磁悬浮实验实验报告.pdf

实验报告课程名称： __工程电磁场与波____指导老师： _____姚缨英 _____ 实验名称：磁悬浮 _实验类型： ____ ____同组学生姓名：____ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1、观察自稳定的磁悬浮物理现象；2、了解磁悬浮的作用机理及其理论分析的基础知识；3、在理论分析与实验研究相结合的基础上，力求深化对磁场能量、电感参数和电磁力等知识点的理解二、实验原理（1）自稳定的磁悬浮物理现象由盘状载流线圈和铝板相组合构成磁悬浮系统的实验装置，该系统中可调节的扁平盘状线圈的激磁电流由自耦变压器提供，从而在50 hz 正弦交变磁场作用下，铝质导板中将产生感应涡流，最终表征为盘状载流线圈自稳定的磁悬浮现象2）基于虚位移法的磁悬浮机理的分析将盘状载流线圈和铝板组合看成一个磁系统为简化分析，将铝板看作为一半无限大完纯导体事实上当激磁频率为50 hz 时，只有当铝板表面相对扁平盘状线圈足够大，而厚度b 远大于该频率下铝板的透入深度d，才能作这一理想化假设。

在此前提下，应用镜像法，可导得该磁系统的自感为式中， a ——盘状线圈被理想化为单匝圆形线圈时的平均半径；n ——线匝数；r ——导线被看作圆形导线时的等效圆半径当通入盘状线圈的激磁电流增大到使其与铝板中感生涡流合成的磁场，对盘状载流线圈作用的电磁力足以克服线圈自重时，线圈即浮离铝板， 呈现自稳定的磁悬浮物理现象此时，作用于盘状载流线圈的向上的电磁力必然等于该线圈的重量现应用虚位移法来求取作用于该磁悬浮系统的电动推斥力对盘状载流线圈和铝板组合的磁系统，其对应于力状态分析的磁2场能量为wm=l*i/2 式中， i 为激磁电流的有效值其次，取盘状载流线圈与铝板之间相对位移h（即给定的悬浮高度）为广义坐标，按虚位移法可求得作用于该系统的电动推斥力，也就是作用于盘状载流线圈的向上的电磁悬浮力从而，由稳定磁悬浮状态下力的平衡关系，即式中， m ——盘状线圈的质量(kg) ；g ——重力加速度 (9.8 m/s2)；即可得对于给定悬浮高度 h 的磁悬浮状态，系统所需激磁电流为三、实验内容（1）观察自稳定的磁悬浮物理现象（2）实测对应于不同悬浮高度的盘状线圈的激励电流四、操作方法和实验步骤1、观察自稳定的磁悬浮物理现象在给定厚度为14 mm的铝板情况下，通过调节自耦变压器以改变输入盘状线圈的激磁电流，从 而观察在不同给定悬浮高度h 的条件下， 起因于铝板表面层中涡流所产生的去磁效应，而导致的自稳定的磁悬浮物理现象2、实测对应于不同悬浮高度的盘状线圈的激磁电流在厚度为14 mm的铝板情况下，以 5 mm为步距，对应于不同的悬浮高度，逐点测量稳定磁悬浮状态下盘状线圈中的激磁电流，记录其悬浮高度h 与激磁电流i 的相应读数。

3、 观察不同厚度的铝板对自稳定磁悬浮状态的影响分别在厚度为14 mm 和厚度为 6 mm的两种铝板情况下, 对应于相同的激磁电流（如i = 20 a） ， 观察并读取相应的悬浮高度h的读数，且用手直接感觉在该两种铝板情况下铝板底面的温度五、实验结果与结论悬浮高度h 与激磁电流i 的响应关系悬浮高度h 激磁电流i 仿真结果序号理论值（ a） （cm） （a） （a） 1 0.4 17.0 5.23 15.7 2 0.8 18.5 7.40 18.8 3 1.0 19.8 8.28 19.3 4 1.7 20.0 10.79 21.4 5 2.0 21.5 11.71 22.1 6 2.8 23.8 13.85 24.3 仿真结果：磁场线图当悬浮高度为2.8cm 时求解在悬浮高度与激励电流关系中，实验实测数据和理论值的偏差很大，但是总体趋势相同，都是随着高度增加而增大实测值与仿真结果比较接近理论值的推导过程中在等效半径的估计上， a 取（ r1+r2 ）/2 是偏大的，而且悬浮高度越小偏大越明显。

实际磁场并不能忽略边缘效应，而且漏磁不可忽略，也造成了一定的实测电流偏大因此在实验中，电流比较小的情况下，理论值与真实值的误差会变得非常大，也就会出现上表中的情况附：命令流/clear ! 定义参数，单位均采用国际制单位cr1=0.031 ! 盘状线圈内半径cr2=0.195 ! 盘状线圈外半径ch=0.0125 ! 盘状线圈高度n=250 ! 线圈匝数lh=0.014 ! 铝板高度lr1=0.02 ! 铝板内半径lr2=0.25 ! 铝板外半径pi=2*asin(1) ! 3.1415926 xfh=0.008 ! 线圈悬浮高度，分析中可改变参数w=lr2 ! 场域外空气范围相关尺寸h=lh+xfh+ch ! 场域外空气范围相关尺寸im0=18.80 ! 线圈电流，分析中需调整的参数js0=im0*n*sqrt(2)/((cr2-cr1)*ch) ! 线圈截面上的电流密度（幅值）! 前处理/prep7 ! 前处理et, 1, plane53, , , 1 ! 指定单元类型，轴对称场分析mp, murx, 1, 1 ! 指定 1 号材料（空气）的相对磁导率mp, murx, 2, 1 ! 指定 2 号材料（线圈）的相对磁导率 mp, murx, 3, 1 ! 指定 3 号材料（铝板）的相对磁导率 mp, rsvx, 3, 2.62e-8 ! 指定 3 号材料（铝板）的电阻率 ! 建立几何模型! 铝板rectng, 0, lr1, 0, lh rectng, 0, lr2, 0, lh ! 线圈rectng, 0, cr1, lh+xfh, lh+xfh+ch rectng, 0, cr2, lh+xfh, lh+xfh+ch ! 外围空气区域及整个分析场域rectng, 0, lr2, 0, lh+xfh+ch rectng, 0, w+h, -h, 2*h rectng, 0, w+8*h, -5*h, 6*h aovlap, all ! 对几何模型（即，面）设置属性! 选择线圈所对应的面，根据位置来选择asel, s, loc, x, cr1, cr2 asel, r, loc, y, lh+xfh, lh+xfh+ch lsel, s, loc, x, cr1 asll, r aatt, 2, , 1, 0, ! 选择铝板asel, s, loc, x, lr1, lr2 asel, r, loc, y, 0, lh lsel, s, loc, x, lr1 asll, r aatt, 3, , 1, 0, ! 选择空气allsel asel, u, mat, , 2, 3 aatt, 1, , 1, 0 ! 剖分，建立网格! 先划分铝板所在区域asel, s, mat, , 3 esize, 0.003 amesh, all ! 划分线圈所在区域asel, s, mat, , 2 ! 根据材料号来选择线圈esize, 0.003 ! 定义单元尺寸为0.003 m amesh, all ! 剖分线圈所对应的面! 划分线圈外的空气区域lsel, s, loc, y, 0, h lsel, r, loc, x, 0 asll 。