一種電磁學(xué)教學(xué)儀器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，主要包括采用電源(1)、整流模塊(2)、電磁鐵(3)、斬波模塊(4)、逆變模塊(5)、電磁場發(fā)射線圈(6)、電磁場接收線圈(7)、LED燈(8)、小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)、大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)和帶磁性懸浮體(11)、安放位置記號線(12)、外殼(13)，組成的無線供電磁懸浮教具，結(jié)合無線供電與磁懸浮兩大時下熱門電磁學(xué)應(yīng)用，在實現(xiàn)磁懸浮的同時演示無線電能傳輸，實驗現(xiàn)象直觀、生動，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，為同類教具的研發(fā)提供了技術(shù)模板。
【專利說明】一種電磁學(xué)教學(xué)儀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]電磁學(xué)是物理學(xué)的一個分支。電學(xué)與磁學(xué)領(lǐng)域有著緊密關(guān)系，廣義的電磁學(xué)可以說是包含電學(xué)和磁學(xué)，狹義的電磁學(xué)是一門探討電性與磁性交互關(guān)系的學(xué)科。
[0002]電磁學(xué)現(xiàn)有的教學(xué)中，多是枯燥乏味的理論教學(xué)，缺少直觀、生動的演示教具，本實用新型提出了將電磁領(lǐng)域中現(xiàn)在較為流行的磁懸浮技術(shù)與無線供電技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)模型，通過直觀的演示展示了電磁學(xué)作為經(jīng)典物理學(xué)的分支在自然科學(xué)中的重要地位。
[0003]其中，本實用新型涉及的無線電能傳輸技術(shù)是目前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點研究方向之一，它集基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究為一體，是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索的一個多學(xué)科、強交叉的新的研究領(lǐng)域和前沿課題，涵蓋電磁場、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、控制技術(shù)、物理學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)等諸多【技術(shù)領(lǐng)域】。采用無線供電方式能夠有效克服電線連接方式存在的各類缺陷，實現(xiàn)電子電器的自由供電，具有重要的應(yīng)用預(yù)期和廣闊的發(fā)展前景。
[0004]此外，本實用新型所涉及的磁懸浮技術(shù)是以德國為代表的常導(dǎo)電式磁懸浮和以中國為代表的永磁懸浮的結(jié)合，容易實現(xiàn)，且現(xiàn)象直觀、生動。
[0005]本實用新型一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，實驗現(xiàn)象明顯，且將無線電能傳輸與磁懸浮技術(shù)結(jié)合，結(jié)合了各技術(shù)自身的優(yōu)勢，同時也通過實驗激發(fā)了學(xué)生的興趣，為電磁學(xué)教學(xué)提供了良好的模型，且該教學(xué)儀器市場前景廣闊。
【背景技術(shù)】
[0006]無線電能傳輸技術(shù)可分為三種:第一種為感應(yīng)稱合式電能傳輸，它利用松稱合變壓器原理進行傳能，發(fā)射端與接收端存在降低回路磁阻的鐵芯裝置，適合小功率，短距離的應(yīng)用場合。第二種為電磁耦合諧振式電能傳輸，通過高品質(zhì)因數(shù)的諧振器上電感與分布式電容發(fā)生諧振傳輸能量適合中等距離的能量傳輸。第三種為電磁輻射式電能傳輸，在該技術(shù)中電能被轉(zhuǎn)換為微波形式，傳輸距離超過數(shù)千米，可實現(xiàn)電能的遠程傳送。其中電磁耦合諧振技術(shù)利用非福射電磁場近場區(qū)域完成電能傳輸，一方面較之電磁感應(yīng)式傳能，在傳輸距離上有了很大的擴展；另一方面相比電磁輻射式傳能，近場區(qū)域能量具有非輻射的特點，該技術(shù)有較好的安全性，因此目前得到很大的關(guān)注和研究。
[0007]磁懸浮技術(shù)可分為三種:一是以德國為代表的常導(dǎo)電式磁懸浮，二是以日本為代表的超導(dǎo)電動磁懸浮，這兩種磁懸浮都需要用電力來產(chǎn)生磁懸浮動力。而第三種，就是中國的永磁懸浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他動力支持。，中國永磁懸浮與國外磁懸浮相比有五大方面的優(yōu)勢:一是懸浮力強、二是經(jīng)濟性好、三是節(jié)能性強、四是安全性好、五是平衡性穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提出了一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，既利用常導(dǎo)電式磁懸浮和永磁懸浮技術(shù)設(shè)計出方便實現(xiàn)的磁懸浮演示物，又利用無線電能傳輸技術(shù)，在懸浮物懸浮氣隙間實現(xiàn)電能傳輸，實驗現(xiàn)象直觀明顯，方便實現(xiàn)，既演示了當(dāng)下熱門的電磁學(xué)兩大應(yīng)用，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為電磁學(xué)教學(xué)提供了具體實在的技術(shù)模型。
[0009]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，設(shè)置有電源(1)，為供電系統(tǒng)提供輸入功率；整流模塊(2)，將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；電磁鐵(3)，產(chǎn)生穩(wěn)定的靜磁場；斬波模塊(4)，用于將整流模塊(2)輸出的直流電轉(zhuǎn)換成設(shè)定電壓的直流電，平穩(wěn)波形；逆變模塊(5)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電；電磁場發(fā)射線圈(6)，用于發(fā)射逆變模塊(5)輸出的交變電能；電磁場接收線圈(7)，接收電磁場發(fā)射線圈發(fā)射出的交變磁場；LED燈(8)，將接收到的高頻交流電直接點亮LED燈；小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)，配合電磁鐵(3)產(chǎn)生的靜磁場產(chǎn)生一個復(fù)合磁場；帶磁性懸浮體(11)，在與復(fù)合磁場的耦合作用中懸浮。
[0010]所述的整流模塊(2)由橋式整流電路組成，整流部分利橋式電路將交流電變?yōu)橹绷麟姡敵鲋绷麟姟?br> [0011]所述的電磁鐵(3)由金屬導(dǎo)體繞制在磁芯上制成，在其中通以直流電，用以產(chǎn)生固定方向的磁場。
[0012]所述的斬波模塊(4)由斬波電路組成，其中斬波電路輸出的電壓值固定，以控制其輸出電壓值。
[0013]所述的逆變模塊(5)由逆變電路組成，通過PWM調(diào)制將斬波模塊⑷中輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電。
[0014]所述的電磁場發(fā)射線圈(6)由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體繞制而成，安放在電磁鐵的正上方，用于發(fā)射逆變模塊(5)產(chǎn)生的交變電能。
[0015]所述的電磁場接收線圈(7)由多匝金屬導(dǎo)體繞制成的線圈組成，安裝在帶磁性懸浮體(11)的正下方，接收線圈在制作時就考慮了電源的頻率，制作出的接收線圈與電源頻率保持一致，以保證接收線圈在運行中保持諧振狀態(tài)，以通過諧振耦合的方式實現(xiàn)能量的聞效傳遞。
[0016]所述的LED燈(8)由貼片式LED芯片組成，安裝在帶磁性懸浮體(11)的正上方，直接連接電磁場接收線圈(7)兩端，使用高頻交流電直接點亮LED燈(8)。
[0017]所述的小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)由圓形稀土釹鐵硼磁鐵組成，配合電磁鐵(3)產(chǎn)生的靜磁場產(chǎn)生一個復(fù)合磁場，將帶磁性懸浮體(11)懸浮。
[0018]所述的帶磁性懸浮體(11)由稀土釹鐵硼磁鐵組成，加以軸向方向的磁場，在重力以及靜磁力的作用下，在復(fù)合磁場中懸浮。
[0019]本實用新型一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，是采用電源(I)、整流模塊(2)、電磁鐵(3)、斬波模塊⑷、逆變模塊(5)、電磁場發(fā)射線圈(6)、電磁場接收線圈(7)、LED燈⑶、小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)、大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)和帶磁性懸浮體(11)組成的無線供電磁懸浮教具，實驗現(xiàn)象直觀、生動，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，同時結(jié)合無線供電與磁懸浮兩大時下熱門電磁學(xué)應(yīng)用，為同類教具的研發(fā)提供了技術(shù)模板。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型的整體功能框圖；
[0021]圖2是復(fù)合靜磁場安裝結(jié)構(gòu)圖；[0022]圖3是帶無線供電的復(fù)合靜磁場的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4是帶磁性懸浮體結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖5是電磁學(xué)教具工作不意圖。
[0025]其中:
[0026]12:安放位置記號線13:夕卜殼【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型一種電磁學(xué)教學(xué)儀器做出詳細地說明。
[0028]如圖1所示，本實用新型一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，設(shè)置有電源(I)，為供電系統(tǒng)提供輸入功率；整流模塊(2)，將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；電磁鐵(3)，產(chǎn)生穩(wěn)定的靜磁場；斬波模塊(4),用于將整流模塊(2)輸出的直流電轉(zhuǎn)換成設(shè)定電壓的直流電,平穩(wěn)波形；逆變模塊(5)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電；電磁場發(fā)射線圈(6)，用于發(fā)射逆變模塊(5)輸出的交變電能；電磁場接收線圈(7)，接收電磁場發(fā)射線圈發(fā)射出的交變磁場；LED燈(8)，將接收到的高頻交流電直接點亮LED燈；小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)，配合電磁鐵(3)產(chǎn)生的靜磁場產(chǎn)生一個復(fù)合磁場；帶磁性懸浮體(11)，在與復(fù)合磁場的耦合作用中懸浮。
[0029]如圖2所示，所述的復(fù)合靜磁場由電磁鐵(3)、小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)復(fù)合而成，其中電磁鐵(3)由四個相同的螺線型電磁鐵組成，按照圖中對稱結(jié)構(gòu)擺放，通以相同方向的直流電，產(chǎn)生磁場方向相同，本例中螺線管電磁鐵半徑為30mm，螺線管電磁鐵與相鄰電磁鐵距離為5mm，四個電磁鐵軸心的連線為正方形，電磁鐵線圈匝數(shù)為100匝，使用帶絕緣的金屬導(dǎo)體繞制而成，導(dǎo)線半徑為0.5_，通過導(dǎo)線兩端電壓為10V,電流為0.4A,四個電磁鐵中產(chǎn)生的磁場方向延電磁鐵中心軸向且方向完全相同，產(chǎn)生的復(fù)合磁場在豎直軸向上表面與帶磁性懸浮體(11)下表面磁場方向相同，產(chǎn)生斥力，為帶磁性懸浮體(11)提供與重力方向相反且足夠大的支撐作用。
[0030]如圖2所示，所述的小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)為圓形，延電磁鐵(3)的外延擺放，擺放時小尺寸和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵交替擺放，兩個大尺寸和一個小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵與相鄰的電磁鐵(3)在延軸心連線上的空隙距離為3mm，相鄰的兩個電磁鐵(3)間的一個小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)安裝在相鄰兩個大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)軸線方向連線的中心位置，所有稀土釹鐵硼磁鐵上表面磁場方向完全相同，且其方向與電磁鐵(3)上表面磁場方向相反與帶磁性懸浮體(11)下表面相反，為帶磁性懸浮體(11)提供對稱的吸引力，本例中選用稀土釹鐵硼磁鐵牌號為N35，小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)半徑15_，大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)半徑20_，磁場方向與豎直軸向平行。
[0031]如圖3所示，所述的帶無線供電的復(fù)合靜磁場如圖所示，電磁場發(fā)射線圈(6)安裝在四個電磁鐵(3)的中心，架設(shè)在電磁鐵(3)的上表面，連接在逆變模塊(5)的兩端，用以產(chǎn)生高頻電磁場，向外發(fā)射無線能量，本例中使用半徑0.5mm的帶絕緣外層的銅導(dǎo)線繞制40阻雙層的線圈，線圈內(nèi)半徑為25mm,外半徑35mm,通過交流電頻率與電磁場發(fā)射線圈(6)諧振頻率相同，本例中為94kHz，以抑制反射系數(shù)，高頻交變磁場與靜磁場間頻率相差很大，相互干擾可以忽略不計。[0032]如圖4所示，所述的帶磁性懸浮體(11)由加以軸向磁場的制作而成，本例使用半徑35mm、高度15mm、牌號N35的稀土釹鐵硼磁鐵制作而成,其下表面磁場方向與電磁鐵(3)上表面磁場方向相同產(chǎn)生斥力以抵消重力影響，其下表面磁場方向與小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)上表面的磁場方向相反，產(chǎn)生空間對稱的吸引力，用以將帶磁性懸浮體(11)平衡在復(fù)合靜磁場的中心。
[0033]如圖4所示，所述的電磁場接收線圈(7)安裝在帶磁性懸浮體(11)的正下方，用以接收電磁場發(fā)射線圈(6)發(fā)射的無線能量，本例中使用半徑0.5_的帶絕緣外層的銅導(dǎo)線繞制40阻雙層的線圈，線圈內(nèi)半徑為25mm,外半徑35mm,其諧振頻率與電磁場發(fā)射線圈
(6)諧振頻率相同，以諧振的形式高效的接收近距離的無線能量。
[0034]如圖4所示，所述的LED燈⑶安裝在帶磁性懸浮體(11)的正上方，其兩端連接在安裝在電磁場接收線圈(7)的兩端，由于LED燈常用電源驅(qū)動為恒流源，電磁場接收線圈
(7)產(chǎn)生的高頻交流電可近似作為恒流源加在LED燈(8)的兩端，作為電磁場接收線圈(7)的輸出負載，本例中使用IW貼片式LED燈。
[0035]如圖5所示，所述的帶無線供電的復(fù)合靜磁場外安裝有絕緣外殼(13)，外殼上表面中心位置畫有一個與帶磁性懸浮體(11)形狀、尺寸一致的安放位置記號線(12)，用以輔助確定安放帶磁性懸浮體(11)的位置，幫助其迅速達到平衡，本例中外殼(13)使用聚碳酸酯材料，厚度為3mm,外型尺寸為140mmX 140mmX50mm,所畫的安放位置記號線(12)為圓形，半徑為35mm，圓心與下方的四個電磁鐵(3)的中心重合，在該位置上帶磁性懸浮體(11)能夠迅速達到平衡，實現(xiàn)懸浮。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征在于設(shè)置有有電源(I)，為供電系統(tǒng)提供輸入功率；整流模塊(2)，將電源單兀輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；電磁鐵(3)，產(chǎn)生穩(wěn)定的靜磁場；斬波模塊(4)，用于將整流模塊(2)輸出的直流電轉(zhuǎn)換成設(shè)定電壓的直流電，平穩(wěn)波形；逆變模塊(5)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電；電磁場發(fā)射線圈(6)，用于發(fā)射逆變模塊(5)輸出的交變電能；電磁場接收線圈(7)，接收電磁場發(fā)射線圈發(fā)射出的交變磁場；LED燈(8)，將接收到的高頻交流電直接點亮LED燈；小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10),配合電磁鐵(3)產(chǎn)生的靜磁場產(chǎn)生一個復(fù)合磁場；帶磁性懸浮體(11)，在與復(fù)合磁場的耦合作用中懸??；安放位置記號線(12)，用于輔助確定懸浮位置；外殼(13)，用于固定與安放磁場發(fā)射元器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述電磁鐵(3)由四個相同的螺線型電磁鐵組成，通以相同方向的直流電，產(chǎn)生磁場方向在豎直方向，且方向相同，四個電磁鐵軸心的連線為正方形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)為圓形，磁場方向與其軸線方向平行，延電磁鐵(3)的外延擺放，擺放時小尺寸和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵交替擺放，其軸心的連線是一個四角為圓弧的正方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)安裝后其上表面磁場方向完全相同，且其方向與電磁鐵(3)上表面磁場方向相反與帶磁性懸浮體(11)下表面相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的電磁場發(fā)射線圈(6)諧振頻率與逆變模塊(5)發(fā)射頻率相等，被安裝在四個電磁鐵(3)的中心，架設(shè)在電磁鐵(3)的上表面，連接在逆變模塊(5)的兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的所述的帶磁性懸浮體(11)由加以軸向磁場的磁鐵制作而成，其下表面磁場方向與電磁鐵⑶上表面磁場方向相同，與小尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(9)和大尺寸稀土釹鐵硼磁鐵(10)上表面的磁場方向相反。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的電磁場接收線圈(7)安裝在帶磁性懸浮體(11)的正下方，其諧振頻率與電磁場發(fā)射線圈(6)相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的LED燈(8)安裝在帶磁性懸浮體(11)的正上方，其兩端連接在安裝在電磁場接收線圈(7)的兩端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的外殼(13)由絕緣材料制成，安裝在帶無線供電的復(fù)合靜磁場外側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，其特征還在于，所述的安放位置記號線(12)與帶磁性懸浮體(11)的形狀、尺寸一致，其中心與下方的電磁鐵(3)的中心重合。
【文檔編號】H05B37/00GK203589853SQ201320740362
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】張獻, 楊慶新, 章鵬程, 金亮, 李陽, 趙倩宇 申請人:天津工業(yè)大學(xué)