电磁学在工程上的的应用

电磁学在发电机、磁悬浮列车上的的应用

黑龙江科技大学环境10-2班张航[7]

【摘要】

具体包括发电机运行原理、磁悬浮列车等等，把电磁学和实际工程相结合，使电磁学物理应用普遍应用于工程实践中，为推进现代工业化革命作出巨大贡献。

【关键词】电磁感应；直流/交流发电机；磁悬浮列车

一、发电机工程应用

1、电磁感应

我们知道，一切物体都是由分子组成，分子由原子组成，原子又由原子核和在它周围旋转的电子组成。原子核带的是正电荷，电子带的是负电荷，互相吸引，并且电荷数量是相等的，故原子对外不呈现电性。

取一根直导体，导体在磁场中作“切割”

磁感应线的运动时，导体中就会产生感应电

动势。这是因为导体在磁场内作“切割”磁

感应线运动时，导体的正电荷、自由电子将

以同样的速度在磁场内运动，磁场对运动电荷产生作用力，作用力的方向由左手定则判定，因此正电荷由导体b端移向a端，自由电子由导体的a端移向b端。结果b端聚集了电子而带负电，a端少了电子而带正电，使导体两端产生一定的电位差，即导体中产生感应电动势。（这相当于发电机处于匀速运转状态）。当接

通外电路时，电路中便会形成感应电流。（这相当于发电机处于运转供电状态）。

感应电动势的方向，可由右手定则来决定：即将右手掌放平，大拇指与四指垂直，以掌心迎向磁感应线，大拇指指向导体运动的方向，则四指的方向便是感应电动势的方向。直导体中感应电动势的大小则与磁感应强度B、导体运动速度v及导体长度L成正比，当导体运动的方向与磁场方向平行时，导体中不产生感应电动势。

2、发电机的分类

可分为直流发电机、交流发电机、同步发电机、异步发电机（很少用）

3、直流发电机结构及工作原理

直流发电机通常由定子、转

子、端盖、机座及轴承等部件组

成。定子由机座、定子铁芯、线包

绕组、以及固定这部分的其他结构

件组成；转子由转子铁芯、转子磁极（有磁轭、磁极绕组）、滑环（又称铜环、集电环）、风扇及转轴等部件组成。

原理：通过转轴、机座及端盖将发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定的励磁电流，使定子成为一个旋转才磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流，因而，发

电机就可以工作。

直流发电机工作原理示意图

4、交流发电机的原理

交流发电机是根据电磁感应原理制

成的，它是动生电动势的典型应用实例，

图13.2是最简单交流发电机的原理示意

图，图中ABCD是一个单匝矩形线圈，

它可以绕固定转动轴OO'在磁极N、S

所激发的均匀磁场中转动，当线圈在原

动机的带动下，以角速度ω匀速转动时，

线圈的AB、CD边将切割磁感应线而在线圈中产生动生电动势，若用特定的装置将A、D两端联通，则可将动生电动势引出而在外电路和线圈中形成电流。

如右图13.23为平面线圈在匀强磁场绕

OO’轴匀速转动，产生感应电流、感应电

动势简单原理示意图，其感应电流为正弦

交流电。

（特别注意：国际规定，工业交流电的频率为50Hz）

二、磁悬浮列车应用

1、磁悬浮列车简介

磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、

导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时

速可达到500公里以上，是当今世界最快的地面

客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低

运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优

点。并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。

2、磁悬浮列车技术基础及原理

磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向

系统三大部分组成，见图3。尽管可以使用与磁

力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，

这三部分的功能均由磁力来完成。

（1）电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮

系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮，常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。（2）电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流，由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。

（3）推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线

电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像

是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相

移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线

电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知

道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子

转动。

磁悬浮列车原理示意图

3、磁悬浮列车的优势

1、它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。

2、磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400-500公里/小时，超导磁悬浮可达500-600公里/小时。

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四、总结语

今后，我们要把物理上的更多电磁学理论广泛的运用到实际

参考文献

（1）仁常愚.大学物理基础（中册）.北京：化工工业出版社

（2）部分图片来自于仁常愚.大学物理基础（中册）第十三章

（3）赵凯华，陈熙谋，电磁学.北京：高等教育出版社

（4）廖耀发.大学物理教程.武汉：武汉大学出版社