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磁悬浮列车原理探究

高一物理研究性学习成果展示

班  级

高一(1

班主任

冯明涛

主题名称

磁悬浮列车

课题名称

磁悬浮列车原理探究

小组成员

苏子安、张淼奇、邵子威

    

苏子安

指导教师

詹献忠

选择本课题

的主要原因

对磁悬浮相关知识感兴趣

对本课题相关

问题的初步想法

查资料了解常导型和超导型磁悬浮列车的悬浮、推进、转向原理

主题名称

磁悬浮列车

班  级

高一(1

课题名称

磁悬浮列车原理探究

指导教师

詹献忠

小组成员

苏子安、张淼奇、邵子威

组   长

苏子安

研究背景:(课题立论依据)

磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力,通过直线电机进行牵引,使列车悬浮在轨道上运行。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科,技术十分复杂,是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比,具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点,有着“零高度飞行器”的美誉,是一种具有广阔前景的新型交通工具,特别适合城市轨道交通。

研究目标:(课题研究的目的与意义)

了解关于磁悬浮有关知识,拓宽视野,并尝试应用 

研究内容、拟解决的关键问题及创新之处:

研究内容:磁悬浮列车原理、霍尔效应、arduino磁悬浮等

关键问题:理论到实践的转变

创新之处:

研究方法、条件及可能遇到的困难与对策: 

研究方法:查阅资料、实验、制作装置

条件:论坛教程、网络资料、老师指导

困难:实验误差大,实验装置、材料搜集困难,知识储备不够

对策: 多花时间

研究小组成员分工

  

在 组 内 的 分 工 情 况

邵子威

实验操作、程序编程

张淼奇

文稿、PPT制作

苏子安

器材采购、实验设计

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

研究的预期进展

研究阶段

时间安排(周次)

活动的主要内容及目标

课题生成与小组建立

1

 

形成小组研究方案

1

 

开题论证与交流

2

 

研究方案的实施

3--7

 

中期班级交流

10

 

资料整理与分析

10

 

形成研究成果

20

 

成果交流与展示

20

 

 

终期评价与反思

1~20

 

研究成果的呈现方式:(论文、调研报告、实验报告、制作模型、图片、网页、视频资料等)

PPT

   

关于磁悬浮原理和应用的探究

课题小组成员

张淼奇,邵子威,苏子安

   

詹献忠

                              

 

本报告执笔者

苏子安,邵子威,张淼奇

论文摘要:(可另译成英文稿)

   为了了解关于磁悬浮有关知识,拓宽视野,本组通过上网查找资料,现场实验,理论推导,结果反思。深入了解了不同种类的磁悬浮,并对磁悬浮的基本原理进行了探究。进行了定量实验,分析了实验结果,验证了霍尔效应。最后反思了本实验中存在的不足提出了进一步的解决方案。尝试多学科的融合。运用现代电子单片机技术和传感器技术,制作稳定的磁悬浮装置。增强了多学科的融会贯通能力。

关键词:磁悬浮,霍尔效应,Arduino,传感器,定量实验,pid平衡算法

参考文献:

1.     中科大物理网络公开课程http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part2/grade2/hall.html

2.     世界大学城   常导型、超导型磁悬浮列车http://www.worlduc.com/blog2012.aspx?bid=823623

3.     大学物理阅读材料 磁悬浮列车原理

4.     极客工坊 http://www.geek-workshop.com/thread-10078-1-1.html

5.      百度文库 

——http://wenku.baidu.com/link?url=SoXkmLA1NGy10nm1BJ72HdEnevqSJ-02BjT1-0kF1qqOhcqjYjhBWFd9ONeoHme01EZvvSRe_83tz09tIyKCd1ddud1KtGtGWOq0LCx9B8e

 

研究心得:

通过这一次的研究性学习,极大地提高了个人的能力,不光光是在研究原理和制作模型的过程中,还有在准备实验器材的阶段,凭借着短暂的时间和有限的能力要找全所有的实验装置的确很不容易,跑遍五金市场就为了找一片铜片。就算是准备好了实验器材也遇到了种种问题,实验的现象和效果也不尽如人意,但是就是在这样的探究过程中,我们不断充实自己和丰富自己的知识,寻找问题根源,变换不同的方式解决问题,一次次的尝试过程其实一点也不枯燥,满怀着期待制作实验装置,谨慎地实验,最后再进行总结也是一种非常有意义的经历,并且乐在其中。刚开始研究这样的课题时就已料想到可能无法完成实验,毕竟是超出能力范围的。但是这不算什么,不会可以学,学了不就会了么,大不了多试几次,再加上物理老师的帮助,学校器材和实验室的提供也给了我们很多的东西及帮助。

 

指导教师意见:

 

 

 

 

 

 

指导教师签字:

                           年 月 日

研究论文(报告)正文:(誊印或粘贴)

关于磁悬浮原理和应用的探究

调查目的:了解关于磁悬浮有关知识,拓宽视野

调查过程:确定研究课题——>上网初步了解有关磁悬浮的知识——>细分阶段性研究项目——>设计实验——>数据处理——>发现实验中问题——>请教老师有关问题——>做出结论,撰写报告。

绪论

磁悬浮列车是一种靠磁力悬浮运动的列车,因为运行时和轨道没有接触,大大减小了阻力,因而速度可达每小时400公里以上,比轮轨高速列车的380多公里还要快。磁悬浮技术的研究源于德国,如今德国、发达国家以及中国都相继进行磁悬浮运输系统的开发。我国第一辆磁悬浮列车20031月开始在上海运行。磁悬浮技术越来越深入的渗透到我们生活的方方面面,我们希望对磁悬浮列车及磁悬浮有关知识进行了解探究。我们通过将文献资料和实验结果想结合的方式进行探究,使得实验既有理论基础也有实验事实支撑,保证了探究的科学性。研究的意义在于拓宽视野,了解磁悬浮技术的广泛应用和原理。这个阶段的研究目标是了解磁悬浮列车运行的基本原理和磁悬浮技术之一霍尔效应的原理。

本论

对磁悬浮列车原理的探索

当今世界上的磁悬浮列车可大致分为两类——常导型和超导型磁悬浮列车。

常导型磁悬浮列车的悬浮原理

常导型磁浮列车利用车辆两侧转向架上的常导电磁铁和铺设在线路导向轨上的磁铁产生的吸引力使车辆浮起,车辆和轨道之间的间隙与吸引力大小成正比。通过精确地控制电磁铁中的电流,使车体与导向轨之间保持10~15mm的间隙,同时保证悬浮的可靠性和列车运行中的平稳性以及电机功率输出。此种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地轮。常导型高速磁悬浮列车以德国的TR系列磁悬浮列车为代表,速度可达每小时 400~500公里,主要适合于城市间的长距离高速运输;另外还有日本HSST系列磁悬浮列车,该列车的效率和速度都较低,主要适用于低速运行。导磁斥式磁悬浮列车利用磁极同性相斥的原理,使车轮和钢轨之间产生排斥力,从而使车辆在轨道上浮起。

超导型磁悬浮列车的悬浮原理

超导型磁悬浮列车最主要的特征就是其超导元件在相对低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电流阻力为零,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流,这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。由于采用了超导磁铁,磁场很强,因此车辆悬浮高度也较高,可达到100mm左右。该列车成本较高,但是悬浮控制更加稳定,运行速度也较高,可达500~600km/h。这种类型的列车以日本的MLX低温超导型磁悬浮列车为代表。

常导型磁悬浮列车的运行原理

通过研究上海的磁悬浮列车我们可以了解常导型磁悬浮列车的运行原理。

列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁,在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙,让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡,利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右,使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。

悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说,在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变成电磁体,由于它与列车上的电磁体的相互作用,使列车开动。

列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引,同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S极。循环交替,列车就向前奔驰。

稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统,是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时,列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,产生排斥力,使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时,控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制,达到控制运行目的。

超导型磁悬浮列车运行原理

超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲浪运动一样,冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同,超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器,根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
  超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电,并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力,从而将列车悬起,并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙,使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时,与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力,保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。
霍尔效应——电磁控制的重要传感器的基本原理

由美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差这一现象被称为霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

我们进行了对霍尔效应一定的探索。购买了一块黄铜片,将其剪成不同宽度的小片,接入同一个电路,使用万用表对其垂直于电流方向的电压大小进行测量。实验中使用6V电压,用滑动变阻器控制电流大小相等,分别改变黄铜片宽度和改变到大磁铁的距离,探究其对霍尔效应现象的影响。

通过实验,我们粗略得出了霍尔电压的大小与到磁铁距离即磁场大小成正比,与铜片宽度成反比。

实验中碰到的问题主要是产生的霍尔电压过小,有的时候甚至小于0.1mV,而且学生电路的电流不是十分稳定,万用表示数一直波动,导致了测量的困难。

后来我们通过查找资料发现影响霍尔效应的因素还有很多,原理如下。

将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向),当沿y方向的电极AA’上施加电流I时,薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FB的作用,

F= q u B                                                                   (1)

无论载流子是负电荷还是正电荷,FB的方向均沿着x方向,在磁力的作用下,载流子发生偏移,产生电荷积累,从而在薄片BB’两侧产生一个电位差VBB’,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力FE

FEq E = q VBB’ / b                                        (2)

其中b为薄片宽度,FE随着电荷累积而增大,当达到稳定状态时FEFB,即

q uB = q VBB’ / b                                                         (3)

这时在BB’两侧建立的电场称为霍尔电场,相应的电压称为霍尔电压,电极BB’称为霍尔电极。

另一方面,射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度Iu的关系为:

                 (4)

(3)(4)可得到

                                       (5)

,

                                               (6)

R称为霍尔系数,它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。

在应用中,(6)常以如下形式出现:

                                           (7)

式中称为霍尔元件灵敏度,I称为控制电流。

由式(7)可见,若IKH已知,只要测出霍尔电压VBB’,即可算出磁场B的大小;并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子,P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流子类型。

由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。指示交流电时,得到的霍尔电压也是交变的,(7)中的IVBB’应理解为有效值。

 

以上即是霍尔原件的原理,也是磁悬浮系统得以平稳运行的重要保证。

 

关于浮子的平衡

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量关心的变量,与期望值相比较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。

这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。

在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PIPD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入 “比例项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是微分项,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

 

问题

1.限于我们现有的能力,我们对很多原理,公式的理解还不够透彻。这在实际的操作过程中到了许多问题。比如,在研究网上的的视频时,即使可以复制出他的现象,但是却不可以解释其中蕴含的原理。这在一定程度上也违背了我们研究性学习的初衷。所以在下一期的研究性学习中,我们要更加注意知识的积累与沉淀。

2.理论是一切实验的基石。其次我们要加强实践能力。在这次研究中我们也暴露了中国学生普遍存在的动手能力不足的现象。实验装置制作问题,导致了一部分实验的失败。我们要在物理等课上,多多锻炼实验技巧。提高实验的精度,使结果更加准确。

3.还有一部分就是仪器限制,我们没有大学中那么多极为精密的仪器。这对我们做出结果也造成许多误导。特别是许多微小的数据,由于器材所限,在测量这些数据的时候耗费了大量时间。

课题名称

关于磁悬浮原理和应用的探究

班  级

高一(1

所属主题

应用物理,信息技术

指导教师

詹献忠

小组成员

张淼奇、邵子威

组 长

苏子安

在组内或全班进行展示汇报的方式

(口头陈述、实物展示、多媒体演示等)

多媒体展示、实物展示

展示汇报活

动组内分工

    

      

邵子威

实验操作、程序编程

张淼奇

文稿、PPT制作

苏子安

器材采购、实验设计

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在组内或全班进行展示汇报的提纲或步骤

1.  PPT展示

2.  装置展示

实物成

果统计

 

名称

内容说明

作者

Arduino磁悬浮装置

可以使浮子稳定悬浮于一个磁场上

邵子威

霍尔效应实验装置

验证霍尔效应并定量测量

张淼奇

实验照片

记录实验

苏子安

数据记录表

 

苏子安

原始材

料统计

活动记录表_1_份    访谈表_0_份    实验记录表_1_份

交流记录表_0_份    调查表_0_份     其它材料_1_份

 

发布时间:2015-03-30  作者:   摄影:  点击率:

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