磁性材料相关知识概述.doc

作者：重庆大学 张毅 郭钢 徐宗俊摘要：对铁氧体磁性材料的加工工艺进行了研究，根据大量的试验结果，分析了振动夹具磨削铁氧体零件时影响表面粗糙度的主要因素。采用合理的砂轮材料和粒度、切削用量、振动频率和振幅等，可获得最佳的表面粗糙度值。 由于硬脆材料具有很高的硬度、强度及良好的耐热性、低的导热性和热膨胀性，其应用范围越来越广。世界很多国家非常重视其开发和研究。硬脆材料加工方法的研究是关系到它应用前景的重要课题之一。目前，硬脆材料的加工，基本上都是应用金刚石砂轮在高精度的平面磨床上磨削加工，其生产效率、表面质量等存在一些问题，需要进一步研究新的加工方法。因此，我们提出在精密磨床上安装振动工作台，通过带动工件振动磨削。振动磨削时，在一个周期内，磨粒随时改变切削方向，并多方面地参加切削，形成一种“多刃磨削”过程，使工件表面切痕彼此交织，形成低的表面粗糙度值，而且磨粒由于砂轮或工件附加了振动，实际形成一种脉冲切削，磨粒更易破碎，不断形成新的磨刃，在砂轮工作表面上，有效磨粒和磨粒的有效磨刃数也都显著增加，提高了磨具的切削能力，也提高了磨削质量和效率。 1 试验装置、条件及方法 铁氧体材料振动磨削是在精密平面磨床上进行的，采用工作台振动方法磨削。工件通过专用夹具固定在工作台上，振动工作台安装在平面磨床电磁吸盘工作台上，可随其纵向移动，振动工作台由振动弹簧钢片支撑，在电磁激振器作用下，带动工件横向振动实现振动磨削。具体试验装置如图1所示。 图1 振动磨削试验装置简图1.1 试验条件 试验用精密磨床为M170，最小进给量为：0.01mm/ 次： 试验用材料为压热烧结Mn-Zn 铁氧体，尺寸为：202020 及182数件两种，表面已粗磨，用工作台上的小型专用夹具定位和夹紧： 试验用砂轮为40号白刚玉砂轮，采用钢基座金刚石笔修整，砂轮径向跳动量控制在0.01mm 之内： 检测表面粗糙度仪器为英国产Tayor-Hossor轮廓仪(测量精度比真实值小一级)。 1.2 实验方法 每磨一个试件样品前，用金刚石笔修整砂轮，修正导程为0.05mm/r，修正深度为0.01mm，修正次数为2 次： 工件横向进给量为0.2mm/ min： 磨削深度为0.02mm/次： 纵向工作台速度为13.0mm/min： 在每一个固定激振频率和工作台振幅下，向下进给5次，光磨2次： 磨削液为NaNO3水溶液： 砂轮转速为1500r / min。 2 实验结果 我们先后对数个零件在上述实验条件下进行了磨削，其磨削零件表面经过清洗和干燥，先后在高倍显微镜下观察，然后，用粗糙度轮廓仪检测其表面粗糙度。根据已掌握的资料，在低频振动(20Hz左右)和小振幅值(全峰值为：1mm左右)下，就可达到很好的振动磨削效果，因此，在实验中使振动磨削受迫频率范围小于40Hz，振幅范围小于2mm。为了准确起见，把每个试件测量3次，再取平均值作为试件磨削后的表面粗糙度值。表1为实现恒频率变振幅下振动仪器调整值及其试验结果。表2为实现恒振幅变频率下振动仪器调整值及其试验结果。 表1 恒频率变振幅下振动仪器调整值及试验结果 工件编号表面粗糙度测量值(m)振动工作台振幅值(mm)功率放大器GT200-4型(A-V)直流稳压电源WD6型信号发生器XD22型第一次第二次第三次均值电流(A)电压(V)电压(V)频率(Hz)10.230.140.170.1800.633.09.040.01.1510.020.140.200.190.1770.842.011.550.01.3010.030.110.130.170.1371.247.014.060.01.4010.040.100.120.160.1271.454.015.065.01.7010.050.100.150.120.1231.665.016.070.01.8010.060.120.130.110.1201.869.020.090.01.8510.0表2 恒振幅变频率下振动仪器调整值及试验结果 工件编号表面粗糙度测量值(m)振动工作台振幅值(mm)功率放大器GT200-4型(A-V)直流稳压电源WD6型信号发生器XD22型第一次第二次第三次均值电流(A)电压(V)电压(V)频率(Hz)70.220.140.180.1800.834.013.050.01.305.080.140.200.230.1900.842.011.550.01.3010.090.160.180.130.1570.837.011.050.01.3015.0100.100.150.180.1430.826.011.050.01.3020.0110.190.170.160.1730.814.011.550.01.3024.0120.250.260.240.2500.815.011.550.01.3028.0130.130.140.130.1330.820.012.050.01.3035.03 实验分析 磨削加工后，主要考查了工件以下两种情况。 3.1 工件表面的完整性 因为铁氧体材料是硬脆材料，磨削加工后表面的凹坑、裂纹、划痕等表面缺陷情况是标定工件表面质量的重要特征，为此，我们应用金相显微镜分别观察了同等条件下的振动磨削试件和普通磨削试件，发现如下特征： 1) 在普通磨削中，存在明显刀痕。即磨粒在表面划过切痕，切痕槽两侧有一定塑性变形，而在振动磨削中没有发现切痕。 2) 尽管振动磨削中切削深度更大，但和普通磨削相比凹坑分布均匀，凹坑的面积大小和深度都明显低于普通磨削的情况。 砂轮是一种多切削刃加工，其圆周表面具有很多位置不同的磨粒，再加上工作台纵向往复运动和振动工作台的横向振动，使得不同位置磨粒在工件表面上所切削的沟痕是相互交错的，因此，形成良好的表面质量，达到加工要求。从硬脆材料切屑形成过程可知，硬脆材料受到磨粒切削时，最初产生微裂纹，而后扩展到使材料成块状脱落的裂纹，裂纹的长度和深度增大，随之出现块状切屑，其大小决定工件表面的凹坑和深度。振动磨削时，由于其特有的方法，在一个周期中，磨粒改变着切削方向，并多方向地参与切削，无数颗不同位置磨粒同时这样做的结果，就是每颗磨粒的切削长度被许多其它磨粒的切削长度截短，形成相互交错网状的切痕，而这样做的结果就是当工件表面的微裂纹刚随着切削的进行迅速发展，尚来不及在长度和深度方面的裂纹相遇，彼此贯通了，也就是在还没来得及发展到普通磨削所达到的断裂程度之前，而提前发生了脆性断裂，自然形成的块状切屑体积就小得多，因此，在工件表面留下的凹坑无论大小和深浅都比普通磨削时要小得多。 3.2 工件的表面粗糙度分析 根据表1中试验结果可以看出，随着振幅的增大，表面粗糙度值在我们考查范围内(2mm)具有逐步下降的趋势，如图2所示。在磨削加工中，随着工作台振幅的提高，切痕的相互交错截断增强，由于砂轮表面数以万计磨粒彼此相互增强了这种截断交错作用，使得每一个磨粒自身的切痕被截断得更短、更密，因此，被磨削表面微裂纹发展贯通，而脱落的块状切屑变得更小，从而工件表面留下的凹坑面积更浅、更小，即表面粗糙度值下降。根据表2可以绘制出频率和表面粗糙度的关系图，如图3所示。从图中可以看出，它们之间并不具备某种趋势，只是在20Hz左右得到了最好的效果，而在9.8Hz 和27Hz左右振动激烈，出现不稳定状态，效果最差、振动磨削本身是一种受迫振动，当其激振频率和激振对象固有频率相等或接近时发生共振。当工艺系统发生共振时，水平振动不稳定及垂直方向振动加大，导致表面粗糙度恶化。而9.8Hz和27Hz正是共振频率区，因此，振动磨削时，要达到好的效果必须避开共振区附近的振频带，且要提高系统垂直方向刚度。 图2 振幅-表面粗糙度之间关系图图3 频率-表面粗糙度之间关系图4 结论 振动磨削作为一种新型有效方式，具有普通磨削不易达到的良好工艺效果，无论是表面粗糙度值，还是表面缺陷分布等指标都比普通磨削理想； 以垂直于砂轮线速度方向工作台横向振动为特征的振动磨削方式，其切屑形成机理表现为表面微细沟槽成形，可以解释磨削效果与振幅、振频的变化关系； 振动磨削对机床设备，特别是振动工作台部分的制作和装配提出了较高要求，没有高精度的振动装置就会降低甚至抵消振动磨削带来的优点； 振动磨削进行时，应该避开工艺系统的固有频率带，一般在低频振动或超声波振动磨削。(end) 一、本章概述本章的知识结构如下：本章内容是在小学科学、初中物理学习的基础上，对磁场的性质作了进一步的描述。除了对抽象的“场”这种物质的认识及对磁感线有更深入的理解外，还增加了对磁场的定量描述方法，引入了磁感应强度（B）和磁通量（）的概念；同时，还指出了磁场的力的性质，介绍了判断通电导体在磁场中受力方向的左手定则。这些内容是学习第十一章“电磁感应”的基础。通过学习直流电动机的构造和原理，让学生不仅知道直流电动机是磁场力的应用实例，而且知道它又是生活、工程中实现能量转化的一种电机设备。说明：（1）教材将磁场对电流的作用放在磁感应强度之前学习，是因为B的定义中要涉及到F，先讨论F对说明B的方向也有利。（2）磁通量是为学习第十一章“电磁感应”打基础的，要注意它与B的区别与联系。（3）直流电动机是电磁力的应用，教材抓住了“电动机为什么会转”“电动机怎样持续地转”两个要点逐步深入，直到对效率的探讨。从运动到力又到能量的转化，有一定的综合应用性，体现了三维目标的要求。整章也体现了教材“情景探究应用”的结构特点。（4）基础型课程课程标准不要求定量讨论磁场力的大小，因此教材不使用“安培力”这个名称。二、本章教学目标 1知识与技能知识点学习水平说明磁场 磁场对电流的作用A知道磁场，知道磁感线；知道电流的磁场，会用右手螺旋定则判断磁场方向；知道磁场对电流有力的作用左手定则B知道磁场力垂直于电流和磁场所在的平面；理解左手定则，会用它来判断磁场力的方向磁感应强度 磁通量B理解磁感应强度，理解磁通量，理解磁感应强度与磁通量的关系；会用DIS研究螺线管的磁感应强度分布直流电动机A知道直流电动机的基本结构和工作原理；知道电动机的效率，会用实验测定直流电动机的效率本章的核心概念是磁场对电流的作用及磁感应强度。磁场的最基本特性是对电流（即运动电荷）产生作用力，磁感应强度就是描写磁场这个特性的物理量，电动机就是这个特性的一个重要的应用。磁场对电流作用力的方向总是垂直于电流和磁感应强度的方向，其间的规律可用“左手定则”表示。为了描述磁场在某一面上的分布，需引进“磁通量”，这个物理量常应用于电磁感应现象。本章的技能要求包括：使用DIS中的磁传感器探究磁场分布；通过实验测定电动机的效率。 2过程与方法（1）通过对磁场基本属性的学习，感受实验、观察、类比、比值定义等科学方法。（2）通过学生实验“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”，认识实验、归纳、分析方法。3情感、态度与价值观通过继电器、电动机、磁浮列车等设备对于科技发展和社会进步的巨大作用，感悟到科学在技术和社会发展过程中的关键作用。三、本章重点和难点本章重点是磁感应强度的概念和磁场对电流作用力的方向。本章的难点是右手螺旋定则与左手定则的组合运用，判断磁场力、磁场或电流方向。四、课时安排的建议本章建议安排7课时，其中A节1课时，B节2课时，C节2课时（含学生实验），D节2课时（含学生实验）。 【本讲教育信息】一. 教学内容：1. 磁场基本性质 2. 磁场对电流的作用【要点扫描】磁场基本性质（一）磁场1、磁场：磁场是存在于磁体、运动电荷周围的一种物质它的基本特性是：对处于其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用2、磁现象的电本质：所有的磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用（二）磁感线为了描述磁场的强弱与方向，人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线1、疏密表示磁场的强弱2、每一点切线方向表示该点磁场的方向，也就是磁感应强度的方向3、是闭合的曲线，在磁体外部由N极至S极，在磁体的内部由S极至N极磁线不相切不相交。4、匀强磁场的磁感线平行且距离相等没有画出磁感线的地方不一定没有磁场5、安培定则：拇指指向电流方向，四指指向磁场的方向注意这里的磁感线是一个个同心圆，每点磁场方向是在该点的切线方向。*熟记常用的几种磁场的磁感线：（三）磁感应强度1、磁场的最基本的性质是对放入其中的电流或磁极有力的作用，电流垂直于磁场时受磁场力最大，电流与磁场方向平行时，磁场力为零。2、在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度表示磁场强弱的物理量是矢量大小：（电流方向与磁感线垂直时的公式）方向：左手定则：是磁感线的切线方向；是小磁针N极受力方向；是小磁针静止时N极的指向不是导线受力方向；不是正电荷受力方向；也不是电流方向单位：牛/安米，也叫特斯拉，国际单位制单位符号T点定B定：就是说磁场中某一点定了，则该处磁感应强度的大小与方向都是定值匀强磁场的磁感应强度处处相等磁场的叠加：空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场，则该点的磁感应强度是各电流或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和，满足矢量运算法则。（四）磁通量与磁通密度1、磁通量：穿过某一面积磁力线条数，是标量2、磁通密度B：垂直磁场方向穿过单位面积磁力线条数，即磁感应强度，是矢量3、二者关系：B/S（当B与面垂直时），BScos，Scos为面积垂直于B方向上的投影，是B与S法线的夹角磁场对电流的作用（一）安培力1、安培力：通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力说明：磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用，磁场对这些定向移动电荷作用力的宏观表现即为安培力2、安培力的计算公式：FBILsin（是I与B的夹角）；通电导线与磁场方向垂直时，即90，此时安培力有最大值；通电导线与磁场方向平行时，即0，此时安培力有最小值，F=0N；0B90时，安培力F介于0和最大值之间。3、安培力公式的适用条件：公式FBIL一般适用于匀强磁场中IB的情况，对于非匀强磁场只是近似适用（如对电流元），但对某些特殊情况仍适用如图所示，电流I1/I2，如I1在I2处磁场的磁感应强度为B，则I1对I2的安培力FBI2L，方向向左，同理I2对I1，安培力向右，即同向电流相吸，异向电流相斥根据力的相互作用原理，如果是磁体对通电导体有力的作用，则通电导体对磁体有反作用力两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律（二）左手定则1、用左手定则判定安培力方向的方法：伸开左手，使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向2、安培力F的方向既与磁场方向垂直，又与通电导线垂直，即F跟BI所在的面垂直但B与I的方向不一定垂直3、安培力F、磁感应强度B、电流I三者的关系已知I、B的方向，可惟一确定F的方向；已知F、B的方向，且导线的位置确定时，可惟一确定I的方向；已知F、I的方向，磁感应强度B的方向不能惟一确定4、由于B、I、F的方向关系常是在三维的立体空间，所以求解本部分问题时，应具有较好的空间想象力，要善于把立体图画变成易于分析的平面图，即画成俯视图，剖视图，侧视图等【规律方法】磁场基本性质【例1】根据安培假说的物理思想：磁场来源于运动电荷如果用这种思想解释地球磁场的形成，根据地球上空并无相对地球定向移动的电荷的事实那么由此推断，地球总体上应该是：（A）A. 带负电； B. 带正电；C. 不带电； D. 不能确定解析：因在地球的内部地磁场从地球北极指向地球的南极，根据右手螺旋定则可判断出地球表现环形电流的方向应从东到西，而地球是从西向东自转，所以只有地球表面带负电荷才能形成上述电流，故选A。【例2】如图所示，两根导线a、b中电流强度相同方向如图所示，则离两导线等距离的P点，磁场方向如何？解析：由P点分别向a、b作连线Pa、Pb然后过P点分别作Pa、Pb垂线，根据安培定则知这两条垂线用PM、PN就是两导线中电流在P点产生磁感应强度的方向，两导线中的电流在P处产生的磁感应强度大小相同，然后按照矢量的合成法则就可知道合磁感应强度的方向竖直向上，如图所示，这也就是该处磁场的方向 答案：竖直向上【例3】六根导线互相绝缘，所通电流都是I，排成如图所示的形状，区域A、B、C、D均为相等的正方形，则平均磁感应强度最大的区域是哪些区域？该区域的磁场方向如何？解析：由于电流相同，方格对称，从每方格中心处的磁场来定性比较即可，如I1在任一方格中产生的磁感应强度均为B，方向由安培定则可知是向里，在A、D方格内产生的磁感应强度均为B/，方向仍向里，把各自导线产生的磁感应强度及方向均画在四个方格中，可以看出在B、D区域内方向向里的磁场与方向向外的磁场等同，叠加后磁场削弱答案：在A、C区域平均磁感应强度最大，在A区磁场方向向里C区磁场方向向外【例4】如图所示，A为通电线圈，电流方向如图所示，B、C为与A在同一平面内的两同心圆，B、C分别为通过两圆面的磁通量的大小，下述判断中正确的是（ ） A. 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向外 B. 穿过两圆面的磁通方向是垂直纸面向里C. BC DBC解析：由安培定则判断，凡是垂直纸面向外的磁感线都集中在电线圈内，因磁感线是闭合曲线，则必有相应条数的磁感线垂直纸面向里，这些磁感线分布在线圈之外，所以B、C两圆面都有垂直纸面向里和向外的磁感线穿过，垂直纸面向外磁感线条数相同，垂直纸面向里的磁感线条数不同，B圆面较少，C圆面较多，但都比垂直向外的少，所以 B、C磁通方向应垂直纸面向外，BC，所以A、C正确分析磁通时要注意磁感线是闭合曲线的特点和正反两方向磁总线条数的多少，不能认为面积大的磁通就大 答案：AC【例5】如图所示，匀强磁场的磁感强度B2.0T，指向x轴的正方向，且ab=40cm，bc=30cm，ae=50cm，求通过面积Sl（abcd）、S2（befc）和S3（aefd）的磁通量1、2、3分别是多少？解析：根据=BS垂，且式中S垂就是各面积在垂直于B的yx平面上投影的大小，所以各面积的磁通量分别为1=BS12.040301040.24Wb；2=031=BS12.040301040.24Wb答案：10.24 Wb，20，30.24Wb【例6】如图所示，一水平放置的矩形闭合线圈abcd在细长磁铁N极附近下落，保持bc边在纸外，ad边在纸内，由图中的位置经过位置到位置，且位置和都很靠近位置，在这个过程中，线圈中的磁通量 A. 是增加的； B. 是减少的C. 先增加，后减少； D. 先减少，后增加解析：要知道线圈在下落过程中磁通量的变化情况，就必须知道条形磁铁在磁极附近磁感线的分布情况条形磁铁在N极附近的分布情况如图所示，由图可知线圈中磁通量是先减少，后增加D选项正确点评：要知道一个面上的磁通量，在面积不变的条件下，也必须知道磁场的磁感线的分布情况因此，牢记条形磁铁、蹄形磁铁、通电直导线、通电螺线管和通电圆环等磁场中磁感线的分布情况在电磁学中是很必要的磁场对电流的作用安培力的性质和规律：公式F=BIL中L为导线的有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端如图所示，甲中：，乙中：L=d（直径）2R（半径）甲 乙安培力的作用点为磁场中通电导体的几何中心；安培力做功：做功的结果将电能转化成其它形式的能【例1】如图所示，一条形磁铁放在水平桌面上在其左上方固定一根与磁铁垂直的长直导线，当导线通以如图所示方向电流时（ ）A. 磁铁对桌面的压力减小，且受到向左的摩擦力作用B. 磁铁对桌面的压力减小，且受到向右的摩擦力作用C. 磁铁对桌面的压力增大，且受到向左的摩擦力作用D. 磁铁对桌面的压力增大，且受到向右的摩擦力作用解析：导线所在处磁场的方向沿磁感线的切线方向斜向下，对其沿水平竖直方向分解，如图所示对导线： Bx产生的效果是磁场力方向竖直向上By产生的效果是磁场力方向水平向左根据牛顿第三定律：导线对磁铁的力有竖直向下的作用力，因而磁铁对桌面压力增大；导线对磁铁的力有水平向右的作用力因而磁铁有向右的运动趋势，这样磁铁与桌面间便产生了摩擦力，桌面对磁铁的摩擦力沿水平方向向左答案：C【例2】如图在条形磁铁N极处悬挂一个线圈，当线圈中通有逆时针方向的电流时，线圈将向哪个方向偏转？分析：用“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”最简单：螺线管的电流在正面是向下的，与线圈中的电流方向相反，互相排斥，而左边的线圈匝数多所以线圈向右偏转。【例3】电视机显象管的偏转线圈示意图如下，即时电流方向如图所示。该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转？解：画出偏转线圈内侧的电流，是左半线圈靠电子流的一侧为向里，右半线圈靠电子流的一侧为向外。电子流的等效电流方向是向里的，根据“同向电流互相吸引，反向电流互相排斥”，可判定电子流向左偏转。【例4】质量为m的通电细杆ab置于倾角为的平行导轨上，导轨宽度为d，杆ab与导轨间的摩擦因数为有电流时ab恰好在导轨上静止，如图所示，如图所示是沿ba方向观察时的四个平面图，标出了四种不同的匀强磁场方向，其中杆与导轨间摩擦力可能为零的是（ ） 解析：杆的受力情况为：答案：AB【例5】在倾角为的斜面上，放置一段通有电流强度为I，长度为L，质量为m的导体棒a，（通电方向垂直纸面向里），如图所示，棒与斜面间动摩擦因数 tan。欲使导体棒静止在斜面上，应加匀强磁场，磁感应强度B最小值是多少？如果要求导体棒a静止在斜面上且对斜面无压力，则所加匀强磁场磁感应强度又如何？解析：（1）设当安培力与斜面成角时B最小，则由平衡条件得：mgsinFNBILcos，FN=mgcosBILsin解得当=90时，（2）当FN=0时，则BILmg，BIL=mg，由左手定则知B方向水平向左【模拟试题】1. 如图所示，正四棱柱abedabcd的中心轴线oo处有一无限长的载流直导线，对该电流的磁场，下列说法中正确的是（ ）A. 同一条侧棱上各点的磁感应强度都相等B. 四条侧棱上的磁感应强度都相同C. 在直线ab上，从a到b，磁感应强度是先增大后减小D. 棱柱内任一点的磁感应强度比棱柱侧面上所有点都大2 一小段通电直导线长1cm，电流强度为5A，把它放入磁场中某点时所受磁场力大小为0.1N，则该点的磁感强度为（ ） A. B2T； B. B2T； C. B2T； D. 以上三种情况均有可能3. 如图所示边长为100cm的正方形闭合线圈置于磁场中，线圈AB、CD两边中点连线OO/的左右两侧分别存在方向相同、磁感强度大小各为B10.6T，B2=0.4T的匀强磁场。若从上往下看，线圈逆时针转过37时，穿过线圈的磁通量改变了多少？4. 从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中含有高能带电粒子，若到达地球，对地球上的生命将带来危害对于地磁场对宇宙射线有无阻挡作用的下列说法中，正确的是（ ）A. 地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强，赤道附近最弱B. 地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强，南北两极最弱C. 地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处相同D. 地磁场对宇宙射线无阻挡作用5. 超导是当今高科技的热点之一，当一块磁体靠近超导体时，超导体中会产生强大的电流，对磁体有排斥作用，这种排斥力可使磁体悬浮在空中，磁悬浮列车就采用了这项技术，磁体悬浮的原理是（ ）超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相同超导体电流的磁场方向与磁体的磁场方向相反超导体使磁体处于失重状态超导体对磁体的磁力与磁体的重力相平衡A. B. C. D. 6. 如图所示，在光滑的水平桌面上，有两根弯成直角相同金属棒，它们的一端均可绕固定转轴O自由转动，另一端b互相接触，组成一个正方形线框，正方形边长为 L，匀强磁场的方向垂直桌面向下，磁感强度为B当线框中通以图示方向的电流时，两金属棒b点的相互作用力为f，此时线框中的电流为多少？【试题答案】1. 解析：因通电直导线的磁场分布规律是B1/r，故A，C正确，D错误四条侧棱上的磁感应强度大小相等，但不同侧棱上的点的磁感应强度方向不同，故B错误答案：AC2. 解析：由BF/IL可知F/IL2（T）当一小段直导线垂直于磁场B时，受力最大，因而此时可能导线与B不垂直，即Bsin2T，因而B2T。选B。答案：B3. 解析：在原图示位置，由于磁感线与线圈平面垂直，因此 1B1S/2B2S/2（0.61/20.41/2）Wb=0.5Wb 当线圈绕OO/轴逆时针转过37后，（见图中虚线位置）：2B1Sn/2B2Sn/2B1(Scos37)/2B2(Scos37)/20.4Wb 磁通量变化量=21（0.40.5）Wb=0.1Wb 所以线圈转过37后，穿过线圈的磁通量减少了0.1Wb4. 解析：因在赤道附近带电粒子运动方向与地磁场近似垂直，而在两极趋于平行答案：B5. 解析：超导体中产生的是感应电流，根据楞次定律的“增反减同”原理，这个电流的磁场方向与原磁场方向相反，对磁体产生排斥作用力，这个力与磁体的重力相平衡选D答案：D6. 解析：由对称性可知金属棒在O点的相互作用力也为f，所以Oa边和ab边所受安培力的合力为2f，方向向右，根据左手定则可知Oa边和ab边所受安培力F1、F2分别与这两边垂直，由力的合成法则可求出F1= F2=2fcos45=fBIL，I=fBL磁感应强度 磁通量一、教学目标 理解磁感应强度和磁通量概念。 掌握用磁感线描述磁场的方法。 了解匀强磁场的特点，知道磁通密度即磁感应强度。 采用类比法，从电场强度概念引入分析，据比值法定义，建立磁感应强度概念。培养学生分析问题的能力和研究问题的方法。 二、重点、难点分析 磁感应强度是描述磁场性质的物理量，其概念的基本建立是本章的重点和难点。 1.在磁场中某处，垂直磁场方向放置的通电导线，所受的磁场力与其导线长度和电流强度乘积的比值是不变的恒量，即只要在磁场中的位置不变，若是改变垂直磁场方向放置的导线长度，或改变其中的电流强度，则所受的磁场力改变，但磁场力与导线长度和电流强度乘积的比值是不变的，为一特定恒量，说明该恒量反映了磁场与导线长度和电流强度乘积的比值又是一个不同的恒量，该恒量即反映磁场在这一位置场的性质。磁场的这种性质命名为磁感应强度。 这正可与电场类比：放在电场中某点的检验电荷所受到的电场力与其电量的比值是不变的恒量。它反映电场性质，命名为电场强度。 同是比值法定义。 2磁通量是指穿过某个“面”的磁感线条数。因此一说磁通量必须指明是穿过哪个面的磁通量，“面”定了则面积大小定了，放在确定的磁场中，如果磁场方向与面的夹角不同，则线条数量多，因此定义：垂直磁场方向放置的面积为S的面，其磁通量=BS。 3.磁感线的条数不是随意画的，它是由磁感应强度的大小决定的。垂直磁场方向单位面积上的磁通量即单位面积上的磁感线条数，叫磁通密度，B=/S，即磁感应强度。 三、教具 干电池组，U形磁铁，水平平行裸铜线导轨，直铜棒，带夹导线三根，开关。 四、教学过程 引入新课： 复习电场，为用类比法建立磁感应强度概念作准备。 提问：电场的基本特性是什么？（对其中的电荷有电场力的作用。） 空间有点电场Q建立的电场，如在其中的A点放一个检验电荷 q1，受电场力F1，如改放电荷q2，受电场力F2，则有何关系，说明什么？（比值为恒量，反映场的性质，叫电场强度。） 磁场的基本特征是什么？（对其中的电流，即通电导线有磁场力的作用。） 对磁场的这种特性如何描述呢？ 2.观察实验 磁场对通电直导线有力的作用，引导学生作定性分析，得出：确定的磁场，对通电直导线的作用力大小与直导线的长度L、通入电流强度I，以及导线上电流方向与磁场方向夹角有关。 （1）通电导线在磁场中受到力的作用磁场力F。F的方向与何有关？（磁场方向，电流方向，左手定则。） （2）如果磁场确定，则F的大小与何有关？ 如使导线与磁场平行放置，F=？垂直放置又如何？如改变导线长度，F如何变化？ 如果改变导线上的电流强度，F如何变化？ 总结：精确的的实验表明通电直导线垂直放置在确定的磁场中受到的磁场力F跟通过的电流强度I和导线长度L成正比，或者说跟IL的乘积成正比。这就是说无论怎样改变电流强度I和导线长度L，乘积IL增大多少倍，则F也增大多少倍。比值F/IL是恒量。 如果改变在磁场中的位置，垂直磁场放置的通电导线F/IL比值又会是新的恒量，均反映磁场的性质。 正如电场特性用电场强度来描述一样，磁场特性用一个新的物理量磁感应强度来描述。 3.板书：磁感应强度（B） （1）定义：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受到的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度，用B表示。 （2）公式：B=F/(IL) （3）矢量：B的方向与磁场方向，即小磁针N极受力方向相同。 （4）单位：特斯拉（T）1T=1N/(Am)，即垂直磁场方向放置的长1m的导线，通入电流为1A，如果受的磁场力为1N，则该处的磁感应强度B为1T. 一般永久磁铁磁极附近的磁感应强度约为0.4T-0.7T；电机和变压器铁心中，磁感应强度为0.8T1.4T，地面附近地磁场的磁感应强度约为0.510-4T。机控制概述着重介绍了直流电机、无刷直流电机、交流感应电机的差异及其子系统，深入分析了电流监测与测量、温度检测子系统、电机速度、位置、位移检测系统、多通道电流和电压监测与控制以及带有编码器数据接口的高精度电机控制子系统。电机消耗的能量几乎占全球电力的50%。随着能源成本的持续上涨，业内开始采用微处理器调速驱动器替代效率低下的固定速率电机和驱动器，这种新型电机控制技术与传统驱动器相比，能够使能耗平均降低30%以上。虽然调速电机提高了系统本身的成本，但是，考虑到电机能够节省的能量以及所增加的功能，只需短短几年即可挽回最初的投资成本。图1通用电机设计直流电机、无刷直流和交流感应电机是当今工业应用设计中最常见的电机。尽管每种类型的电机都有独特的性能，但基本工作原理类似。当一个导体通电时，例如线圈绕组，如果导体处于一个与其垂直的外部磁场内，导体将会受到一个与自身和外部磁场垂直的力。直流电机：低成本和高精度驱动性能直流电机是最先投入使用的电机类型，目前仍然以低开发成本和卓越的驱动性能得到普遍应用。在最简单的直流电机中，定子(即电机固定部件)为永久磁铁，转子(即电机的转动部件)上缠绕了电枢绕组，电枢绕组连接到机械换向开关，该开关控制绕组电流的导通和关闭。磁铁建立的磁通量与电枢电流相互作用，产生电磁扭矩，从而使电机做功。电机速度通过调整电枢绕组的直流电压进行控制。根据具体应用的不同，可以采用全桥、半桥或一个简单的降压转换器驱动电枢绕组。这些转换器的开关通过脉宽调制(PWM)获得相应的电压。Maxim的高边或桥式驱动器IC，例如：MAX15024/MAX15025，可以用来驱动全桥或半桥电路的FET。直流电机还广泛用于对速度、精度要求很高的伺服系统。为了满足速度和精度的要求，基于微处理器的闭环控制和转子位置非常关键。Maxim的MAX9641霍尔传感器能够用于提供转子的位置信息。图2 工业电机控制系统典型电路框图。交流感应电机：简单、坚固耐用交流感应电机以简单、坚固耐用而著称，被广泛用于工业领域。最简单的交流电机就是一个变压器，原级电压连接到交流电压源，次级短路承载感应电流。“感应”电机的名称源于“感应次级电流”。定子载有一个三相绕组，转子设计简单，通常被称为“鼠笼”，其中，两端的铜或铝棒通过铸铝环短路。由于没有转子绕组和碳刷，这种电机的设计非常可靠。图3感应电机的转子和定子工作在60Hz电压时，感应电机恒速运转。然而，当采用电源电路和基于微处理器的系统时，可以控制电机速度变化。变速驱动器由逆变器、信号调理器和基于微处理器的控制器组成。逆变器采用三个半桥，顶部和底部切换以互补方式控制。Maxim提供多种半桥驱动器，如MAX15024/MAX15025，可独立控制顶部和底部FET。精确测量三相电机电流、转子位置及转速是对感应电机进行高效闭环控制的必要条件。Maxim提供多款高边和低边电流放大器、霍尔传感器以及同步采样模/数转换器(ADC)，能够在恶劣环境下精确测量这些参数。微处理器利用电流和位置数据产生三相桥路的逻辑信号。一种常见的闭环控制技术称为矢量控制，它消除了磁场电流矢量和定子磁通量之间的耦合，从而能够独立控制，提供更快的瞬态响应。无刷直流电机：高可靠性和高输出功率无刷直流(BLDC)电机既没有换向器也没有碳刷，相对于直流电机而言需要更少的维护。相对于感应电机或直流电机而言，同等规格的无刷直流电机能提供更大的输出功率。BLDC电机的定子与感应电机的定子非常相似。但是，BLDC电机的转子可以采用不同形式，当然，都属于永久磁铁。气隙磁通量由磁铁固定，不受转子电流的影响。BLDC电机还需要一定形式的转子位置检测。通常利用定子中嵌入的霍尔器件检测转子位置。当转子的磁极经过霍尔传感器附近时，会有一个信号指示通过的是北极还是南极。Maxim提供多款霍尔传感器，如MAX9641，这些器件集成了两个霍尔传感器和数字逻辑电路，可提供磁场位置、方向输出，从而简化设计并降低系统成本。传感器、信号转换和数据接口的重要性在电机控制环路中，有几种类型的传感器提供反馈信息。这些传感器还用于检测可能损坏系统的故障状态，从而提高系统可靠性。以下章节详细介绍了传感器在电机控制中的作用，特别是电流检测放大器、霍尔传感器和可变磁阻(VR)传感器。其它内容包括：利用高速模/数转换器(ADC)监测、控制多通道电流和电压，高精度电机控制所需的编码器数据接口等。检测并监控电流优化电机控制电流监测电流是用于检测、监测并反馈给电机控制环路的常见信号。利用电流检测放大器可以轻松地精确监测系统流入、流出的电流。采用电流检测放大器可以省去传感器，因为需要测量的是电信号本身。电流检测放大器能够检测短路和瞬态状况，并监测电源和电池反接故障。电流测量电流测量有很多渠道，但截至目前为止，最常见的方案是采用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是：利用基于运放的差分放大器对检流电阻两端的电压进行放大，然后测量放大后的电压信号。传统设计中通常采用分立器件。但分立方案存在一些缺点，例如：需要匹配电阻、具有较差的温漂特性，并占用较大面积。幸运的是，这些缺点可以通过在设计中使用集成电流检测放大器得以解决。放大器不仅测量电流，还可以检测电流方向，具有较宽的共模范围，能够提供高精度测量。电流测量可以采用低边检测(检测电阻与接地通路串联)，也可以采用高边检测(检测电阻与火线串联)。低边检测中，电路的输入共模电压较低，输出电压以地为参考，但低边电阻在接地通路增加了所不希望的外部电阻。高边检测中，负载接地，但高边电阻必须承受相当大的共模信号。高边检测能够对故障状态进行监测，例如，电机外壳或绕组对地短路。图4高边电流检测放大器，如MAX4080/MAX4081，将检流电阻放置在电源正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计没有在地通道引入外接电阻，大大简化了布局，通常也有助于改善电路的总体性能。Maxim可提供单向和双向电流检测IC (内置或外置检流电阻)，如MAX9918/MAX9919/MAX9920。器件的多样性为设计提供极大灵活性，并简化了各种ADC及其应用的器件选型。电机速度、位置及位移检测霍尔传感器被广泛用于电机速度、位置和方向的检测。这些传感器集成了逻辑电路，能够将数据传送到系统进行实时反馈。传感器还可检测并报告任何形式的电机中断故障，从而采取相应措施。检测运动方向通常需要两个霍尔传感器。若系统使用的霍尔器件数量与电机相数相同，并且霍尔器件的机械结构与电机每一相的电气特性相关联，换向操作可以同步到霍尔传感器输出边沿。Maxim的MAX9641集成了两路霍尔传感器和传感器信号调理电路，提供位置和方向输出。霍尔传感器还能够配合专用的霍尔传感器接口产品使用，如MAX9621。接口器件提供多种功能：电源瞬态保护、对霍尔传感器的吸收电流进行检测并滤波，以及故障诊断和保护。与机械式光断路器系统相比，霍尔传感器有效提高了系统的可靠性和可重复性，而前者在灰尘和潮湿环境下无法保证可靠工作。由于霍尔传感器检测的是磁铁或电流产生的磁场，所以能够在这样的恶劣环境下连续工作。有些应用中，振动、灰尘和高温会造成有源传感器工作异常。这种情况下，可以利用无源器件检测电机工作并通过一个接口IC把数据反馈给系统。也可以在极端工作条件下选择使用可变磁阻(VR)传感器。VR传感器，如MAX9924MAX9927通过一个线圈检测电机的速度和转动。当电机上安装的齿轮进入磁场时，磁场的磁通量将会发生变化，从而导致线圈发生变化。当齿轮靠近传感器时，磁通量达到最大值。当齿轮离开时，磁通量开始下降。旋转齿轮会产生随时间变化的磁通量，在线圈中感应产生成比例的电压。随后，电子电路对该信号进行处理，获得一个更容易计数和定时的数字波形。集成VR传感器接口方案相对于其它方案具有很多优势，其中包括：提高抗干扰能力、提供准确的相位信息。图5多通道电流、电压的监测与控制监测、控制电机时，需要测量多个电流和电压信号，并需要保持通道间相位信息的完整性。有两种ADC架构供设计人员选择：使用多个单通道ADC，这种设计很难实现同步转换时序；或者使用同步采样ADC。同步采样架构可以是单芯片封装多路ADC，所有通道采用同一转换触发器；也可以在模拟输入端使用多路采样/保持放大器(也称为跟踪/保持放大器)。使用多路采样/保持放大器时，多路模拟输入和单通道ADC之间仍需使用多路复用器。同步采样设计无需复杂的数字信号处理算法。电机控制应用大多采用100ksps或更高的采样速率。ADC以这样的速率连续监测电机的工作状况，提供任何故障或潜在险情的报警指示。一旦发现故障征兆，系统即可进行修复或在必要时关断系统。如果ADC的采样率不够快，就不能尽早发现故障状态并加以解决。不同的电机控制应用对于动态测量范围的要求不同。有些情况下，12位分辨率即可满足系统要求。但对于更精密的电机控制应用，16位分辨率则是更为常见的标准。利用高性能16位ADC，如MAX11044或MAX11049，系统可获得高于90dB的动态范围。Maxim提供适合各种电机控制的同步采样ADC。包括带有串口或并口的12/14/16位分辨率等不同类型的器件。图6带有编码器数据接口的高精度电机控制电机控制精度取决于系统需求。有些应用对于精度的要求非常高，如工业机器人技术或灌装生产线。例如，焊接机器人需要高速、高精度工作。同样，灌装生产线的电机必须精确控制，使瓶子能够停留在正确的位置进行灌装、上盖、贴标签。为了高精度地控制电机，必须确定转子的速度、方向和位置。这些参数可以通过模拟传感器进行监测，如决策器、同步器、RVDT或旋转电位计。采用类似于光编码器和霍尔传感器的编码器可以获得较高精度。编码器为控制器提供增量和/或绝对的转轴角度信息。电机控制器计算转子的当前速度和角度，通常由数字信号处理器(DSP)按照一定算法实现。它通过调整激励获得高效、最佳响应。这种反馈控制环路需要传感器安全、可靠的信息支持，这种信息通常需要通过远距离电缆从编码器传输到控制器。增量信息通常以正交信号形式传输至控制器，即两个信号相位差为90。这些信号可以是模拟形式(sine + cosine)，也可以是二进制形式。而绝对位置信息仅以串行二进制数据流形式通过RS-482或RS-422总线传输。由于工作环境恶劣，需要保证数据通道高度安全、可靠。差分信号成为高EMI环境的理想选择。由于器件靠近电机工作，因此，还需要支持高温环境。Maxim提供全面的RS-485/RS-422和PROFIBUS接口器件，专为电机控制应用而设计。MAX14840E高速RS-485收发器等接口器件具备高度信号完整性和可靠性，满足严格的安全控制需求和大型投资设备的开发周期需求。电机换磁钢后电流会增大吗？ 悬赏分：0 | 解决时间：2007-9-7 07:55 | 提问者：anthonygar