CN103824491A - 一种电磁学教学仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁学教学仪器，主要包括采用电源(1)、整流模块(2)、电磁铁(3)、斩波模块(4)、逆变模块(5)、电磁场发射线圈(6)、电磁场接收线圈(7)、LED灯(8)、小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)、大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)和带磁性悬浮体(11)、安放位置记号线(12)、外壳(13)，组成的无线供电磁悬浮教具，结合无线供电与磁悬浮两大时下热门电磁学应用，在实现磁悬浮的同时演示无线电能传输，实验现象直观、生动，能够激发学生的兴趣，为同类教具的研发提供了技术模板。

Description

一种电磁学教学仪器

技术领域

电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，狭义的电磁学是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。

电磁学现有的教学中，多是枯燥乏味的理论教学，缺少直观、生动的演示教具，本发明提出了将电磁领域中现在较为流行的磁悬浮技术与无线供电技术相结合的技术模型，通过直观的演示展示了电磁学作为经典物理学的分支在自然科学中的重要地位。

其中，本发明涉及的无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、强交叉的新的研究领域和前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。

此外，本发明所涉及的磁悬浮技术是以德国为代表的常导电式磁悬浮和以中国为代表的永磁悬浮的结合，容易实现，且现象直观、生动。

本发明一种电磁学教学仪器，实验现象明显，且将无线电能传输与磁悬浮技术结合，结合了各技术自身的优势，同时也通过实验激发了学生的兴趣，为电磁学教学提供了良好的模型，且该教学仪器市场前景广阔。

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

磁悬浮技术可分为三种：一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。，中国永磁悬浮与国外磁悬浮相比有五大方面的优势：一是悬浮力强、二是经济性好、三是节能性强、四是安全性好、五是平衡性稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种电磁学教学仪器，既利用常导电式磁悬浮和永磁悬浮技术设计出方便实现的磁悬浮演示物，又利用无线电能传输技术，在悬浮物悬浮气隙间实现电能传输，实验现象直观明显，方便实现，既演示了当下热门的电磁学两大应用，又能激发学生的学习兴趣，为电磁学教学提供了具体实在的技术模型。

本发明所采用的技术方案是：一种电磁学教学仪器，设置有电源(1)，为供电系统提供输入功率；整流模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；电磁铁(3)，产生稳定的静磁场；斩波模块(4)，用于将整流模块(2)输出的直流电转换成设定电压的直流电，平稳波形；逆变模块(5)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电；电磁场发射线圈(6)，用于发射逆变模块(5)输出的交变电能；电磁场接收线圈(7)，接收电磁场发射线圈发射出的交变磁场；LED灯(8)，将接收到的高频交流电直接点亮LED灯；小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)，配合电磁铁(3)产生的静磁场产生一个复合磁场；带磁性悬浮体(11)，在与复合磁场的耦合作用中悬浮。

所述的整流模块(2)由桥式整流电路组成，整流部分利桥式电路将交流电变为直流电，输出直流电。

所述的电磁铁(3)由金属导体绕制在磁芯上制成，在其中通以直流电，用以产生固定方向的磁场。

所述的斩波模块(4)由斩波电路组成，其中斩波电路输出的电压值固定，以控制其输出电压值。

所述的逆变模块(5)由逆变电路组成，通过PWM调制将斩波模块(4)中输出的直流电调制成所需频率的交流电。

所述的电磁场发射线圈(6)由外加绝缘层的金属导体绕制而成，安放在电磁铁的正上方，用于发射逆变模块(5)产生的交变电能。

所述的电磁场接收线圈(7)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在带磁性悬浮体(11)的正下方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。

所述的LED灯(8)由贴片式LED芯片组成，安装在带磁性悬浮体(11)的正上方，直接连接电磁场接收线圈(7)两端，使用高频交流电直接点亮LED灯(8)。

所述的小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)由圆形稀土钕铁硼磁铁组成，配合电磁铁(3)产生的静磁场产生一个复合磁场，将带磁性悬浮体(11)悬浮。

所述的带磁性悬浮体(11)由稀土钕铁硼磁铁组成，加以轴向方向的磁场，在重力以及静磁力的作用下，在复合磁场中悬浮。

本发明一种电磁学教学仪器，是采用电源(1)、整流模块(2)、电磁铁(3)、斩波模块(4)、逆变模块(5)、电磁场发射线圈(6)、电磁场接收线圈(7)、LED灯(8)、小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)、大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)和带磁性悬浮体(11)组成的无线供电磁悬浮教具，实验现象直观、生动，能够激发学生的兴趣，同时结合无线供电与磁悬浮两大时下热门电磁学应用，为同类教具的研发提供了技术模板。

附图说明

图1是本发明的整体功能框图；

图2是复合静磁场安装结构图；

图3是带无线供电的复合静磁场的结构图；

图4是带磁性悬浮体结构图；

图5是电磁学教具工作示意图。

其中：

12：安放位置记号线    13：外壳

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明一种电磁学教学仪器做出详细地说明。

如图1所示，本发明一种电磁学教学仪器，设置有电源(1)，为供电系统提供输入功率；整流模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；电磁铁(3)，产生稳定的静磁场；斩波模块(4)，用于将整流模块(2)输出的直流电转换成设定电压的直流电，平稳波形；逆变模块(5)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电；电磁场发射线圈(6)，用于发射逆变模块(5)输出的交变电能；电磁场接收线圈(7)，接收电磁场发射线圈发射出的交变磁场；LED灯(8)，将接收到的高频交流电直接点亮LED灯；小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)，配合电磁铁(3)产生的静磁场产生一个复合磁场；带磁性悬浮体(11)，在与复合磁场的耦合作用中悬浮。

如图2所示，所述的复合静磁场由电磁铁(3)、小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)复合而成，其中电磁铁(3)由四个相同的螺线型电磁铁组成，按照图中对称结构摆放，通以相同方向的直流电，产生磁场方向相同，本例中螺线管电磁铁半径为30mm，螺线管电磁铁与相邻电磁铁距离为5mm，四个电磁铁轴心的连线为正方形，电磁铁线圈匝数为100匝，使用带绝缘的金属导体绕制而成，导线半径为0.5mm，通过导线两端电压为10V，电流为0.4A，四个电磁铁中产生的磁场方向延电磁铁中心轴向且方向完全相同，产生的复合磁场在竖直轴向上表面与带磁性悬浮体(11)下表面磁场方向相同，产生斥力，为带磁性悬浮体(11)提供与重力方向相反且足够大的支撑作用。

如图2所示，所述的小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)为圆形，延电磁铁(3)的外延摆放，摆放时小尺寸和大尺寸稀土钕铁硼磁铁交替摆放，两个大尺寸和一个小尺寸稀土钕铁硼磁铁与相邻的电磁铁(3)在延轴心连线上的空隙距离为3mm，相邻的两个电磁铁(3)间的一个小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)安装在相邻两个大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)轴线方向连线的中心位置，所有稀土钕铁硼磁铁上表面磁场方向完全相同，且其方向与电磁铁(3)上表面磁场方向相反与带磁性悬浮体(11)下表面相反，为带磁性悬浮体(11)提供对称的吸引力，本例中选用稀土钕铁硼磁铁牌号为N35，小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)半径15mm，大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)半径20mm，磁场方向与竖直轴向平行。

如图3所示，所述的带无线供电的复合静磁场如图所示，电磁场发射线圈(6)安装在四个电磁铁(3)的中心，架设在电磁铁(3)的上表面，连接在逆变模块(5)的两端，用以产生高频电磁场，向外发射无线能量，本例中使用半径0.5mm的带绝缘外层的铜导线绕制40匝双层的线圈，线圈内半径为25mm，外半径35mm，通过交流电频率与电磁场发射线圈(6)谐振频率相同，本例中为94kHz，以抑制反射系数，高频交变磁场与静磁场间频率相差很大，相互干扰可以忽略不计。

如图4所示，所述的带磁性悬浮体(11)由加以轴向磁场的制作而成，本例使用半径35mm、高度15mm、牌号N35的稀土钕铁硼磁铁制作而成，其下表面磁场方向与电磁铁(3)上表面磁场方向相同产生斥力以抵消重力影响，其下表面磁场方向与小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)上表面的磁场方向相反，产生空间对称的吸引力，用以将带磁性悬浮体(11)平衡在复合静磁场的中心。

如图4所示，所述的电磁场接收线圈(7)安装在带磁性悬浮体(11)的正下方，用以接收电磁场发射线圈(6)发射的无线能量，本例中使用半径0.5mm的带绝缘外层的铜导线绕制40匝双层的线圈，线圈内半径为25mm，外半径35mm，其谐振频率与电磁场发射线圈(6)谐振频率相同，以谐振的形式高效的接收近距离的无线能量。

如图4所示，所述的LED灯(8)安装在带磁性悬浮体(11)的正上方，其两端连接在安装在电磁场接收线圈(7)的两端，由于LED灯常用电源驱动为恒流源，电磁场接收线圈(7)产生的高频交流电可近似作为恒流源加在LED灯(8)的两端，作为电磁场接收线圈(7)的输出负载，本例中使用1W贴片式LED灯。

如图5所示，所述的带无线供电的复合静磁场外安装有绝缘外壳(13)，外壳上表面中心位置画有一个与带磁性悬浮体(11)形状、尺寸一致的安放位置记号线(12)，用以辅助确定安放带磁性悬浮体(11)的位置，帮助其迅速达到平衡，本例中外壳(13)使用聚碳酸酯材料，厚度为3mm，外型尺寸为140mm×140mm×50mm，所画的安放位置记号线(12)为圆形，半径为35mm，圆心与下方的四个电磁铁(3)的中心重合，在该位置上带磁性悬浮体(11)能够迅速达到平衡，实现悬浮。

Claims (10)

1.一种电磁学教学仪器，其特征在于设置有有电源(1)，为供电系统提供输入功率；整流模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；电磁铁(3)，产生稳定的静磁场；斩波模块(4)，用于将整流模块(2)输出的直流电转换成设定电压的直流电，平稳波形；逆变模块(5)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电；电磁场发射线圈(6)，用于发射逆变模块(5)输出的交变电能；电磁场接收线圈(7)，接收电磁场发射线圈发射出的交变磁场；LED灯(8)，将接收到的高频交流电直接点亮LED灯；小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)，配合电磁铁(3)产生的静磁场产生一个复合磁场；带磁性悬浮体(11)，在与复合磁场的耦合作用中悬浮；安放位置记号线(12)，用于辅助确定悬浮位置；外壳(13)，用于固定与安放磁场发射元器件。

2.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述电磁铁(3)由四个相同的螺线型电磁铁组成，通以相同方向的直流电，产生磁场方向在竖直方向，且方向相同，四个电磁铁轴心的连线为正方形。

3.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)为圆形，磁场方向与其轴线方向平行，延电磁铁(3)的外延摆放，摆放时小尺寸和大尺寸稀土钕铁硼磁铁交替摆放，其轴心的连线是一个四角为圆弧的正方形。

4.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)安装后其上表面磁场方向完全相同，且其方向与电磁铁(3)上表面磁场方向相反与带磁性悬浮体(11)下表面相反。

5.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的电磁场发射线圈(6)谐振频率与逆变模块(5)发射频率相等，被安装在四个电磁铁(3)的中心，架设在电磁铁(3)的上表面，连接在逆变模块(5)的两端。

6.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的所述的带磁性悬浮体(11)由加以轴向磁场的磁铁制作而成，其下表面磁场方向与电磁铁(3)上表面磁场方向相同，与小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)上表面的磁场方向相反。

7.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的电磁场接收线圈(7)安装在带磁性悬浮体(11)的正下方，其谐振频率与电磁场发射线圈(6)相等。

8.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的LED灯(8)安装在带磁性悬浮体(11)的正上方，其两端连接在安装在电磁场接收线圈(7)的两端。

9.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的外壳(13)由绝缘材料制成，安装在带无线供电的复合静磁场外侧。

10.根据权利要求1所述的一种电磁学教学仪器，其特征还在于，所述的安放位置记号线(12)与带磁性悬浮体(11)的形状、尺寸一致，其中心与下方的电磁铁(3)的中心重合。

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