磁悬浮系列实验.doc

磁悬浮系列实验学生姓名:李函 学号U201010203 应物1002班一、实验目的：磁悬浮是一系列技术的通称，它包括借助磁力的方法悬浮、导引、驱动和控制等。磁悬浮的主要方式分为电磁吸引悬浮EMS，永磁斥力悬浮PRS，感应斥力悬浮EDS，其基本原理源于电磁感应。本实验要求学生用电磁感应的基本定律，研究导体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象的规律性，通过数据拟合给出经验公式，并学会灵活运用电磁感应定律进行磁悬浮的各种应用设计。二、实验原理：楞次定律：闭合回路中的感应电流方向，总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁通量，去反抗引起感应电流的磁通量的改变。或者说感应电流产生的磁场总是阻碍原来的磁场的变化。法拉第电磁感应定律：不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与此通量对时间的变化率成正比， 即 （5.2.1）式中负号，表明了感应电动势的方向，k为比例系数，其值决定于式中各物理量所用的单位。如果使用国际单位制，则k=1。如果感应回路是N匝串联，那么在磁通量的变化时，每匝线圈都将产生感应电动势，若每匝中通过的磁通量相同，则有 （5.2.2）习惯上把Nf 称为线圈的磁通量匝数。对本实验装置，在金属铝盘与永磁体做相对运动时，产生的“磁悬浮力”和“磁牵引力”可以理解为与通过铝盘单位面积内磁通量的大小有关。请查阅相关资料和文献写出实验原理和实验方案。三、实验仪器：本实验的基本装置由电磁感应与磁悬浮综合实验仪、力传感器，光电传感器，步进电机、步进电机控制器、铝盘、磁悬浮测试底座和传感器支架等组成。四、实验内容程序：参照下图装配磁悬浮测试架，调节底座的水平。根据实验装置的结构，先思考铝盘在永磁体产生的空间磁场中运动时，电磁相互作用力的大小和方向，若要测量磁悬浮力，力传感器和永磁体应如何装配？在粗略分析永磁体在空间的磁力线分布之后，再将力传感器和永磁体安装到立住上，并锁紧螺丝。要注意永磁体与铝盘的位置和距离要合适，在不碰到铝盘的前提下，尽可能使两者的距离最小，请思考为什么？为提高测量精度和避免意外伤害，请想清楚了再进行下一步实验程序！1. 装配光电传感器，使与铝盘同轴的辐轮刚好通过光电门，但要避免碰撞和摩擦。2. 将力传感器和光电传感器的信号线接到电磁感应与磁悬浮综合实验仪的相应接口。3. 组装好仪器后，先用手转动铝盘，认真倾听是否有摩擦声，仔细观察永磁体与铝盘之间距离是否适中，确定条件合适后，再将电机与控制器连接，打开电源的开关，调节控制器输出频率的大小（即铝盘的转速），认真观察磁悬浮力随铝盘转速改变的现象和规律。4. 定量测量铝盘不同转速对应磁悬浮力的大小，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数。5. 参考上述基本实验程序，重新装配力传感器和永磁体，改变其位置和方向，测量铝盘不同转速对应磁牵引力的大小，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数。6. 利用给定的一个附件：带有小辐轮和永磁体的轴承，参考上述基本实验程序，设计磁悬浮传动系统，将附件装配在立柱合适的位置上，要注意避免意外伤害！7. 定量测量铝盘不同转速对轴承转速的影响，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数，计算其传动比。8. 学生可以利用该装置设计自选内容。注意事项：1. 在安装力传感器和永磁体时，要注意永磁体与铝盘的距离，距离太远电磁感应太弱，测量灵敏度太低，距离太近由可能导致磁体与铝盘的摩擦，若在铝盘高速旋转时还可能导致永磁体飞出，造成伤人事故。所以，永磁体与铝盘的距离一定要适中！2. 为了防止在铝盘高速转动时的震动导致传感器和永磁体随支持杆下滑，导致永磁体飞出，立柱上的固定螺丝一定要拧紧！【数据和结果分析】1. 定量测量铝盘不同转速对应磁悬浮力的大小，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数。2. 测量铝盘不同转速对应磁牵引力的大小，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数。3. 定量测量铝盘不同转速对轴承转速的影响，寻找对应关系，用数学公式进行拟合，确定其函数形式和相关系数，计算其传动比。4. 改变力传感器与铝盘之间的距离，测量铝盘转速与磁悬浮力与磁牵引力大小的对应关系，并比较距离改变对磁悬浮力与磁牵引力大小的影响。附录1如下图所示： 各部分操作如下：一、步进电机控制器操作说明如下：电源部分在后面板，后面板如下图所示：AC220V电源接入，由电源开关控制通断，四芯航空插座连接步进电机。前面板负责控制步进电机的转速、启动和停止，如下图所示：操作方法如下：1） 打开控制器电源开关，按一下按键，进入到自动状态，这时auto灯亮，数码管显示SP 24000；2） 按一下按键，电机即按照当前设置速度开始运转；3） 按一下按键，电机即停止运转；4） 速度可由实现减速，实现加速，加减步长为800，调整范围为2400040000 。 二、电磁感应与磁悬浮实验仪操作说明如下：电源部分在后面板，后面板如下图所示： AC220V电源接入，由电源