[實用新型]一種電磁學教學儀器

有效

• 申請號: 201420114415.7
• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN203733388U
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 張獻;楊慶新;章鵬程;金亮;李陽;趙倩宇
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18;H02N15/00;H02J17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

電磁學是物理學的一個分支。電學與磁學領域有著緊密關系，廣義的電磁學可以說是包含電學和磁學，狹義的電磁學是一門探討電性與磁性交互關系的學科。

電磁學現有的教學中，多是枯燥乏味的理論教學，缺少直觀、生動的演示教具，本實用新型提出了將電磁領域中現在較為流行的磁懸浮技術與無線供電技術相結合的技術模型，通過直觀的演示展示了電磁學作為經典物理學的分支在自然科學中的重要地位。

其中，本實用新型涉及的無線電能傳輸技術是目前電氣工程領域最活躍的熱點研究方向之一，它集基礎研究與應用研究為一體，是當前國內外學術界和工業界探索的一個多學科、強交叉的新的研究領域和前沿課題，涵蓋電磁場、電力電子技術、電力系統、控制技術、物理學、材料學、信息技術等諸多技術領域。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，實現電子電器的自由供電，具有重要的應用預期和廣闊的發展前景。

此外，本實用新型所涉及的磁懸浮技術是以德國為代表的常導電式磁懸浮和以中國為代表的永磁懸浮的結合，容易實現，且現象直觀、生動。

本實用新型一種電磁學教學儀器，實驗現象明顯，且將無線電能傳輸與磁懸浮技術結合，結合了各技術自身的優勢，同時也通過實驗激發了學生的興趣，為電磁學教學提供了良好的模型，且該教學儀器市場前景廣闊。

背景技術

無線電能傳輸技術可分為三種：第一種為感應耦合式電能傳輸，它利用松耦合變壓器原理進行傳能，發射端與接收端存在降低回路磁阻的鐵芯裝置，適合小功率，短距離的應用場合。第二種為電磁耦合諧振式電能傳輸，通過高品質因數的諧振器上電感與分布式電容發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，在該技術中電能被轉換為微波形式，傳輸距離超過數千米，可實現電能的遠程傳送。其中電磁耦合諧振技術利用非輻射電磁場近場區域完成電能傳輸，一方面較之電磁感應式傳能，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，近場區域能量具有非輻射的特點，該技術有較好的安全性，因此目前得到很大的關注和研究。

磁懸浮技術可分為三種：一是以德國為代表的常導電式磁懸浮，二是以日本為代表的超導電動磁懸浮，這兩種磁懸浮都需要用電力來產生磁懸浮動力。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勢：一是懸浮力強、二是經濟性好、三是節能性強、四是安全性好、五是平衡性穩定。

發明內容

本實用新型所要解決的技術問題是，提出了一種電磁學教學儀器，既利用常導電式磁懸浮和永磁懸浮技術設計出方便實現的磁懸浮演示物，又利用無線電能傳輸技術，在懸浮物懸浮氣隙間實現電能傳輸，實驗現象直觀明顯，方便實現，既演示了當下熱門的電磁學兩大應用，又能激發學生的學習興趣，為電磁學教學提供了具體實在的技術模型。

本實用新型所采用的技術方案是：一種電磁學教學儀器，設置有電源(1)，為供電系統提供輸入功率；整流模塊(2)，將電源單元輸入的交流電轉變成直流電；電磁鐵(3)，產生穩定的靜磁場；斬波模塊(4)，用于將整流模塊(2)輸出的直流電轉換成設定電壓的直流電，平穩波形；逆變模塊(5)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調制成所需頻率的交流電；電磁場發射線圈(6)，用于發射逆變模塊(5)輸出的交變電能；電磁場接收線圈(7)，接收電磁場發射線圈發射出的交變磁場；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)產生的靜磁場產生一個復合磁場；帶磁性懸浮體(11)，在與復合磁場的耦合作用中懸浮。

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為直流電，輸出直流電。

所述的電磁鐵(3)由金屬導體繞制在磁芯上制成，在其中通以直流電，用以產生固定方向的磁場。

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。

所述的逆變模塊(5)由逆變電路組成，通過PWM調制將斬波模塊(4)中輸出的直流電調制成所需頻率的交流電。

所述的電磁場發射線圈(6)由外加絕緣層的金屬導體繞制而成，安放在電磁鐵的正上方，用于發射逆變模塊(5)產生的交變電能。

所述的電磁場接收線圈(7)由多匝金屬導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，以通過諧振耦合的方式實現能量的高效傳遞。