磁感线的情况下产生的感应电动势．
(2)掌握穿过闭合电路的磁通量变化时产生的感应电动势．
(3)了解平均感应电动势和感应电动势的即时值．
2．通过推理论证的过程培养学生的推理能力和分析问题的能力．
3．运用能的转化和守恒定律来研究问题，渗透物理思想的教育．
二、重点、难点分析
1．重点是使学生掌握动生电动势和感生电动势与哪些因素有关．
2．在论证过程中怎样运用能的转化和守恒思想是本节的难点．
三、主要教学过程
(一)引入新课
复习提问：在发生电磁感应的情况下，用什么方法可以判定感应电流的方向？要求学生回答出：切割磁感线时用右手定则；磁通量变化时用楞次定律．
(二)教学过程设计
1．设问．
既然会判定感应电流的方向，那么，怎样确定感应电流的强弱呢？既然有感应电流，那么就一定存在感应电动势．只要能确定感应电动势的大小，根据欧姆定律就可以确定感应电流了．
2．导线切割磁感线的情况．
(1)如图所示，矩形闭合金属线框abcd置于有界的匀强磁场B中，现以速度v匀速拉出磁场，我们来看感应电动势的大小．
在水平方向ab边受到安培力Fm=Bil的作用．因为金属线框是做匀速运动，所以拉线框的外力F的大小等于这个安培力，即F=Bil．
在匀速向外拉金属线框的过程中，拉力做功的功率p=F•v=Bilv．
拉力的功并没有增加线框的动能，而是使线框中产生了感应电流i．根据能的转化和守恒定律可知，拉力F的功率等于线框中的电功率p′．
闭合电路中的电功率等于电源电动势ε(在这里就是感应电动势)与电流i的乘积．
显然Fv=εi，
即Biv=εi．
得出感应电动势ε=Blv．(1)
式中的l是垂直切割磁感线的有效长度(ab)，v是垂直切割磁感线的有效速度．
(2)当ab边与磁感线成θ角(如图2)做切割磁感线运动时，可以把速度v分解，其有效切割速度v＝v•sinθ．那么，公式(1)可改写为：
ε＝Blvsinθ．(2)
这就是导体切割磁感线时感应电动势的公式．在国际单位制中，
它们的单位满足：V=tm2/s．
3．穿过闭合电路的磁通量变化时．
(1)参看前图，若导体ab在Δt时间内移动的位移是Δl，那么
式中lΔl是ab边在Δt时间内扫过的面积．lΔlsinθ是ab边在Δt时间内垂直于磁场方向扫过的有效面积．BlΔlsinθ是ab边在Δt时间内扫过的磁通量(磁感线的条数)，对于金属线框abcd来说这个值也就是穿过线框磁通量在Δt时间内的变化量ΔФ．这样(3)式可简化为
(2)在一般情况下，线圈多是由很多匝(n匝)线框构成，每匝产生的感应电动势均为(4)式的值，串联起来n匝，则线圈产生的感应电动势可用
表示．这个公式可以用精密的实验验证．这就是法拉第电磁感应定律的表达式．
(3)电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比．这就是法拉第电磁感应定律．
4．几个应该说明的问题．
(1)在法拉第电磁感应定律中感应电动势ε的大小不是跟磁通量Ф成正比，也不是跟磁通量的变化量ΔФ成正比，而是跟磁通量的变化率成正比．
(2)法拉第电磁感应定律反映的是在Δt一段时间内平均感应电动势．只有当Δt趋近于零时，才是即时值．
(3)公式ε=Blvsinθ中，当v取即时速度则ε是即时值，当v取平均速度时，ε是平均感应电动势．
(4)当磁通量变化时，对于闭合电路一定有感应电流．若电路不闭合，则无感应电流，但仍然有感应电动势．
(5)感应电动势就是电源电动势，是非静电力使电荷移动增加电势能的结果．电路中感应电流的强弱由感应电动势的大小ε和电路总电阻决定，符合欧姆定律．
(三)课堂小结
1．导体做切割磁感线运动时，感应电动势可由ε=Blvsinθ确定．
2．穿过电路的磁通量发生变化时，感应电动势由法拉第电磁感应定
3．感应电动势就是电源电动势．有关闭合电路相关量的计算在这里都适用．
4．同学们应该会证明单位关系：V=wb/s．
五、教学说明
1．这一节课是从能的转化和守恒定律入手展开的，其目的在于渗透一点物理思想．
2．这一节课先讲动生电动势再过渡到感生电动势，其目的是隐含地告诉学生在某些情况下两者是一致的、统一的．
电磁感应效应篇8
关键词：感应取电；在线监测；电磁能；电磁感应
中图分类号：U417.9文献标志码：B
abstract：inviewoftheproblemthattheonlinemonitoringsystemforexpresswayinmountainareaisdifficultinpowersupplyandthebatteryisnoteasytobereplaced，thesolarpanelpowersupply，laserpowersupplyandinductionpowersupplywerecompared.theinfluenceofalternatingmagneticfieldproducedbyhighvoltagelineontheinductionpowersupplywasdiscussed.therelationshipbetweenthenumberofturns，theloadandthestartingcurrentwasstudied.theselectionofthedevicewasoptimized，andthecalculationmethodofvoltageandpowerwasgiven.theresultsshowthatwiththesiliconsteelsheetasthecorematerial，whenthenumberofturnsisaround100，theelectromagneticenergyofthetransmissionlinecanbeusedmorerationallyandeffectively，andthepowersupplyforonlinemonitoringequipmentcanbemaintained.
Keywords：inductionpowersupply；onlinemonitoring；electromagneticenergy；electromagneticinduction
0引言
中国的山区占陆地面积的三分之二，主要包括丘陵、山地以及崎岖的高原，地理条件复杂，交通不便，事故发生概率高，易造成道路大面积破坏，威胁驾乘人员生命、财产安全。因此，对山区高速公路的实时监测尤为重要。山区高速公路一般距离市区较远，故人为监测频率低且成本相对较高，若可采用在线监测系统对山区高速公路、构造物等进行监测，可以保证监测的实时性。然而，受地理条件、成本以及用电安全等诸多要求限制，电源供给成为制约在线监测系统发展的关键因素。
目前，在线监测系统常用的供电方式有：太阳能板、激光供电及感应取电等。太阳能板供电安装过程复杂，易受外界环境尤其是光照强度的影响，在多雨多雾地区不适用此技术[12]；激光供电设备复杂且成本较高，能量转换效率较低；高压输电线路感应取电技术克服了气候及地理条件的影响，不仅环保、稳定性高、可持续供电，而且其取电装置体积小、安装简单、成本低、供电可靠，可长期稳定地为监控设备供电[34]。
1感应取电的原理
高压输电线路的感应取电技术基于电磁感应定律，利用高压线路产生的交变磁场提取电能，有效地对高压线产生的磁场进行利用[59]。感应取电装置主要由铁芯、感应线圈、整流模块及蓄电池组成，其等效模型如图1所示。其中，高压输电线路为初级绕组，匝数为n1；感应线圈为次级绕组，匝数为n2。
铁芯和感应线圈是感应取电装置的“发电机”，利用输电线路周围的交变电磁场进行感应发电；整流模块对得到的感应交变电流进行整流并输出直流电；得到的直流电在控制模块的监控下对蓄电池进行充，并为传感器节点提供电能。
高压输电线路上通有幅值恒定的交流电，则线路周围将产生交变磁场，并在铁芯上产生交变的磁通，产生感应电动势[1013]。假设初级绕组和次级绕组为全耦合电磁感应，不计初级绕组和次级绕组的漏感，根据电磁学基本理论可以得到如下方程式。
2.2匝数分析
电流互感器的基本原理是利用磁势的守恒原理获取能量，公式如下所示。
n1i1=n2i2（8）
因此，对于电流互感器的设计，其变比的大小直接影响到输出功率的大小。但不是变比越小越好，变比太小，二次侧的电流过大，对电路保护的要求就更高；同样，变化比过大，带负载能力就会下降。以1000a电流为例进行讨论，具体关系如图2所示。
图2匝数与启动电流的关系
结合图2和感应取电装置的性能指标可以看出，线圈在100匝左右时，满足最低的启动电流。
当匝数满足最低启动电流时，负载与启动电流的关系如图3所示。从图3可以看出，相同负载下，线圈匝数越多，启动电流越大；线圈匝数相同时，负载越低，启动电流越大。考虑到感应装置的启动电流至少为10a，所以线圈匝数应至少设置为100匝。
2.3感应取电装置与高压线的距离分析
高压输电线通过交变电流在周围空间产生交变磁场。电流大小不同，所产生的感应磁场不同[1415]。根据毕奥萨伐尔定律可知，长为L的导线在某点的磁感应强度为
B=μ04π∫Lidl×r[KG*3]0r2（9）
式中：idl为一个电流元；r为该点距导线的垂直距离；r[KG*3]0为电流元到该点的距离。
高压输电线的距离一般很长。因此，L可以看作趋于无限大，则得到磁感应强度与电流强度、导线间距离的关系为
B=μ0i2πa（10）
式中：i为导线的电流强度（a）；a为该点与导线之间的距离（m）。
不同电流强度下，距高压线不同距离处的磁感应强度如图4所示。由图4可以看出：当电流一定时，与高压线的距离越远，磁感应强度越弱；当距离一定时，通过高压线路的电流强度越大，磁感应强度越大。磁感应强度变化范围为0～12×10-2t，距离在0～01m内磁感应强度下降最为剧烈；距离在01～03m内变化较为平缓；距离大于0.3m时磁感应强度很小，接近定值；距离为01m和03m时的磁感应强度相差一个数量级。高压电路传输频率一定时，磁感应强度越大，磁感应强度变化率就越大，感应电动势也就越高。为了将感应取电装置对高压线的影响降至最低，其体积不宜过大，将铁芯横截面面积S控制在10-4m2或10-3m2级别，匝数选取100匝，输出电压取12V，按照公式（6）计算得出dBdt的数量级为102～103（t・s-1），以频率为50Hz计算，磁感应强度变化范围应大于1（t・s-1）。由图4可知：当高压线传输电流强度为400a时，感应装置与高压线的距离应控制在01m以内；当高压线传输电流强度为600a时，感应装置与高压线的距离应控制在012m以内；当高压线传输电流为1200a时，感应装置与高压线的距离应控制在027m以内；当高压线传输电流强度为3000a时，感应装置与高压线的距离应控制在06m以内。
2.4磁芯材料的选择
铁芯材料对于系统的输出功率有直接影响。相同条件下，磁导率越高，取能线圈感应的功率越高。选择磁芯材料应该从磁导率、饱和磁导率、电阻率、工作频率等方面进行比较。常用几种取能磁芯材料的性能如表3所示。
磁芯材料应具有磁导率高、电阻率大、饱和磁感应强度高的特点。坡莫合金有较高的磁导率，但价格昂贵，饱和磁感应强度较低，且机械应力对磁性能影响显著，通常需要保护壳；微晶合金具有较高的初始相对磁导率，但适用于高频器件；相比合金材料，硅钢片的饱和磁感应强度更高，可以大大增加取能磁芯适应母线电流的范围，其居里温度高达740℃，这种材料完全可以满足取能磁芯的要求。此外，硅钢片的价格比合金材料要低很多，因此具有较高的性价比。
3感应电能及功率的计算
在计算取能磁芯感应电能时，结合变压器模型进行分析，根据磁通势平衡方程、安培环路定理及电磁感应定理有如下关系式
4安全性分析
感应取电技术就是利用高压线周围的交变磁场得到感应电能，只有当高压线有电流时，才会有感应电流产生。由于感应电流较小，所产生的感应磁场特别小，相对于高压线的磁场可以忽略不计，因此感应取电技术对高压线的输电不会造成影响[1618]。
高压线上的电流幅值不是不变的，它会随着季节及用电时间的不同发生变化，变化范围从几安到几千安不等。瞬时短路的现象也会在高压线上出现，必须采取安全防护措施。瞬时短路会产生极高的短路电流，对取电电路中的元器件造成不可修复的损坏，故在电路中设置tVS管的防浪涌电路[5]。在用电高峰期，输电线会出现长时间工作在较大电流的情况，感应电压有可能超过稳定时所允许的最高输入电压。此时在电路中设置双向晶闸管对电路进行保护，将感应取电控制在特定值以下，引线对于过路的行人及牲畜不会有影响，安全性得到保障。
5结语
山区高速公路在线监测装置的供电问题不容忽视。与太阳能供电、激光供电相比，感应取电技术具有环保、稳定性高、可持续供电等诸多优点，可以长期稳定地为监控设备供电。本文采用的感应供电技术有效地利用了山区高速公路周边高压传输线路，解决了在线监测装置的供电问题，对线路的影响非常小，可忽略不计，足以保证线路及用电设施的安全，可为偏远地区在线监测等低电压、低电流设备的电源供应提供参考。
虽然采用感应取电技术为山区高速公路在线监测系统供电有很多优点，但仍有需要改进之处，例如当感应取电装置遭受雷击影响时，绝缘子可能发生闪络或击穿，这将使装置内的电路受到严重损坏，从而影响在线监测系统的正常工作。随着社会的不断发展，高压输电线路的电压及电流不断增加，选择磁芯材料难度加大，绝缘装置结构变得更加复杂。因此，该技术的研究还需向磁芯材料、保护及处理电路、功率控制等方面探索，使高压输电线感应取电技术不仅能更好地用于野外在线监测系统，而且能应用于其他电力设备的供电。
参考文献：
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电磁感应效应篇9
【关键词】磁弹效应；钢索应力测量；磁通量传感器
0引言
斜拉桥的斜拉索、系杆拱桥的吊杆和系杆、悬索桥的缆索体系、预应力结构的体外索和预应力筋等是工程结构的关键受力构件之一，对其施工阶段及运营阶段的张力大小监控具有重要的意义。传统的索力或应力测量方法，如振动频率法、压力传感器测定法和应变片测定法等[1]，都存在明显的缺陷，限制了它们在工程中的应用范围。近年来，国外提出了基于磁弹效应法测试钢索应力的新方法，工程界对于此方法的研究，正是想弥补传统的索力或应力测量方法的不足。虽然磁弹效应法也存在测量过程中一些固有的弱点，但是其测量系统往往具有极低的成本，同时又不容易损坏，有着很长的使用寿命。随着全球经济的进一步发展，必然有更多的大型建筑需要更低成本检测方案，因此从长远来看磁弹效应法是最具有潜力的一种钢索应力测量方式[2-3]。国际上对磁弹效应法测量钢结沟应力的主要研究集中在欧洲、日本和美国等一些研究机构里。国内也有些大学和研究机构进行磁弹效应法测量钢索应力的研究，但尚处于理论研究和实验室开发阶段，国内有企业（如柳州欧维姆机械股份有限公司）生产了适合磁弹效应法测量的磁通量传感器，但国内没有与之相配套的测量仪表，只能采用国外的仪表。因此，研发设计一套能运用于实际工程的钢索应力测量仪表成为必要，本文将介绍自主研发的测量仪表样机研况和实验测试结果。
1测量理论[4-5]
利用磁致伸缩效应可以使磁能（实际上是电能）转换为机械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能（电能）。磁弹索力传感器正是利用这种磁弹效应来实现索力测量的。当钢索受到轴向应力时（拉力或压力），其轴向发生形变，使得其磁化强度发生变化，而索力与磁导率的变化成正比，通过测量增加磁导率可计算出应力值。
直接测量磁通量或磁通量密度是比较困难的，可采用变通的方法，依据磁感应原理可简便的研究一个材料磁化的磁性质。利用两个线圈来进行，一个初级线圈，一个次级线圈，将被测材料作为线圈的铁心。在初级线圈的两端加一个脉冲激励能量，就会产生一个随时间而变化的变化磁场，其增加磁导率μ一般由磁场强度变化ΔH和磁通量密度变化ΔB之间的关系来描述：
可通过某时间段的积分电压Vout和V0计算出增加磁导率，进而计算出应力值。
2实施方法分析
由上述理论分析可由两个积分电压计算出钢索应力值，但在实际工程应用中，影响积分电压测量的因素很多，在钢索应力一样的情况下各种不良影响因素均能引起积分电压Vout和V0有不同的测量结果，这些因素包括：传感器一次侧的励磁能量的大小；积分时间段的选择；由于现场连接传感器导线长度的差异而引起励磁电路参数的变化；钢索材料铁磁特性的不同；另外根据铁磁材料磁导率的特性，铁磁材料温度的变化会导致磁导率的变化，进而影响积分电压值。
首先，分析上述的各种因素，根据应用现场运用情况实施方法可分为：①通过算法可补偿的因素，传感器安装位置不同导致连接导线长度的差异和环境温度引起钢索温度的差异，导线长度的差异由初级线圈励磁电压和积分时间段的初级线圈电流通过特殊算法补偿积分电压，温度的差异可设定标定温度和实测温度通过温度补偿算法补偿积分电压；②通过参数设制可控制的因素，对需施工的钢索预先进行标定实验，避免钢索材料的影响，根据钢索达到磁饱和但又不能产生大量磁涡流的原则确定初级线圈励磁电压值，积分时间段的选择根据钢索将近达到磁饱和而又未饱和的原则确定积分时间段开始时的初级线圈电流值；③通过针对需施工的钢索预先进行标定的实验，确定没有钢索时的空载积分电压V0的值，确定标定时钢索温度和温度补偿系数的值，以及确定4个增加磁导率与应力值关系的3次线性方程的系数。
钢索应力测量仪表首先检测初级线圈电流曲线、次级线圈电压曲线和钢索温度三组物理变量，对初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线进行滤波等数字信号处理，再依据积分时间段计算次级线圈积分电压值，该值经过导线长度补偿和温度补偿计算后得到最终积分电压值，运用公式（7）算出增加磁导率，最后依据增加磁导率与应力值关系的3次线性方程计算出钢索应力值。
3硬件实现
依据钢索应力计算所需的物理量要求，仪表必须测得初级线圈电流、次级线圈电压、初级线圈励磁电压和钢索温度四个物理量数据以及数据的处理计算，硬件电路主要包括单片机系统、励磁控制电路和模拟量测量电路三个部分组成，如图1。
图1硬件电路框图
3.1单片机系统[6]
单片机系统最关键的是处理器的选择，依据测量要求，处理器必须有足够的存储器存储初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线的数据，以及能快速处理数字信号处理和计算能力，因此选择高性价比的处理器芯片LpC2378芯片，它内嵌aRm7tDmi-S处理器，32KB的SRam，高达72mHz的工作频率。采用maX485芯片与处理器UaRt接口组成RS485通讯链路与计算机通讯。
3.2励磁控制电路
根据测量原理，必须给传感器初级线圈一高压脉冲激励，使得构件磁化，并进入磁饱和区。高压脉冲的获得是通过一高压大容量急充放电电解电容放电实现。处理器LpC2378控制400V120ma的高压模块给急充放电电容充电，处理器启动高压模块后，不断的通过励磁电压测量电路测量实际的电容电压值，并与励磁电压参数做比较，当实际的电容电压值达到目标电压后，处理器停止高压模块输出，充电停止，处理器发出控制信号，经过光耦隔离开通可控硅，给初级线圈施与励磁能量。
3.3模拟量测量电路
依据力值的计算原理，需要采集4路模拟量信号：第一路模拟量信号为给初级线圈放电的电容电压，在电容两端用分压电阻的方式采集电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第二路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后的电流信号，通过高精度测流电阻（50mΩ）获取的电流值的电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第三路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后次级线圈产生的感应电压，从次级线圈产生的电压信号经过过压保护和浪涌保护电路后，再经过运放电路处理电压信号；第四路模拟量为温度信号测量，温阻信号经过处理和过压浪涌保护后，再经过运放电路处理电压信号。运放后4路模拟量信号，经过一独立双通道4路16位高精度a/D转换器aD7654，把模拟量信号转换为数字信号，输入到处理器芯片。
4实验测试结果
钢索应力测量仪表试制样机出来后，在柳州欧维姆机械股份有限公司试验室的拉索静载试验的台座上，分别对磁通量传感器CCt18B、CCt20J测量单根钢绞线进行多次重复加载测试。测试实验在650t试验台座上进行，标准传感器采用30t应变片压力传感器，其不确定度为0.5%。试验最大荷载为180Kn（0.69倍公称破断索力）。
CCt18B对单根光面钢绞线进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50米以下、100米、150米的情况下分别设置为120V、130V、140V电压，数据如表1：
表1
注：测试条件为相对固定环境温度和传感器连接导线长度；拉力单位为千牛.
CCt20J对环氧喷涂无粘结钢绞进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50米以下、100米、150米的情况下分别设置为120V、130V、140V电压，数据如表2：
表2
注：测试条件为相对固定环境温度和传感器连接导线长度；拉力单位为千牛.
根据上面的实验测试数据，在3米连接导线分别在20°C和35°C室温的情况下对比仪表测量力值结果，以及在25°C室温50米、100米、150米的情况下，仪表测量的力值与参照标准力值的误差都小于2%。
5结语
根据实验结果表明，研制出的基于磁弹效应的钢索应力测量仪表的样机基本能避免实际工程应用中影响电压积分测量的各种因素，精度小于2%，基本达到工程应用要求。
【参考文献】
[1]高建勋.斜拉桥索力测试方法及误差研究[J].公路与汽运，2004（4）：80-81.
[2]孙志远，杨学山，石文勇.基于磁弹效应的索力传感器研究[J].地震工程与工程振动，2008，2，28（2）：182-186.
[3]邓年春，龙跃，等.磁通量传感器及其在桥梁工程的应用[J].预应力技术，2008（2）：17-20.
[4]Ю.И.雷巴利琴科.磁弹性扭矩传感器[m].北京：计量出版社，1985，10.
电磁感应效应篇10
双馈无刷电机（DeBm）经历了级联感应电机[1]、自级联式感应电机[1,2]和现代双馈无刷电机的发展历程。级联感应电机是将两台不同极数的绕线式感应电机转子机械上同轴而转子绕组电气串级连接，取消了转子上的电刷和集电环，实际是两台电机，它可以在一定范围内实现调速。将级联感应电机的两套定子绕组放置于同一个定子铁心中，并对转子进行特殊设计，与定子一起放置于同一机座内，使原来的两台电机变为同一机座内的一台电机，就形成了自级联式感应电机，在此阶段，人们仍然将其认为是在同一机座内的两台电机，因此对它的研究存在许多的局限。值得一提的是，Broadway对转子结构进行改进，提出了巢式回路笼型转子和凸极磁阻转子两种类型[3]，并推导了电机的稳态方程和等效电路，而且将其研究的电机命名为“BrushlessStator-ControlledSynchronous-inductionmachines”[4]。从20世纪80年代起，人们开始制造Broadway提出的DeBm原型电机[5]，但缺乏对电机在实际应用中的力能指标以及能耗效率的研究。20世纪90年代，随着现代电力电子技术的飞速发展，DeBm也进入了快速发展的时期，人们分别从路和场的角度研究不同转子类型DeBm的基本工作原理、运行特性、可能的控制方法和电机的工业应用等[6-19]，并发表了不少的研究论文。发现DeBm两套定子绕组具有与传统绕线式感应电机相似的自感特性、互感特性和绕组端部特性，其两套定子绕组分别相当于绕线式感应电机的定子绕组和转子绕组，电机可实现双馈无刷运行模式。在此期间，有各种不同转子类型的原型电机制成，但实验结果并不十分理想，主要原因是电机额定运行时的效率较低。当前，随着自然资源的短缺和能源危机的出现，人们更加关注有潜力应用于变速驱动和变速恒频发电领域的DeBm。但要将DeBm从学术研究进入真正的工程应用，在电机设计与控制等方面还存在许多挑战，特别是与现在流行的有刷双馈感应电机相比，还必须圆满地解决以下几个问题：①如何进行电磁设计才能使DeBm实现最大转矩和最大功率密度；②适合DeBm系统的控制方法是什么；③如何提高DeBm的运行效率；④DeBm在设计与控制方面的局限有哪些。本文从如何提高DeBm运行效率的分析入手，设计并试制了一台150kw/900r/min的径向叠片磁障式转子双馈无刷原型电机。首先分析了DeBm的工作原理，然后从如何提高DeBm运行效率和运行性能入手，对转子结构的选取及制造进行详细说明，并利用ansoft软件对原型电机的空载和负载运行性能进行分析计算，包括电机空载和负载时的磁场分布、定子绕组的感应电动势波形、电磁转矩特性等，最后在实验室对原型电机进行了发电机运行状态的空载、双馈运行模式的实验测试，并将有限元计算结果与实验结果进行了对比分析。
2DeBm原型电机的设计
2.1DeBm的工作原理
图1为DeBm变速驱动（或发电）的系统结构示意图，包括DeBm、双向整流逆变器和相关的控制器。DeBm定子上有两套独立的、极数不同的正弦分布绕组，与电网直接连接的定子绕组称为功率绕组，设其极数为2p，通过双向整流逆变器与电网间接连接的定子绕组称为控制绕组，设其极数为2q，转子极数为2pr，其结构通常有巢式回路笼型转子和磁阻式转子两大类，且当在功率绕组（2p极）和控制绕组（2q极）中分别通入频率为f1和f2的三相对称正弦交流电流时，在气隙中将产生两个旋转转速为n1m=60f1/p和n2m=60f2/q的磁动势波，当电机定、转子极对数满足式（1）的约束，且电机转速nr与两套定子绕组的电流频率f1、f2满足式（2）的约束条件时，电机内部可以产生稳定的电磁转矩，实现机电能量的转换[6-7]。从式（2）可知，当电机处于电动状态运行时，可通过调节控制绕组的电流频率f2，实现电机的变速驱动；当电机处于发电状态运行时，可以通过调节控制绕组的电流频率f2，使功率绕组的频率f1保持不变，即不随转子转速nr的变化而变化，从而实现变速恒频发电运行。DeBm具有多种运行模式，当控制绕组接电阻或直接短路、功率绕组接交流电源时，电机为异步运行模式；当控制绕组接直流电源（f2=0）、功率绕组接交流电源时，电机为同步运行模式，此时电机的转速nr0=60f1/pr为自然同步转速；当功率绕组接交流电源、控制绕组接频率可调的交流电源（f2≠0）时，电机为双馈运行模式，此时，当f2＞0（即两定子绕组电流同相序）时，电机转速nr=60(1+f2)pr大于自然同步转速nr0，为超同步运行方式；当f2＜0（即两定子绕组电流反相序）时，电机转速nr=60(1f2)pr小于自然同步转速nr0，为亚同步运行方式。
2.2DeBm原型电机转子的设计
根据DeBm的基本工作原理可知，两套定子绕组之间的互感与绕组的匝数及磁路的磁导成正比，当将DeBm的定子绕组和定子铁心结构选择与传统交流电机的一样时，就只需要对转子结构进行设计了，因此，所设计转子的结构越好，其磁耦合能力越强时，两套定子绕组的互感就会越大，电机就能获得更大的电磁转矩。对DeBm的研究已经表明，转子的结构型式直接影响其磁耦合能力的强弱，也直接影响两套定子绕组之间的互感值。对于巢式回路笼型转子[7,8]，其磁耦合能力较好，但在电机运行时，笼型转子导条中有电流流过，存在转子铜耗，降低了电机的效率。图2为三种巢式回路笼型转子结构展开图(其中转子巢数为4，转子导条数为20)。对于转子上没有绕组的磁阻转子，其磁耦合能力随结构的不同而不同，文献[6-9]的研究表明，常规凸极磁阻转子的磁耦合能力较带磁障的磁阻转子的磁耦合能力弱，而在磁障式磁阻转子结构中，磁耦合能力较强的是各向异性轴向叠片(axiallyLaminatedanisotropic，aLa)磁阻转子[7,8]，但aLa磁阻转子存在以下两个缺陷：①由于aLa磁阻转子为轴向整体瓦片式结构，电机运行时，转子中会感应出涡流电流，因而有涡流损耗产生，对电机的效率有一定的影响；②转子中涡流的出现和流动，将影响转子的磁通路径，使转子中的磁力线路径发生畸变，从而进一步影响电机的运行性能。因此本文设计的DeBm的转子，采用磁耦合能力较强、且没有导条的转子，能最大程度消除转子涡流与涡流损耗，有效提高电机运行效率的径向叠片磁障式转子结构。原型电机制造时采用厚0.35mm的硅钢片冲制成如图3所示的冲片，然后以平行于电机直径方向（即电机轴向）逐片叠压形成转子铁心。图3中深色条状为导磁层，相邻导磁层之间的磁障层可以是空气，也可以由其他非导磁材料填充，以加强转子的机械强度。根据1.5kw原型电机的设计经验，选择磁导层与磁障层的宽度比约为3:2。在转子的整体设计与制造过程中，还必须注意以下几点：
（1）除了转子的导磁层外，其余的部件和材料均不能具有导磁、导电的特性，否则，电机运行时，转子内部就可能有短路现象和流动的电流出现，流动的电流会使转子的磁通路径畸变，从而影响电机的功率密度、降低电机的运行效率。
（2）为了加强转子的机械强度，要求对转子铁心磁障层浇注具有很好机械强度且能耐高温的材料，如能耐高温的环氧材料等。
（3）由于转子铁心磁障层的整体浇注，使得转子铁心的散热效果减弱，因而，在设计和制造转子时，不允许转子中存在任何形式的电流，否则会增加转子的损耗和转子温升，降低电机的运行效率。
该转子的详细制造已申请中国专利“双馈无刷电机转子及其制造方法”，专利申请号200910258117.9。除了转子结构和叠片的型式直接影响电机的磁耦合能力的强弱外，文献[16]的研究还发现，不同定子绕组的极数配合，即不同的转子极数也影响电机磁耦合的强弱。文中作者利用有限元方法，研究了三种不同转子极数，即：①2p=2，2q=4，且2pr=6；②2p=2，2q=6且2pr=8；③2p=4，2q=6且2pr=10并对电机其他条件完全相同时电磁转矩的大小比较，发现转子极数为10时电机的电磁转矩比其他两种情况的电机高50%。因此，本文设计的DeBm选择转子的极数为10极，最终设计的150kw/900r/min原型电机的主要参数见表1。
3原型电机的有限元分析
利用ansoft软件建立了原型电机的maxwell2D有限元计算模型，分析了所设计原型电机的空载和负载时的磁场分布、定子绕组的感应电动势以及各种运行模式下的电磁转矩大小。建模时选择整个电机为求解区域。从图4和图5可知，电机运行时的磁场分布与气隙磁通密度分布都是不对称的，这与常规交流电机很不相同。经分析可知，励磁电流频率的变化和电机转速的变化只会影响磁动势的旋转方向和转速，并不影响磁场分布的特点，因此图4和图5的负载磁场分布可代表任意频率励磁和电机任意转速时的磁场分布。图6为原型电机负载运行，6极定子绕组加一定频率和一定大小的交流电流时，4极定子绕组的感应电动势随转子位置变化的波形曲线。可见，虽然原型电机的磁场分布具有不对称的特性，且气隙磁通密度分布的正弦性也不好，但定子绕组的感应电动势（即感应电压）却具有较好的正弦性。这是因为通过转子磁路的耦合作用，电机两套定子绕组之间的互感与转子位置角成正弦规律变化，因此，当一套定子绕组中有电流激励时，另一套定子绕组中的互感磁链也必然具有正弦规律变化的特性，于是，从该套定子绕组中获得的感应电动势也必然具有正弦规律变化的特性，并且，两套定子绕组之间互感随转子位置变化的正弦性越好，则定子绕组感应电动势的正弦性也就越好。图7为原型电机6极定子绕组交流电流激励时，4极定子绕组的互感磁链随转子位置角变化的曲线，具有很好的正弦性。利用ansoft模型计算了原型电机的空载特性曲线（参见图10中所示的有限元计算曲线），可见，当励磁电流为95a时，原型电机的磁路开始进入饱和。图8为有限元计算的原型电机的电磁转矩特性曲线（n=600r/min），从图中可发现，原型电机具有与常规同步电机相似的转矩特性，因此在电机运行时，可以通过采用适当的控制方法，如定子磁场定向矢量控制技术、有功电流/无功电流解耦闭环控制方法等来灵活控制电机电磁转矩的大小，并实现有功功率和无功功率的灵活调节（有关原型电机系统所采用的具体控制方法将在后续的论文中详细说明）。
4原型电机的实验
在实验室对原型电机进行了空载特性曲线测试和作为发电机运行的负载并网实验测试。图9为原型电机及实验系统的照片。
4.1空载特性曲线测定实验
用原动机将原型电机（作为发电机运行）拖动至其自然同步转速（600r/min）并保持不变，原型电机的2q极定子绕组通过机侧变流器为发电机提供励磁，2p极定子绕组开路，当调节2q极定子绕组励磁电流i0从0逐渐增大时，测定2p极定子绕组相应的空载端电压U0，则U0与i0的关系曲线即为电机的空载特性曲线。图10为该原型电机空载特性曲线的有限元计算结果与实验结果的比较（有限元计算的条件是2p极定子绕组开路，在2q极定子绕组加电流源激励，改变激励电流的幅值，即可计算得到相应的2p极定子绕组开路电压），实验结果与有限元计算结果吻合很好，表明所制造原型电机的空载性能指标达到了设计的预期目标。
4.2负载并网实验
将原型电机的2p极定子绕组接电励网，2q极定子绕组通过机侧变流器为发电机提供励磁，起动原动机使发电机进行变速负载并网实验，并确保原型发电机定子功率绕组满足并网条件，原型电机实验系统如图11所示。实验时，电网电压有效值为412V，原型电机为超同步发电运行模式，电机转速高于其自然同步转速600r/min，实验时转速最高接近1100r/min，因此机侧逆变器的频率与转速一致在0～41.67Hz之间可调。为测定所试制原型电机的效率，需要测定电机的输入有功功率和输出有功功率，无刷双馈发电机的输入有功功率通过扭矩仪测定原动机的转矩与转速计算得到，无刷双馈发电机的输出有功功率分别在数据采集点1（整个电机系统的输出端）和数据采集点2（原型发电机功率绕组的输出端）进行了电压波形、电流波形以及功率的测试。在数据采集点1利用示波器波形测试法和两功率表法分别测试记录了整个电机系统输出端的电压波形、电流波形和功率值，通过测定的电压波形、电流波形以及它们之间的相位差计算出系统的输出有功功率、利用功率表法测定的系统输出有功功率数据见表2。其中电机输入有功功率为通过扭矩仪测定原动机转矩与转速计算得到。当控制器电流给定irq=0.3和irq=0.5时整个电机系统输出端（数据采集点1）的电压、电流波形分别如图12a和12b所示。表中电流给定值为预先给定的电机有功电流与无功电流的比值，无单位，其取值范围为1～1。负载实验时环境温度为17℃，额定功率运行3小时后定子绕组温度为32℃，电机噪声为101dB。由表2可知，在数据采集点1，两种测试方法所测试的数据比较一致，通过测试数据所计算的整个电机系统（包括调压器、逆变器和滤波电感等）的效率也很一致，均大于92%，若计及调压器效率（按98%计）和逆变器效率（按98%计）等，则原型电机本体的效率可达95%。表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷原型电机达到了预期的设计目标，能实现高效运行，同时还表明原型电机转子的制造工艺合理、可行，更重要的是表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷电机在工程上是可制造、可实现的。
上述实验数据采集的同时，在数据采集点2利用示波器测试了无刷双馈发电机功率绕组输出端的电压波形和电流波形，从中得到电压、电流有效值，以及功率因数数据，并由此计算出电机功率绕组输出有功功率值见表3。当控制器电流给定irq=0.3和irq=0.5时无刷双馈发电机功率绕组输出端（数据采集点2）的电压、电流波形分别如图13a和13b所示。从表3还发现，由于原型电机采用有功电流/无功电流解耦闭环控制方法，因此当调整控制器的电流给定为不同值，即改变电机有功电流与无功电流的比值时，电机的功率因数相应变化，且随有功电流比值成分的增大而增大，因此，对该原型电机可以实现有功功率和无功功率的灵活调节，甚至可实现功率因数等于1的运行（此时电流给定为+1或1）。这对于变速恒频的风力发电系统非常适用（有关该原型电机系统有功功率与无功功率的调节控制将在后续论文中详细说明）。