[实用新型]一种电磁学教学仪器

说明书

技术领域

电磁学是物理学的一个分支。电学与磁学领域有着紧密关系，广义的电磁学可以说是包含电学和磁学，狭义的电磁学是一门探讨电性与磁性交互关系的学科。

电磁学现有的教学中，多是枯燥乏味的理论教学，缺少直观、生动的演示教具，本实用新型提出了将电磁领域中现在较为流行的磁悬浮技术与无线供电技术相结合的技术模型，通过直观的演示展示了电磁学作为经典物理学的分支在自然科学中的重要地位。

其中，本实用新型涉及的无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、强交叉的新的研究领域和前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。

此外，本实用新型所涉及的磁悬浮技术是以德国为代表的常导电式磁悬浮和以中国为代表的永磁悬浮的结合，容易实现，且现象直观、生动。

本实用新型一种电磁学教学仪器，实验现象明显，且将无线电能传输与磁悬浮技术结合，结合了各技术自身的优势，同时也通过实验激发了学生的兴趣，为电磁学教学提供了良好的模型，且该教学仪器市场前景广阔。

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

磁悬浮技术可分为三种：一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。，中国永磁悬浮与国外磁悬浮相比有五大方面的优势：一是悬浮力强、二是经济性好、三是节能性强、四是安全性好、五是平衡性稳定。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提出了一种电磁学教学仪器，既利用常导电式磁悬浮和永磁悬浮技术设计出方便实现的磁悬浮演示物，又利用无线电能传输技术，在悬浮物悬浮气隙间实现电能传输，实验现象直观明显，方便实现，既演示了当下热门的电磁学两大应用，又能激发学生的学习兴趣，为电磁学教学提供了具体实在的技术模型。

本实用新型所采用的技术方案是：一种电磁学教学仪器，设置有电源(1)，为供电系统提供输入功率；整流模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；电磁铁(3)，产生稳定的静磁场；斩波模块(4)，用于将整流模块(2)输出的直流电转换成设定电压的直流电，平稳波形；逆变模块(5)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电；电磁场发射线圈(6)，用于发射逆变模块(5)输出的交变电能；电磁场接收线圈(7)，接收电磁场发射线圈发射出的交变磁场；LED灯(8)，将接收到的高频交流电直接点亮LED灯；小尺寸稀土钕铁硼磁铁(9)和大尺寸稀土钕铁硼磁铁(10)，配合电磁铁(3)产生的静磁场产生一个复合磁场；带磁性悬浮体(11)，在与复合磁场的耦合作用中悬浮。

所述的整流模块(2)由桥式整流电路组成，整流部分利桥式电路将交流电变为直流电，输出直流电。

所述的电磁铁(3)由金属导体绕制在磁芯上制成，在其中通以直流电，用以产生固定方向的磁场。

所述的斩波模块(4)由斩波电路组成，其中斩波电路输出的电压值固定，以控制其输出电压值。

所述的逆变模块(5)由逆变电路组成，通过PWM调制将斩波模块(4)中输出的直流电调制成所需频率的交流电。

所述的电磁场发射线圈(6)由外加绝缘层的金属导体绕制而成，安放在电磁铁的正上方，用于发射逆变模块(5)产生的交变电能。

所述的电磁场接收线圈(7)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在带磁性悬浮体(11)的正下方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。