电磁感应的优点精选(九篇)

第1篇：电磁感应的优点范文

关键词：磁阻效应；EPS；单片机；CAN；角度传感器；

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）07-0014-04

1 概述

电动助力转向（Electric Power Steering，简称EPS）是利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。其基本工作原理是：不转向时，电动机不工作；当转向时，传感器将检测到的动力作用于转向盘上的信号传送给ECU，ECU同时接收车速传感器传来的车速信号，ECU对输入信号进行处理后，向电动机发出指令，电动机据此输出与之相应大小及方向的以产生助力，从而实现助力转向的实时控制。传统的电动助力转向器的传感器大都采用接触式方式，因其接触式的测量方式，传感器的寿命和磨损后的测量精度都会下降，从而影响整个转向系统的性能。我们设计的新型的非接触式传感器，利用磁阻效应的原理，实现了非接触测量，能够测量角度及其方向，传感器寿命也大大延长，并且其测量精度也不会因为接触测量的磨损而有所降低。

2 磁阻传感器工作原理

图1 磁阻效应示意

磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。

而当半导体所处外部磁场的磁场强度达到饱和的时候，其阻抗改变仅与磁场方向有关，被称之为各向异性磁阻效应AMR（Anisotropic Magneto-Resistive sensors）。半导体与磁化方向平行时电阻Rmax最大，电流与磁化方向垂直时电阻Rmin最小，若电流与磁化方向成角θ时，电阻可表示为：

磁阻传感器设计需充分考虑到磁阻效应里磁场饱和状态下阻抗变化仅与磁场方向相关的特性，依据此原理可以快速准确的测出角度，抗干扰特性较好，更为

便捷。

在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图2所示。

图2 基本电桥

根据磁阻效应电阻公式及惠斯通电桥可以计算出该电桥在θ角的饱和磁场中输出为：

其中令，则

Us为磁阻传感器工作电压，K为惠更斯电桥类磁阻芯片固有常数。

K指作为磁阻传感器的固有属性，理论上是一个常数，但实际会因温度、湿度等外部环境的变化影响而发生改变，且单电桥磁阻角度传感器的角度测量范围仅为90°，两者都会给实际角度测量带来不便。

3 磁阻传感器在EPS中的应用

在汽车EPS中，转角传感器可以基于多种原理来实现，如光电效应、霍尔效应、磁阻效应、电阻分压效应、可变电容等。不同的实现方式要对应不同的信号处理策略，其优劣性对比如下：

图3 角度传感器分类

3.1 电阻式转角传感器

电阻式转角传感器的理论依据是电阻的分压原理，它能够通过方向盘的转动带动电阻器上的滑动触电，属于绝对型接触式传感器，滑动触点在运动过程中存在着机械摩擦，滑动触点易磨损，并且工作时易产生噪声，以及体积大不便于安装等一系列缺点。

3.2 光电感应式角度传感器

光电感应式转角传感器也就是我们通常所说的光电编码器。它的工作原理是：安装在方向盘管柱上的转角传感器跟随方向盘转轴的转动，此时光敏元器件会接受到光照，光敏元件将接收到的光信号转化为电信号并经过信号调理电路的整形和放大后变为电压脉冲输出。由于是基于光电感应原理，它的工作需要光源，安装要求较高，存在温度票移和绕线问题以及造价较高易于损坏的缺点。

3.3 电子电容式转角传感器

这种传感器由于只有电子电路构成，没有敏感元器件。缺点在于大量电子部件的存在使得电路的结构庞大复杂，而且很容易受到电磁干扰，因此电子式转角传感器的测量精度不高，不适合用于高精度要求的电动助力系统中。

3.4 霍尔（磁电）式转角传感器

霍尔式转角传感器是由磁敏元件构成的集成传感器，它由霍尔敏感元件、信号调理电路和数字信号处理器构成。它的工作原理是：将磁铁安装在霍尔敏感芯片的上方，霍尔敏感元件能够将磁场的变化转化脉冲信号，经处理放大计算出转角信号。优点是磁敏感范围较大，抗振动干扰和噪声干扰的能力强，结构牢固、体积小便于安装，能够在复杂恶劣的环境下保持较高的灵敏度和测量精度以及造价相对比较便宜。因此，尽管霍尔式传感器存在一定的温漂。EMC磁屏蔽设计要求较高，但依然是目前汽车电控系统中应用最为广泛的转角传

感器。

3.5 磁阻式角度传感器

磁阻式传感器也是基于磁电效应原理的转角传感器，它的优点是：抗噪声抗震动能力强，测量精度和分辨率高，性能稳定使用寿命长。但是由于目前对磁阻敏感元件的制作工艺技术不是很成熟，目前国内对于汽车用磁阻式传感器的研究相对较少，国外对于汽车用磁阻传感器的研究比较成功的企业也相对较少。

磁阻式角度传感器与其他类型比较有如下优势：

根据性能比较可以看出磁阻式和霍尔编码式角度传感器性能远优于其他类型，其耐污染、抗震动、抗噪声能力强的优势令其在汽车上的应用极为普遍。而磁阻式与霍尔式相比较，又具有在低磁场强度下的高敏感度及高分辨率，因此，本文选用磁阻式传感器作为EPS的转角测量元件。

本文选择的KMT32B磁阻角度测量芯片利用两个惠斯通电桥，则平行于芯片表面（X-Y平面）的旋转磁场将产生两个独立的三角函数输出信号，一个是cos2θ，另一个是sin2θ，θ即为传感器和磁场方向的夹角。KMT32B芯片内部电路电桥如图4所示：

图4 传感器电桥

图5 KMT32B输出信号

根据各向异性磁阻效应原理，两个同样的磁阻元件若与磁场夹角方向不一致，则磁阻元件的阻值随磁场方向改变的相位差与两元件的夹角成正比。而KMT32B则巧妙的利用图中简单的两组电桥输出信号摆放位置，使两路信号输出差90°相位，则两路模拟输出信号Vo1、Vo2与磁场变化角度之间关系为：

传感器这种电路设计方式的优势有效去除了计算转角θ中K值对系统测量精度的影响，且便于开发实时的角度测量系统。

图6 角度传感器三维原理图

但由于三角函数的周期性，导致该芯片计算角度时仅能实现0-180°范围内角度的测量，而汽车上如方向盘之类的器件，要求能连续旋转多圈以上，角度范围必然超过360°，甚至达到720°以上，对于EPS中方向盘系统需要360°旋转角度的测量需求尚无法满足，这就需要我们对该角度测量系统进行设计，用KMT32B完成多圈角度测量。

如图所示该装置为大齿轮啮合两个小齿轮，设大齿轮（主动齿轮）齿数为m，从动齿轮1齿数为m1，从动齿轮2齿数为m2。设主轴齿轮的行程为n周，则从动齿轮2在行程内一共转过（m*n/m2）*360°，从动齿轮1共转过（m*n/m1）*360°，为了保证主轴在整个行程的绝对角位置与2个从动齿间的角位置关系一一对应，有

2个KMT32B分别检测出2个从动齿轮的角度，根据角度差值情况就能测得主动齿轮的角度值。

根据最后换算公式可知，当从动齿轮1和从动齿轮2差值越小，该角度测量系统的量程越大，主动齿轮与从动齿轮比值越大，传感器体积越小；综合考虑转角测量系统尺寸大小，并且尽量让两个从动齿轮齿数接近，本文设定的两个从动齿轮齿数分别为17，18；既M*n

5 EPS转角测量系统设计

方向盘角度传感器能够检测到方向盘角度的变化，它是电动助力转向（EPS）系统控制器（ECU）的重要输入信号。作为EPS系统ECU的重要控制信号之一，它的输出信号精度能够大大优化和改善EPS系统的电动助力方向盘回正性能。

按照汽车EPS系统对方向盘角度传感器的测量范围和测量精度的要求，本文设计了一款基于磁阻效应的非接触式方向盘绝对转角传感器系统，采用8位飞思卡尔MC9S08DZ60单片机为核心，配合其中CAN模块设计完整的车用磁阻角传感器方案，其原理框图如下：

图7 非接触式角度测量系统原理框图

系统主要由被测部件、磁阻角度传感器、信号处理系统、单片机系统MC9S08DZ60、CAN通信网络、EPS控制系统。系统中2个磁阻元件将感受到的磁钢位置的变化经过信号预处理电路的调理后输入到信号电子处理单元中进行实时的角度计算。电子处理单元依据事先植入的绝对角度算法程序计算并输出方向盘的绝对转角。

图8 转角计算

6 实验结果与分析

按照上面设计的系统研制出实际的转角测量装置，并在相应的角度检测设备上进行了实验测试。测试分量程范围：0°～2160°，最终测量结果如表2所示。

在0°～2160°范围内进行角度测量的实验结果见表1。由表可见全角范围内，测量精度达到±0.9°。

图9 角度误差测量数据

经过多次重复试验，对数据进行分析后，如图10所示，误差基本一致，平均误差仅有±0.6°，且线性度较好。

6 结语

由表1的测量结果显示：磁阻传感器在角度测量精度能够达到一般车载EPS系统要求，且经过多次重复实验后所得数据在处理后其线性度并无较大误差，这就可以说明以该原理设计的角度传感器系统的重复性很好，传感器总体性能能够很好地满足车用传感器要求。

实验证明角度测量传感器系统具有其非接触、绝对式、大范围、小体积、高精度测量等优点，特别是其多圈角度测量的设计方案合理，值得在车辆转向角度测量中推广，相信这一思路方向发展的角度测量传感器具有良好的市场需求。

参考文献

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第2篇：电磁感应的优点范文

关键词：OME生物传感器；磁标记自旋阀

当前，磁标记自旋阀GMR生物传感器向着实时处理、多功能化、智能化、小型化、高灵敏度和准确性、易操作、低价格的方向发展。在各种生物传感器中，磁标记自旋阀GMR生物传感器具有独特的优势和更高的性价比，因此，其在市场上的前景是十分广阔和诱人的。随着各方面技术的发展和完善，对磁标记自旋阀GMR生物传感器的研究和应用将逐渐趋于成熟，其在医学、生物科技和环境检测等方面必将迎来更加广阔的前景。

一、生物传感器

生物传感器是由固定化的细胞、酶或共其他生物活性物质与换能器(如电极、热敏电阻、离子敏场效应管)相配合组成的传感器。它是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型信息技术。生物传感器是选用选择性良好的生物材料作为分子识别元件，通过埋入或简单结合的途径，通过信号转换元件将生物的或由其派生出的敏感基元与理化换能器结合起来形成的小型分析仪器。生物传感器的研究开端于20世纪60年代。1962年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器(酶传感器)的原理。

生物传感器能把生化反应非电参量转换成电信号而加以放大、显示、检测等处理，因此具有成本低、体积小、特异性能强、灵敏度高、响应速度快、选择性好、可靠性强和使用寿命长等等综合性能指标，它既适用于生物医学的研究和临床微量、超微量自动化检测与监测；又适于大容量自动化工业生产质量控制之用。生物传感器目前已成功地应用于工业、农业、环境、国防、医药、家用电器等多个领域。

1.生物传感器的基本工作原理。生物传感器通过生物分子识别部件将被感知物质的非电信号转换成可测量的电信息。生物识别元件是生物传感器的关键，它可以是酶、微生物和组织活细胞、细胞器、抗原或抗体以及某些化学受体等等。配合的生化反应包括免疫反应、表面离子体振子谐振、生物发光、酶反应、养分或毒性引起的呼吸变化等。信号转换元件选择能与生物识别元件的响应相耦联的化学或物理传感器。一个典型的生物传感器应当由生物分子识别和信息转换部件组合构成。

2.生物传感器的主要工艺。一是微电子技术、微机械加工技术；二是敏感膜固定修饰技术；三是光纤技术；四是新的封装工艺诸如阳极粘合、倒装焊接，多芯片组装等工艺。

3.生物传感器的发展。生物传感器则作为生物技术支撑及关键设备之一，必然会得到极大的发展，成为生物技术发展中出现的新产业链，它们将进一步与信息技术相结合，发展成为生物技术的数字工程。21世纪生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

二、GMR生物传感器

1988年，在法国巴黎大学物理系Fert教授科研组工作的巴西学者M.N.Baibich研究(Fe/Cr)磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁阻(Giant Magnetoresistance缩写为GMR)效应，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。这一发现，引起了许多国家科学家的关注，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热点。自此以后的十多年来，巨磁电阻效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。目前，GMR材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。

利用GMR材料制作的传感器称作巨磁阻传感器，它具有灵敏度高、探测范围宽、抗恶劣环境等优点。同时可利用半导体曝光和刻蚀工艺，使该元件集成化、小型化。其性能价格远远优于其他几种磁场传感器。本文综述一种将GMR传感器和生物技术相结合的新型传感器――GMR生物传感器。该传感器应用于生物检测领域，是一种对磁标记的生物样本进行检测的传感器。其构成有免疫磁性微球(Immunomagnetic Beads缩写为IMB)、磁灵敏度高的GMR传感器以及相关读出电路三部分。

1.免疫磁性微球。1979年，John Ugelstad等成功地制备了一种均匀性和粒度适宜的聚苯乙烯微球。将其磁化并与抗体连接后，即成为一种分离细胞效果极佳的免疫磁标记――Dynabeads。从此，免疫磁标记得到广泛应用，并引发了生物分离技术上的一次革命。免疫磁标记的主要特点有：分离速度快、效率高、可重复性好、操作简单、不需要昂贵的仪器设备、不影响被分离细胞或其他生物材料的生物学性状和功能。

免疫磁性微球，或称免疫磁标记，是表面结合有单克隆抗体的磁性微球，是近年来国内外研究比较热门的一种新的免疫学技术。它以免疫学为基础，渗透到病理、生理、药理、微生物、生化及分子遗传学等各个领域，其应用日益广泛，尤其在免疫学检测、细胞分离、蛋白质纯化等方面取得巨大的进展。

免疫磁标记技术的基本原理如下：免疫磁标记既可结合活性蛋白质(抗体)，又可被磁铁所吸引，经过一定处理后，可将抗体结合在磁标记上，使之成为抗体的载体，磁标记上抗体与特异性抗原物质结合后，则形成抗原一抗体一磁标记免疫复合物。免疫磁标记的功能基团主要与蛋白质结合，但是借助亲和素一生物素系统，还能使免疫磁标记与非蛋白质结合，如各种DNA，RNA分子等，从而使免疫磁标记发挥更大作用。

2.高灵敏度的GMR传感器。GMR传感器检测过程：首先，在传感器表面生成用于特定检测的生物探针，再使检测试液流过传感器表面，试液定的目标分子将被探针捕获，然后加入免疫磁性微球，免疫磁性微球与目标分子发生作用完成标记。

目前，由实验和理论研究所得出具有GMR效应的磁有序材料主要有四种类型：多层膜结构、自旋阀结构、磁性合金颗粒结构以及颗粒一薄膜复合结构。四种结构各有特点，而GMR生物传感器大多采用多层膜结构或自旋阀结构。

3.信号检测电路。磁电阻的变化需要转化成电信号，有两种实现方式。一是惠斯通桥路结构，另一种是采用I-V转换法。

两种方式的输出信号都是在检测信号中除去参考信号代表的背景噪声，然后将其放大。但是由于材料、器件的物理原因产生的噪声是不可能完全消除的，当检测信号非常弱时，由于信哚比太低，上述的电路无法实现对信号的读出，此时必须采用锁相放大技术才能读出信号。

目前，对GMR生物传感器的信号检测大多采用市场上常见的通用型锁相放大器，其满刻度灵敏度可达到nV量级。

三、磁标记自旋阀GMR生物传感器

随着近年来纳米材料与生物检测技术的结合，生物分子的检测也有了重要的发展，一种基于巨磁阻(GMR)效应，利用磁标记俘获和探测生物原子的磁生物传感器――磁标记自旋阀GMR生物传感器，逐渐成为研究的热点，为生物传感器的研究提供了新的发展方向。

磁标记自旋阀GMR生物传感器具有灵敏度高、生物特异性好、适于自动化分析及可实时检测等特点，在科学研究和免疫诊断应用等方面有其独特的技术价值和科学意义，因此，近年来其发展十分迅速，并且取得众多可喜的成果。

1.磁标记自旋阀GMR生物传感器的工作原理。磁标记自旋阀GMR传感器使用夹心标记法，用磁微球标记作为标记物，以自旋阀GMR磁敏感元件进行检测，其工作原理如下：

(1)被测对象磁性化：特异性抗原物质先与传感器上的一抗结合，后结合磁微球标记的二抗，即具有超顺磁性的纳米磁珠，最终结合成稳定的一抗/抗原/二抗的夹层式联合体；

(2)施加一定的驱动力(如施加梯度磁场)，除去未结合的磁珠；

(3)施加交流磁场，磁化磁珠形成磁边缘场使对磁场敏感的传感器元件的电阻值发生改变，输出响应信号，这样，由生物识别的免疫化学反应信号就可转变为物理信号输出，进而确定磁珠的具置及密度。

2.磁标记自旋阀GMR生物传感器的研究进展及应用前景。1998年，美国海军实验室的Dayid R.Baselt等人研制出了第一个磁标记自旋阀GMR生物传感器。但由于信噪比的限制，当时只能实现每80×5μm2的区域上探测到直径为2.8μm的一个磁珠。此后，世界各地的研究机构延续这种构思，大力研究和开发磁标记自旋阀GMR生物传感器，其研究思路可分为对磁珠密度的探测和对单一磁珠的探测两方面。前者用于医学诊断、免疫分析、环境检测、生物化学战的快速预警、流行性病毒的快速检测和诊断分析等领域，后者则用于细胞生物学、分子生物学、蛋白质研究等基础研究领域。

磁生物传感器在实际应用中具有广阔的市场前景，而决定其在市场上有无竞争力的一大因素就是性价比。现有的磁生物传感器包括超导量子磁强计(SQUID)、霍尔元件、各项异性(AMR)生物传感器和磁标记自旋阀GMR生物传感器等。虽然超导量子磁强计具有相对高的灵敏度，但是需要在低温下操作，而且仪器昂贵，不能大范围普及；而霍尔元件和各向异性(AMR)生物传感器因其所探测的磁场范围相对较小，也未能很好的应用。然而，磁标记自旋阀GMR生物传感器与一般磁生物传感器相比，有其独特的优势：

(1)磁阻材料的优势：一是要实现弱磁场下微弱生物信号的探测，除了灵敏度高以外，还要求磁阻材料的磁电阻率高，且饱和磁电阻率所对应的饱和磁场低。各种磁阻材料中，自旋阀GMR是磁生物传感器的理想选择；二是自旋阀GMR材料具有高交换场、低矫顽力，而且磁电阻曲线有比较大的线性范围，可实现对微弱信号的探测。

(2)磁标记的优势：一是磁标记非常稳定，不受化学反应或光漂白的影响；二是通过施加磁场，磁标记能实现在芯片上的操纵，可用以进行分子定位或识别；三是灵敏度高，有望不必通过聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)扩增即可实现生物信息从样品中的提取；四是强磁场能够移除带有磁标记的被分析物，从而确保生物传感器可重复使用。

(3)工艺方面的优势：一是磁标记自旋阀GMR生物传感器可用光刻蚀方法进行微加工；二是与IC工艺兼容，可直接将生物信息转换为电信号并加以检测，适于自动化分析，且不必依赖于昂贵、高精度的光学测量系统。

第3篇：电磁感应的优点范文

关键字：包装工程；专业建设；完整包装解决方案；电磁感应；加热技术

中图分类号： J524.2 文献标识码： A 文章编号：

包装工程是人们运用包装学知识，在社会、经济、资源及时间等因素限制范围内，为满足包装的主要功能而采取的各种技术活动。现代包装是指具有一定科学技术、艺术、经济、社会含量的包装材料、包装容器和包装操作活动的总称，这决定了包装工程是一门实践性较强的应用学科。工程实践能力需要在掌握一定理论知识的基础上，经过有目的、有计划、有组织的系统训练后才能获得。

1电磁感应加热有很多优点

先简短地介绍一下电磁感应加热的发展历史、应用及优点。1、电磁感应加热的速度比其他的媒介加热的速度快，2、电磁感应在加热的时候损耗铁屑的数量较少。3、电磁感应在加热的时候起动比较快。4、电磁感应的节能效果比较好，因为再不用的时候我们可以将电磁感应加热的电源关掉。比较环保。可以关闭，因为感应加热有启5、电磁感应的工作效率比较高，在短时间内加热就可以到达效果，可以降低成本。除此之外，感应加热还有几点好处：（1）．便于控制，易于实现自动化（2）．减少设备占地面积（3）．作环境安静，安全和洁净（4）．维护简单。正是因为电磁感应技术的很多优点，所以我们才将其用于包装工程的工作中。争取取得更大的效果最优化的结局。

2感应加热技术。

电磁感应加热法是基于电磁感应原理，当交流电流通过初级线圈(癌应器)时，环绕着线圈产生交变磁场，交变磁场在次级线圈上(金属炉料)产生感应电动势。由于此感应电动势的作用，在闭合的线圈(被加热的金属)中产生感应电流使金属加热。为中间包侧面感应加热装置。该装置中的感应器由铁芯、线圈和引入钢水的通道组成。当绻圈中通入交流电后，钢液中产生的感应电流放出焦耳热使钢水加热。在浇注初期，因中间包耐火材料吸热，应供以较大的功率使钢水迅速升温。当中间包容量为10t时，最大功率约荚1000kW。 采用中间包加热技术后，可使中间包中钢水温度相对稳定；而且利用磁感应加热钢水时，由于电磁搅拌作用，可使钢中夹杂物上浮。

据资料介绍，在5t中间包中采用电磁感应加热技术，当功率为1000kW时，升温速度司

达25。C／min，热效率为90％，可控制钢水温差在士2．5℃范围内。

2.1感应加热的基本原理

感应加热技术依靠两种能量转换过程以达到加热目的，即焦耳热效应和磁滞效应。第一种是非磁性材料，如铝，铜、奥氏不锈钢和高于居里点(即磁衰变温度)的碳钢产生热量的唯一途经，也是铁磁性金属(如低于居里点温度的碳钢)中主要产热途径。对于铁磁性金属材料，感应发热的一少部分来源于磁滞损耗。磁滞发热可以这样来解释，磁滞现象是由分子(或称磁性偶极子)之间的磨擦力导致的。当铁磁性金属被磁化时，磁性偶极子可以看成是小磁针，它随着磁场方向变化(即交流电的变化)而转动，这种来回转动所引起的发热，就是磁滞发热。交流电频率越高，磁场变化就越快，单位时间内产生出的热量也就越多。焦耳热效应是由涡流损耗产生的。涡流损耗和焦耳的表达式和直流电、交流电的能量消耗公式相同。和其它电流一样，涡流也必须有一个闭合回路。假设该电路中电压为V，电阻为R，电流为Ⅱ，由欧姆定律V=ⅡR。当电势降低时，电能就转变成热能。这种电能的转化过程类似于机械运动过程中势能的转化。势能转化过程是由于在重力作用下，物体由高处向低处落下时发生的。电势降低时产生热，其关系式可以给出。必须清楚，感应加热的机理和直流电或交流电产生的电磁场有密切的关系。对于一个带直流电的导体而言，磁场(感生磁场)的方向垂直于电流方向。距离导体越远，磁场强度越弱。磁场强度的大小和电流大小成正比。磁场极性或磁力线的方向由右手定则给出。假如直流电流过一螺旋线圈，则螺旋线圈内的场强大载流体(中心凋围的磁场(O箭头)而线圈外的强度小。2)相邻两匝线圈之间的场强很小。这是因为相邻两匝之间的磁力线方向相反，彼此互相抵消了。现在再来考虑在一个通有直流电的螺旋线圈中插入一个实心棒时磁场将会发生怎样的变化。(图2．3)如果棒是非磁性的，则磁场不受影响；反之，如果插入磁性钢棒，则磁力线的数量就会大大增加。这是因为钢的导磁率比非磁性物的导磁率大得多的缘故。实际上，在电学计算中只需要知道相对导磁率即可。非磁性物质和空气的相对导磁率都定为1，磁性的物质的相对导磁率都大于1。

3 包装工程的内容和特点

目前我国的包装主要研究和应用的重点是包装理论、技术方法、结构设计、包装测试、包装材料强度和结构; 同时发挥多科性综合大学的优势, 在计算机辅助设计、包装机械、市场营销、管理以及造型设计诸方面开展工作。 计算机与测试技术可为包装工程设计提供计算、分析、实验和数据处理的手段，以提高包装设计的质量、效率，并适应现代包装工程高速化、智能化、自动化的要求。应包括包装CAD、包装测试技术、包装自动控制等。

5结论

现代的包装工程是许多技术的综合运用，因此我们应该加强各个方面的技术的应用，从包装产品的特点，性能，运输。储藏。安全，销售等等很多方面考虑包装工程的要求。包装工程还有一个重要的步骤就是包装材料的问题。包装材料的好坏是包装完成的第一步，也是最重要的一个步骤。我们可以应用电磁感应这个技术制造歘更好的包装材料。如果包装材料都不好的话，包装的任何一部都无法进行。不仅要包装包装的安全完整，还要做到美观，包装材料的安全完整美观才能吸引消费者额眼球，我们应该以最安全完整的包装材料达到最完美的包装效果，让我们的包装发挥最大的视觉冲击。吸引更多更广的消费者。利用电磁感应这个技术为包装工程作出更好的贡献。

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第4篇：电磁感应的优点范文

关键词： 道路照明； 无极灯； 节能环保

中图分类号： U653.95 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）04-0089-01

现代化城市室外照明不仅仅是传统概念上对道路、广场功能性照明，还包括室外的纪念物、招牌广告、自然景点、建筑物、园林小品等的亮化、美化的景观照明。功能性照明是为了满足夜间视觉辨识的生理、心里需要及环境安全性提供的环境照明；景观照明则是运用灯光创造以观赏为主的艺术景观，是自然科学和美学相结合而形成的艺术化照明。

在目前全球能源警长的大环境下，我国照明用电量已占总用电量的10%-20%。按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。尤其是城市室外照明已经成为现代文明的重要标志，作为城市基础设施设计的重要组成部分，在照明功能的体现之外它注重的是灯光亮度、色彩对比、表达的是景观环境，产生的是社会和经济的价值而不是照明的本身。科学节能的城市室外照明将是一个地区文化、科技水平和经济实力的综合体现。

一、电磁感应灯的工作原理及特点

电磁感应灯又叫无极灯，其中可分为高频无极灯和低频无极灯，且低频无极灯各项指标更优。顾名思义，无极灯就是没有灯芯的灯，大家都知道普通的白炽灯是依靠灯芯（电极）的燃烧来提供照明的，包括道路照明上用的比较多的高压钠灯、汞灯等都是有灯芯的，无极灯没有灯芯，靠什么来照明呢？靠的就是电磁感应原理。在环状的灯管外套着一对铁芯，铁芯上包着绕组，当绕组通交流电后，根据电磁感应原理，铁芯周围就产生了交变的磁场，变化的磁场产生感应电流，再利用耦合震荡原理将产生的高频电压注入到真空的玻壳或玻管里，使低压汞和惰性气体的混合蒸汽产生放电，辐射出紫外线，再通过三基色荧光粉转化为可见光。正是基于法拉第电磁感应定律的工作原理，电磁感应灯才有了诸多的优点：

（1）长寿命。由于电磁感应灯没有电极，从而有效的避免了电极燃烧的损耗，寿命一般可达到6万小时以上，比普通的白炽灯长100倍，即使对比寿命超长的美国GE的高压钠灯，也要高出一倍以上（GE的高压钠灯一般标称寿命为2.8万小时）。

（2）节能。电磁感应灯的功率因数很高，一般都在0.98左右，而高压钠灯即使在加装电容补偿后，功率因数也只能达到0.85左右，因此，电磁感应灯的节能效果是毋庸置疑的。另外，电磁感应灯的发光效率达到了80-85Im|W，属于高光效，虽然比金卤灯和高压钠灯稍低，但是用于室外照明也已足够。

（3）高显色性。电磁感应灯采用三基色荧光粉，显色指数Ra>80，在夜晚色彩还原性好，可以有效的帮助司机和行人分辨各类物体，增加道路交通的安全。色温范围较广，从2700K～6400K，而且有红、绿、兰、白、黄等多种颜色可选。

（4）无眩光、无闪烁。电磁感应灯的光源多采用高频（210-230kHz）电子镇流器来驱动，无闪烁。

（5）灯功率及电源电压的范围宽。电磁感应灯的功率现在可以做到20W～250W，无论在民用还是在工业用途中，它的适用范围都可以满足要求。另外，电磁感应灯的适用电压范围极广，从85V～277V，有着较好的通用性和稳定性。

二、电磁感应灯在绿色照明的重要作用

谈到绿色照明，首先要理解它的含义，绿色照明的科学定义是：绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光控制调和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

绿色照明在我国并不是一个新鲜的课题，早在1998年1月1日，我国就颁布了《节能法》，在“十一五”规划中，绿色照明更是十大重点节能工程之一。我国的人均资源，特别是电力资源还是比较匮乏的，目前，我国照明耗电占全国总发电量的10-20%，相当于二个三峡发电站的发电量，因此绿色照明工程的节能意义就显得非常重大。

根据绿色照明的含义，除了科学的设计外，采用什么样的照明电器产品在绿色照明中有着举足轻重的作用，光源是能量转换成光的器件，是实施绿色照明的核心。对照“效率高、寿命长、安全和性能稳定”的要求，我们可以发现，无论在光效、寿命和安全稳定性方面，电磁感应灯都具有良好的表现，是绿色照明光源的绝佳选择。

三、电磁感应灯的发展及推广应用

电磁感应灯既然有如此众多的好处，那么为什么不大力推广加以使用呢？我分析原因有以下几点：

（1）电磁感应灯的推出时间不长，还没有被广大的使用者所了解。电磁感应灯目前还仅仅只是在专业的使用者中得闻其名，至于众多的使用者，根本是闻所未闻。

（2）电磁感应灯的价格不菲，目前还处在一个比较高的地位，和自镇流式的节能灯及路灯所用的高压钠灯相比，虽然有着众多的优点，不过短时间内还难以被广泛使用。

（3）电磁感应灯的质量还有待提高，国家标准亟待出台。目前，国家对于电磁感应灯还没有出台相应的标准，电磁感应灯的生产厂家良莠不齐，标准不一，导致用户对电磁感应灯的信任度不够，没有推而广之的积极性。

（4）电磁感应灯的灯具和安装方式和现有的路灯灯具不统一，不利于旧灯改造。

电磁感应灯要发展，可以采用试点工程的方式加以推广。在新建道路的路灯安装中，可以整条道路使用电磁感应灯，这样，即能够达到整条道路的和谐统一，也可以方便统计数据，查看节能效果，使广大使用者和人民群众能够了解电磁感应灯的节能功效，无形之中宣传了电磁感应灯的良好效果，配合完成了国家有关绿色照明示范岗工程的要求，达到一举多得的效果。

推广应用的方法：

（1）加大宣传力度，提高全社会绿色照明意识。要广泛深入持久开展绿色照明的宣传，提高全民的资源忧患意识和节约意识，增强全社会的照明节能意识和可持续发展意识。要充分利用新闻媒体和各种宣传手段大力宣传节约资源和保护环境是基本国策，大力宣传实施城市绿色照明工程的意义和目标任务，大力宣传绿色照明示范工程的成效和经验。通过各种生动活泼的宣传教育，吸引全社会广泛参与，使绿色照明工程逐步成为全社会的共同意识。

（2）坚持技术创新，推广普及绿色照明工程，要在满足城市照明的功能需要的基础上，坚持科技创新，加大设施投入和新技术、新光源的推广应用，做到安全可靠、科学合理、经济实用、维护方便，提高城市绿色照明的效率。在新建和改造过程中严禁和杜绝使用高耗能、低寿命、光污染严重的灯具和光源。推广使用高光效、高寿命、节能环保（如：无极灯）等的应用，保证城市照明功效达到节能效果。

（3）建设一批绿色照明示范工程，提升城市照明品位，全面推行具有环保、节能和人文特性的绿色照明工程。

第5篇：电磁感应的优点范文

【关键词】 流量传感器;直流励磁;交流励磁;低频波励磁

一、电磁流量计的基本原理

电磁流量计是一种测量导电液体体积流量的仪表,它是利用法拉第电磁感应定律制成的。我国从五十年代初开始,将电磁流量计实现了工业化应用。近年来,在世界范围内电磁流量计的产量一直处于工业流量仪表产量的重要地位。大体上说,电磁流量计是由流量传感器变送器组成。流量传感器是把流过管道内的导电液体的体积流量转换为线性电信号。变送器是由励磁电路、信号滤波放大电路、A/D采样电路、微处理器电路、D/A电路、变送电路等组成。其转换原理即法拉第电磁感应定律,也就是导体通过磁场,切割电磁线,产生电动势。流量传感器的磁场是通过励磁实现的,现在大多流量传感器采用低频方波励磁。在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时,则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过橡胶,特氟隆等不导电的内衬实现与流体和测量电极的电磁隔离。

二、电磁流量计的分类

1.电磁流量计可以分为分体型电磁流量计和一体型电磁流量计。分体型电磁流量计简单地说是一种感应式仪表,是根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量。采用了单片机嵌入式技术实现数字励磁,在电磁流量计上采用CAN现场总线。分体型电磁流量计在满足现场显示的同时,还可以输出四到二十毫安的电流信号用于调节、记录和控制,现广泛地应用于各种工业技术和管理部门。分体型电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外,还可测量液固两相流,高粘度液流及盐类、强酸、强碱液体的体积流量。

2.一个均匀恒定的磁场的产生需要选择最为适宜的励磁方式。根据励磁电流的方式划分,主要有直流励磁、交流励磁、低频方波励磁三大类:第一类是直流励磁。它用直流电或采用永久磁铁产生一个恒定的均匀磁场。这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小,因而可以忽略液体中的自感现象的影响。但是使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化,即电解质在电场中被电解,产生正负离子,在电场力的作用下,负离子跑向正极,正离子跑向负极,这将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围,严重影响仪表的正常工作。直流励磁一般只用于测量非电解质液体,如液态金属流量等;第二类是交流励磁。工业上使用的电磁流量计,大多数采用工频五十赫兹电源交流励磁方式产生交变磁场,避免了直流励磁电极表面的极化干扰。用交流励磁会带来正交干扰、同相干扰、零点漂移等一系列的电磁干扰问题。现在交流励磁正在被低频方波励磁所代替;第三类是低频方波励磁。低频方波励磁波形有二值和三值两种,其频率通常为工频的二分之一到三十二分之一。低频方波励磁能避免交流磁场的正交电磁干扰,消除由分布电容引起的工频干扰,抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流,排除直流励磁的极化现象。

三、电磁流量计的优缺点

1.电磁流量计的优点。第一,电磁流量计的传感器结构比较简单,是流量计中运行能耗最低的流量仪表之一。在测量管内没有可动部件和阻碍流体流动的节流部件,当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失;第二,可测量腐蚀性介质、赃污介质及悬浊性液固两相流的流量。这是由于仪表测量管内部无阻碍流动部件,与被测流体接触的只是测量管内衬和电极,其材料可根据被测流体的性质来选择;第三,电磁流量计是一种体积流量测量仪表,在测量过程中,它不受被测介质的温度、粘度、密度以一定范围的电导率的影响。电磁流量计只需经水标定后,就可用来测量其它导电性液体的流量;第四,电磁流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比,与对称分布下的层流或湍流状态无关。电磁流量计的量程范围非常宽可以达到一百比一,高一点可以达到一千比一的可运行流量范围;第五,电磁流量计无机械惯性,反应灵敏,可以测量瞬时脉动流量,也可测量正反两个方向的流量。

2.电磁流量计的缺点。:第一,不能用来测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体;第二,不能用来测量电导率很低的液体介质,电磁流量计还不能测量石油制品或有机溶剂等介质;第三,不能用于测量高温介质。目前受到普通工业用电磁流量计测量管内衬材料和电气绝缘材料的限制;第四,电磁流量计容易受到外界电磁干扰的影响。

电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程,中小口径常用于高要求或难测场合。电磁流量计一定要安装在管路的最低点或者管路的垂直段,才能保证电磁流量计的使用和对精度的要求。

参考文献

第6篇：电磁感应的优点范文

1主电路优化前我公司使用的工频感应炉主电路。该电路设计为二个主接触器(分别是KM1和KM2)来控制工频感应加热炉电源的通与断，在通电一瞬间KM2吸合，将电源从平波电阻器R3接入，几秒钟后KM2断开，KM1接通，电源从这个接触器接入工频感应炉。其中R2为平衡用电抗器，Cn1为平衡用电容组，Cn2为补偿电容组，Rn为工频感应炉线圈组。2控制电路工频感应加热炉的控制电路。在工频感应加热炉工作时，首先继电器KA2接通，驱动接触器KM2接通，电压由平波电阻器R3接入工频感应加热炉加热线圈，经过一定延时后，继电器KA1带电，驱动接触器KM1将电源接入工频感应炉线圈组。当电路接通后，三相电源经平衡电抗器和平衡电容器后改变为两相电源，供给工频感应炉线圈组。3励磁电路磁性调压器具有在带负荷情况下，改变控制绕组电流就能实现无级调压，因此工频感应加热炉广泛采用磁性调压器进行调压。磁性调压器调压的原理是控制变压器绕组的直流控制电流，从而控制磁调二次电压的变化，进而达到调整电炉工作电流的目的。当直流控制电流增大时，磁调二次电流随之增大，励磁回路。当变压器侧高、低压接通，启动信号给予后，KM3吸合;电压经平波电抗器后，加在可调调压器两端，经可调调压器调压后送给桥式整流装置整流成直流后送给磁性调压器，实现对控制变压器绕组的直流控制;进而控制磁调二次电压的大小，实现对工频感应加热炉工作电流的调整。

二、电路优化设计

1优化后的主电路优化前的工频感应加热炉主电路的电源设计为两相工作模式。为了使电网平衡，采用了平衡电抗器和平衡电容器进行三相平衡供电的方式进行工作，加热效率低，且只适用于加热一种规格的铜铸锭。如果加热不同规格的铜铸锭则需要在更换工频感应炉线圈组的同时，需要调整与其对应的平衡用电抗器和平衡用电容器组。由于平衡用电抗器固定较牢固，安装空间相对来说比较狭小，调整拆卸难度较大，导磁块之间的间隙很难调整到最佳效果。因此考虑将工频感应炉设计为三相供电加热方式，省去平衡用电抗器及平衡用电容组，增加功率因数补偿电容组，此种工作方式下电容的匹配、调整方便、实用。优化后的主电路，KM1、KM2、KM3为主接触器，R4为平波电阻器;Rn1、Rn2、Rn3为工频感应炉线圈组;Cn1、Cn2、Cn3为与工频感应炉线圈组对应的补偿电容组。优化后的电路设计为三个主接触器(分别是:KM1，KM2，KM3)来控制工频感应加热炉电源的通与断，在通电一瞬间KM3吸合，将电源从平波电阻器R4接入，几秒钟后KM3断开，KM1与KM2接通，电源从这两个接触器接入工频感应炉。这样的好处有两个:一是防止有接触器坏掉影响工频感应炉的正常工作;二是可以分流，由于工频感应炉的工作电流大，如果直接入一个接触器的话电流全部从其触头流过，会减少其使用寿命，接入两个接触器后其使用寿命大大提高。2优化后的控制电路优化后的控制电路，除了控制主电路的电路外，增加了控制补偿电容的电路。当工频感应加热炉功率因数低时，可根据其功率因数，选择向主电路中接入补偿电容器组数，补偿电容器组的选择由转换开关来完成。电容器组总共有三组，可分三种方式接入电路即:接入一组、二组、三组，经调试后证明，优化后的电路更能满足生产所需。3优化后的励磁电路由于常用调压装置采用可调磁性调压器反应慢，且长时间使用后接触不好容易起热，影响工频感应加热炉加热的可靠性和效率，遂对励磁电路进行优化。优化后的励磁电路，该电路采用脉冲触发控制器的脉冲电压改变可控硅K1、K2导通角的大小，从而实现对励磁电压大小的改变。这种励磁电路改变传统调压采用手轮式调压器进行调压的方式，采用电位器RP对脉冲触发控制器的脉冲进行调整，进而实现工频感应加热炉加热电路电压高低设定。脉冲触发器在工作时，对电源输出的交流信号经双半波整流后，通过同步整形环节变成方波;经锯齿波发生器变成与电源同频的锯齿波同步信号后，与电位器RP输出的控制信号比较，产生相应的控制脉冲;经脉冲变压器后去触发可控硅的导通角，改变输出直流的大小，控制磁性调压器二次电压的变化，从而达到调整工频感应加热炉工作电流的目的。脉冲触发器中J1、J2间接入工频感应加热炉线圈温度测试传感器信号，实现超温保护。4励磁电路控制电路优化前后，励磁电路都用同一个控制电路，控制电路。低压侧只有高压侧接通后才能接通，调压只有在高压侧和低压侧接通后才能够启动。这样的好处是可以防止操作者不按工作要求，直接启动工频感应炉，其接通电源时的电流反冲将变电所的电源闸刀顶开，发生停电故障。

三、加热效果

为了比较电路优化前后工频感应加热炉的加热效率，分别计算不同规格的铜铸锭在相同加热条件下加热至生产工艺温度所需时间。采用工频感应加热炉加热相同规格的铜铸锭，电路优化前与优化后相比，每加热一段铜锭平均需多用约9min，升温时间也需多用9min左右，说明电路优化后工频感应加热炉加热效果更好、更节能。

四、结论

第7篇：电磁感应的优点范文

一、利用“实验方案”提炼表格设计

设计探究感应电流方向所遵循规律的实验时，为了方便研究，可以线圈为研究对象，将线圈和电表连接成一个回路，观察磁铁插入、拔出线圈时，电表指针的偏转情况。

学生讨论，实验中磁铁相对线圈的动作有几种方式？学生相互交流后，得出磁铁的动作有“N极插入、拔出，S极插入、拔出”等四种，可设计表格，如表一。

通过表格设计，可引发师生、生生相互交流，促进学生对问题的参与和讨论，为学生的探究学习拓展思维空间。设计时需注重物理量、物理现象的分类整理，如表格设计时，应注意示意图要简洁、直观、形象等。利用表格对表中的示意图进行对比，进而方便归纳概括相关的物理知识，为学生运用简洁的语言得出物理规律提供平台。

二、利用“探究猜想”丰富表格

当磁铁N极在下方时，无论其插入或拔出线圈，磁场方向向下；当磁铁S极在下方时，无论其插入或拔出线圈，磁场方向向上。而当磁铁插入线圈时，无论是N或S极，穿过线圈的磁通量增加；当磁铁拔出线圈时，无论是N或S极，穿过线圈的磁通量减小。通过观察演示实验，其现象表明改变磁极或动作方式，感应电流的方向会随之发生改变，即猜想感应电流的方向和磁场方向、磁通量的变化等因素有关。

学生讨论，实验中需观察和研究的物理量或现象有哪些？相互交流得知有“磁场方向、磁通量的变化和感应电流的方向”，可在表一的基础上继续丰富表格。学生通过合作、实验，完成表格记录，如表二。

通过表格设计，学生在已有的知识和经验的基础上进行猜想，用高度概括的符号和文字，简明扼要地把各物理量间的复杂关系简单化，复杂知识系统化，为进一步的探究提供精简的学习材料。表格记录，数据集中、条理清晰、对比性强，便于分析得到各物理量间的规律，同时也能使学生多角度、全方位地认识、理解和掌握这些相互关联的概念、规律。

三、利用“添加内容”来完善表格设计

通过观察表格记录，发现本次实验记录的，并不是定量数据，而是一些定性关系：向上和向下、增加和减少、顺时针和逆时针，其中的规律似乎不易直接发现。表格中，第四项要研究的物理量是“感应电流的方向”，可否为其找到一个与上面“磁场方向”或“磁通量变化”类似的中间量，再来进行比较，寻找规律。

学生讨论，感应电流的周围存在什么？相互交流得到感应电流的周围存在磁场。为了方便研究讨论，表格中的“磁场方向”和“磁通量的变化”前加上“原”字，以示区别，可在表二的基础上继续丰富表格。学生再利用安培定则，完成表格记录，如表三。

通过表格设计，培养学生从表格中获取有价值信息的能力，学生也能深刻地理解其探究的问题，领悟探究活动中的精髓，从而把前后各部分知识点联系起来，形成一个有机的整体，同时共享他人的观点，弥补了自己元认知策略中的漏洞，这样有利于学生更好地理解物理现象背后的内涵和规律。

四、利用“删减内容”优化表格设计

对表格中各物理量间的关系进行比较，常用的方法是控制变量法。观察此时表格记录，由于项目、内容较多，分析起来有一定难度，需要对表格作进一步的优化。

学生讨论，如何对表格进行简化处理呢？相互交流得到“感应电流的磁场方向”与“原磁场的方向”进行比较更统一协调，则可将表三中的“感应电流的方向”这一行删除，如表四。学生通过对表格记录横向及纵向对比得到：表中第二、三列表明感应电流的磁场阻碍了原磁通量的增加，即“增反”；表中第四、五列表明感应电流的磁场阻碍了原磁通量的减小，即“减同”，最终简洁而深刻的揭示了感应电流方向所遵循的规律，即“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”，得到楞次定律。

第8篇：电磁感应的优点范文

风能作为最干净的可再生能源，蕴含量巨大，取之不尽，用之不竭，早已成为全世界范围的研究热点。笼型转子感应电机因其具有价格低廉、结构坚固简单及可靠性等优点，已成为独立电源和风力发电系统的重要选择之一[1,2]。而定子双绕组感应发电机（DWIG）作为笼型转子感应发电机中的一种，它具有的独特电机结构和诸多优点，克服了传统单绕组笼型转子感应电机发电系统的诸多不足，亦受到越来越多国内外学者们的密切关注[3-6]。

DWIG有两套定子绕组：一套称为功率绕组，用于输出发出的电能；一套称为控制绕组，用来控制电机内部的励磁，两套绕组之间无电气连接，仅靠磁耦合，易实现高性能的控制[3]。功率侧绕组接交流励磁电容，通过整流桥负载输出直流电，控制侧绕组接入滤波电感消除控制侧SEC的开关管通断引入的谐波以改善电流波形，通过对SEC的控制来实现连续调节电机内部磁场，使系统输出稳定的直流电压[4-6]。DWIG发电系统在恒速以及变速运行下的舰船、坦克以及飞机电源上的应用均取得了一定的研究成果[5-9]，同时，DWIG发电系统在风力发电上应用的研究也已展开[10-12]，并且针对当前各种机型的风力发电系统无法充分利用低风速下风能的不足，提出了新的拓扑和控制策略，使得系统在很宽的风速范围内均能输出额定的高压直流[13]。

宽风速运行的DWIG风力发电系统，与双馈感应电机（DFIG）风力发电系统相比，其优势在于两系统励磁控制器容量相当的前提下，笼型转子结构更坚固，无电刷和滑环、易维护，且系统的输出为直流电能，相对于输出恒频交流电的DFIG而言，更适合于采用直流输电的海上风力发电[14]；与直驱式永磁电机风力发电系统相比，优势则在于弱磁控制的能力以及发电机本体和励磁控制器（相比于永磁发电机侧的控制变换器）的成本优势。因此，DWIG风力发电系统若要具备更强的竞争力，除了宽风速范围运行的能力以外，对系统成本影响较大的SEC容量大小讲起着决定性作用。

文献[6,9-11]均以变速运行下的DWIG发电系统SEC容量最小为目标，分别进行了励磁电容的优化设计。文献[6,9]主要对全转速范围恒功率运行（最低速设计为额定转速）的独立电源系统展开研究，未考虑额定转速以下的情况和原动机特性；文献[10,11]则针对于DWIG风力发电系统，兼顾了恒功率区转速以下运行情况以及风力机（原动机）的功率特性，但是全文只针对功率绕组侧输出电能的运行方式，未对系统在宽风速下运行尤其是低风速下运行的控制及优化作进一步的探讨。

本文从宽风速范围运行DWIG风力发电系统的实际运行控制要求出发，结合发电机的功率输出特性，分析了系统在宽风速运行时控制侧SEC的电流变化规律，以SEC容量最小为目标，得到适合于该系统的励磁电容优化方案，并在一台37kW/1500r/min的DWIG样机上进行了实验验证。

2系统构成和工作原理

DWIG风力发电系统主要由风力机、一级增速齿轮、DWIG、SEC等主要部件组成，风力机经一级增速齿轮箱拖动DWIG至发电状态运行，将风能转化为电能。功率侧绕组接交流励磁电容，通过整流桥输出直流电，控制侧绕组与SEC之间接有滤波电感，由SEC控制发电机内部磁通，使得系统变速变负载情况下输出稳定的直流电压。为了充分利用低风速下的风能，利用控制侧绕组经SEC发电，输送至SEC直流母线，拓扑采用控制侧SEC的直流母线经功率二极管与功率侧整流桥并接输送电能的方式，具体的系统结构框图如图1所示。

图1所示的新拓扑使得DWIG风力发电系统在很宽的风速范围内都能输出稳定的直流电压，充分利用低风速下的风能[13]。系统在低风速下运行时，由于发电机的转速较低，功率侧绕组的端电压无法达到额定电压的要求，因此通过控制侧SEC的泵升作用，利用电机控制绕组的自身漏感和滤波电感作储能，将SEC的开关管信号为零矢量时存储的能量在非零矢量时泵升至直流母线侧，使其端电压达到指令值，发出的电能通过SEC的直流母线端经并联二极管往外送出。为了使DWIG具备良好的带载能力，此时需维持发电机内部的磁通恒定。

当风速逐渐上升，直至功率侧绕组端电压提升达到指令值时，由功率侧的整流桥往外输出电能，并联二极管被阻断，此时由并联的交流励磁电容和SEC共同向电机提供需要的励磁无功，SEC的调控功能是维持其自身直流母线电压恒定不变的同时，调节输出的励磁无功维持系统输出直流电压恒定。

3励磁电容的优化

特定的风力机在一定风速下，都存在一个最大功率输出点，因此发电机输出功率也会有一个最大点。将所有不同风速下的最大输出功率点连接起来，即可得到发电机最优输出功率曲线，如图2所示。

DWIG系统所需的励磁无功容量主要取决于发电机参数、转速范围、负载等因素[9-11]，在发电机参数、转速范围等这些因素都确定的情况下，DWIG风力发电系统运行于图2所示的最优输出功率曲线上，选择不同大小的励磁电容必然会影响SEC工作时的电流大小：如果选择过小，系统在低速运行时SEC需要提供过大的励磁无功；选择过大，高速运行时会产生大量多余的励磁无功需要由SEC吸收。

因此优化选择一个合适的励磁电容值，可以使得SEC容量最小化。

3.1系统励磁电容优化的难点

由图2所示，本系统以高低风速运行状态的切换转速ns为分界点，形成了两段不同的运行区间：一为低风速区ABC段，包含风力机的起动、系统建压以及低风速运行，此阶段由控制侧SEC直流母线端输出电能，功率侧的整流桥被阻断，由励磁电容和SEC共同提供励磁无功以维持电机内部磁通恒定，此时因发电机频率低，励磁电容低频下提供的励磁无功电流较小，励磁无功由SEC提供，因此该运行区间内控制绕组电流的大小取决于励磁无功电流分量与有功电流分量的合成，根据发电机转速与输出功率之间的特性关系，可知两种运行状态之间的切换转速会影响有功分量的大小，继而也会影响励磁电容的优化选取；二为高风速区CDE段，包括部分额定转速以下以及超过额定转速的弱磁区，此时系统从功率侧输出电能，由SEC吸收励磁电容提供的过多的励磁无功，以此来调节电机内部磁通，从而稳定输出的直流母线电压，此时控制侧SEC的有功损耗只占很小一部分，因此无功电流分量在控制绕组电流中占主要成分。

综上所述，本文研究的宽风速运行的DWIG风力发电系统，与文献[10,11]研究的系统在拓扑和控制上有非常大的不同，造成了系统存在着另外几个影响励磁电容优化选取的关键点如下：一是系统存在两种运行状态，在有功和无功电流已解耦的情况下，高低风速两种状态下控制绕组电流中有功和无功分量的组成完全不同，造成了文献[10,11]中的优化原则对于本系统完全失去了作用，必须针对本系统探讨新的优化原则；二是何时从低风速运行切换至高风速运行，即两种运行状态之间切换时机的选择将会影响励磁电容的优化选取；三是如何将高低风速两种运行状态不同控制方式下的控制电流综合起来考虑励磁电容的优化，选择一个合适的方案。

3.2控制绕组电流的计算

下面针对两种不同的运行状态，分析控制电流的组成。为了简化分析，忽略定子绕组之间互漏感的影响，且只考虑系统的基波分量。假设负载为阻性，以RL表示，其中p,s,r分别代表功率绕组、控制绕组和等效的转子绕组。两种运行状态下的DWIG电机数学模型均相同，不同之处在于各自运行状态下电机发出的电能由何处输出，由此导致系统的等效电路与相量图与之前拓扑的系统有所不同。低风速下运行时，由控制侧SEC的直流母线输出电能，参考文献[9]的DWIG数学模型，此时系统的等效电路与相量图如图3所示。由图3a所示等效电路，根据基尔霍夫电流定律，可得各电流之间关系为由图3b所示相量图，可得mI的幅值与各电流的幅值关系为将上面各式全部代入式（2），得化简可得控制绕组电流中的励磁无功电流分量为最终控制电流可表示如下发电状态下s为负值，依据参考文献[9]，可得式中Pe——转子侧传递到定子侧的电磁功率。由式（4）～式（6）可得低风速运行状态下不同转速和负载下控制绕组电流的大小。系统在高风速下运行时由功率侧的整流桥输出电能，此时由于控制侧的有功损耗很小，可忽略不计，SEC提供的调节电机内部磁通的励磁无功电流可看成是一个可控电流源，依据参考文献[6]，控制绕组电流为由式（6）和式（7）可得高风速运行状态下不同转速不同负载下控制绕组的电流大小Is。

3.3励磁电容的优化原则

根据上面的计算与分析，可得到低风速区ABC段和高风速区CDE段控制绕组电流随电机转速的变化规律，如图4中曲线1，2所示，曲线定性地给出了两种运行状态下的电流变化趋势，曲线2中的负值电流表示此时SEC正从发电机抽取过多的励磁无功。而图中曲线3表示电机转速变化时励磁电容可提供的无功电流变化趋势。从控制绕组电流变化规律可以看出，低风速区控制绕组电流随转速呈现单调性变化，高风速区电流会出现减小至零再增大的变化过程，因此控制绕组电流最大值出现在低风速区运行段切换转速时（图4中A点）和高风速区运行段的高速满载时（图4中B点），即控制绕组最大电流Ismax可表示为通过选取一个合适的励磁电容值，使得控制侧绕组电流在A点和B点的值能保持：|Is|=|Ih|，即可使得控制绕组最大电流达到最小值，SEC容量达到最小。

4系统优化励磁电容的选取

下面在Matlab的Simulink环境下分别针对低风速运行状态下不同运行转速以及高风速运行状态下高速满载情况时的控制绕组电流变化分别进行仿真，以此寻找出最佳的切换转速及最优的励磁电容值。

4.1励磁电容大小对控制绕组电流的影响

本文用于仿真和实验研究的37kW3/3相DWIG样机的相关参数为：Rp=0.78，sR=0.535，rR=0.384，Llp=5.84mH，lsL=4.38mH，lrL=2.86mH，Lm=165.5mH，极对数p=2，额定转速n=1500r/min，最高转速nmax=2000r/min；功率侧输出额定电压600V（发电机转速需达到1000r/min以上）；功率绕组和控制绕组的有效匝数比Ns:Np=52:60。控制策略仍延用数字电流滞环控制[6]，仿真时以阻性负载来代替对应的发电机输出功率。根据式（4）～式（7），对低风速运行状态下500～1400r/min以及高风速运行状态下2000r/min满载两种情况，分别进行了不同励磁电容大小的仿真，由此得到的控制绕组电流Is变化规律如图5所示。图5中曲线簇Is1和曲线Is2分别表示低风速运行状态下不同转速以及高风速运行状态下高速满载时的控制绕组电流变化规律，励磁电容大小从100～300F，每5F为一间隔。曲线Is2为曲线Is2关于x轴的对称曲线，它与曲线簇Is1的交点可表示为不同转速下当励磁电容为某一值时，控制绕组电流在整个工作过程中正向最大电流与负向最大电流相等。而本实验样机设计时在1000r/min以后才能输出额定电压600V，即1000r/min以下输出额定电压必须以低风速运行状态运行，从控制侧SEC直流母线端输出电能。因此结合上面得到的仿真结果，可初步确定|Is|=|Ih|所对应的最佳切换转速与最优励磁电容在图5中四边形区域内，其左侧边界点分别对应为1000r/min，205F，|Ih|=15A。

4.2励磁电容的优化选取

由低风速运行状态切换至高风速运行状态时，发电机的输出功率与转速之间仍然要满足发电机最优输出功率特性，且必须切换平滑，无冲击及扰动，因此切换转速的选取尤为重要，在切换后此转速下功率侧必须仍然具备输出所需最优功率的能力。仿真结果是理想化的，未考虑系统中的非线性因素，但是可以作为优化选取的参考。本文在仿真结果的基础上，结合了循环计算和实验验证的方法来获取最佳切换转速和最优励磁电容值，其流程图如图6所示。以边界点1000r/min、205F为起始参考条件，判断约束条件|Is+Ih|≤和Pout≤Popt(n)，当不满足条件时，循环叠加对应的C和n，直至找到最优的励磁电容值和最佳切换转速。其中Popt(n)表示发电机最优输出功率曲线上转速为n时对应的输出功率值。采用图6所示的方法，经过若干次循环计算和验证之后，可求得优化励磁电容值Copt=235F，ns=1100r/min，此时控制绕组的正向最大和负向最小电流都约为18A。

5实验研究

在实验室一台37kW的DWIG风力发电系统样机上对前面理论分析和仿真优化选取的结果进行实验验证。采用西门子MM440变频器驱动一台普通三相交流异步电机来模拟风力机[15]。实验时负载采用自制的并网逆变器，效率达99%，THD＜5%，输出的有功功率给定遵循DWIG的最优输出功率曲线。SEC选择飞思卡尔MC56F8346DSP作处理器，硬件由MitsubishiIPM模块构建，控制周期为100s，滤波电感为4mH，励磁电容为235F。

实验中DWIG的最优输出功率与转速的对应关系满足风力机的特性，转速变化范围为500～2000r/min，每隔100r/min给出对应的发电机输出功率及控制绕组电流大小，具体实验结果如图7所示，其中控制绕组电流值以有效值表示。系统在500～2000r/min转速范围内能运行稳定，切换速度下控制绕组电流正向最大值与高速满载抽取励磁无功时负向最大电流基本相等，约为17.5A，SEC容量约为额定功率的31%，与原拓扑的DWIG风力发电系统的优化结果相比（文献[6]给出的结果为37%，文献[11]中为33%），基本相当，从而也验证了优化方案的正确性和有效性。

图8给出了几个典型运行转速下的实验波形。图8a为原动机转速上升到500r/min时系统在蓄电池的辅助励磁下建压运行（输出DC600V额定值）的波形。待建压完成后，系统按最优输出功率曲线运行，在转速范围（500～1100r/min）内为低风速运行状态，通过电压泵升原理由控制侧SEC直流母线端输出电能。图8b为1000r/min时输出8kW功率的实验波形，此时SEC向发电机提供少量励磁无功以维持发电机内部磁通恒定以保证其足够的带载能力，控制绕组电流主要取决于其有功分量，这时的控制绕组线电流有效值约为16.1A。当转速达到1100r/min后切换为高风速运行状态，发电机的输出功率约为12kW时，由功率侧整流桥输出电能，整个变速运行过程中，输出的直流母线电压（即并网逆变器的直流侧电压）均能保持稳定，实验波形如图8c所示。当转速较高时，励磁电容提供的励磁无功超出了发电机所需，SEC必须抽出多余的部分，图8d给出最高转速2000r/min输出额定功率时的系统电压和电流波形，此时控制绕组电流有效值约为17.3A。

第9篇：电磁感应的优点范文

[关键词]电磁带隙结构 天线设计 应用

中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0025-01

上世纪80年代末。美国的科学家提出了电磁带隙结构，这种新的前沿问题从出现开始就一直是相关领域专家、学者研究的重点。在天线设计领域中，电磁带隙结构相比于一般的材料而言，具有一定的优势。首先，在天线设计中使用电磁带隙材料可以有效降低表面波和介质波模产生的损耗。其次，使用电磁带隙材料还可以提高天线增益。总之，将电磁带隙结构应用于天线设计中是比较合理的。因此，进行有关电磁带隙结构及在天线设计中应用的研究是具有实际应用价值的。本文将从介绍多频带和小型化电磁带隙设计入手，介绍谐波抑制和陷波特性的印刷天线设计。

1 多频带和小型化电磁带隙设计

电磁带隙结构相比于其它同类结构而言具有一定的独特性，从而也吸引了大批的学者对其进行深入研究。随着电磁带隙结构在相关领域中应用的不断普及，为了满足不同的设计要求，各种新型的电磁带隙结构层出不穷。其中，多频带电磁带隙结构的出现是为了满足不同频带的应用需求。而小型化电磁带隙结构的出现则是为了提升阵列天线的性能。下文将对这两种新型的电磁带隙结构做具体的介绍。

1.1 蘑菇状电磁带隙结构分析

蘑菇状电磁带隙结构一般使用正方形的贴片，是由周期单元的谐振或共振机制产生的带隙特性。通过实验可以判断蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和其参数之间的关系。在实验的过程中，一般都是改变其中的一个常数，使其它参数保持不变。例如，想要观察电磁带隙贴片的边长对其频率带隙的影响，则只改变电磁带隙的边长，其它参数不变，观察实验结果。实验过程中，分别改变蘑菇状电磁带隙结构的贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数、缝隙间距以及连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径。最终实验结果显示，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数成反比关系，即当贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数三个参数增大时，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙是减小的。而蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和电磁带隙的缝隙间距、连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径是成正比关系的。即当电磁带隙结构的缝隙间距、连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径增大时，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙是增大的。在实际应用的过程中，为了满足相关设计要求，通常会同时改变其中的几个电磁带隙结构参数。

1.2 多频带电磁带隙结构设计

我们知道，电磁带隙结构的谐振会产生频率带隙。如果想要实现多频带电磁带隙结构，则会需要使用多个谐振回路。在本文中，为了满足多个谐振回路的要求，在电磁带隙贴片上开出细槽。在电磁带隙贴片上开细槽的具体方法如下。要在贴片对角线的位置上开出四个细槽，然后再在正方形贴片的四个边上开细槽，每一条边上开出两个细槽。多个谐振回路的产生主要通过腐蚀贴片上的细槽来实现。在形成多个谐振回路后就构成了一个多频带电磁带隙结构。如图1：

1.3 小型化电磁带隙结构设计

首先，介绍螺旋地板的小型化电磁带隙结构。螺旋地板的小型化电磁带隙结构相当于并联的LC谐振电路。如果想要将电磁带隙结构的尺寸变小，则要增加等效的电容或者是增加等效的电感，这样才能够有效降低谐振频率。蘑菇状电磁带隙结构介质的磁导率和介质厚度将会影响蘑菇状电磁带隙结构的电感大小。而螺旋地板电磁带隙结构是在蘑菇状电磁带隙结构的基础上设计出来的，相比于蘑菇状电磁带隙结构多了一个额外电感，这样可以降低谐振频率。螺旋地板电磁带隙结构的谐振频率和额外电感成反比，即当额外电感增加时，谐振频率会减小。

可以利用仿真技术来对比蘑菇状电磁带隙结构和螺旋地板电磁带隙结构的性能。通过仿真实验发现，螺旋地板电磁带隙结构带隙频率在1.95GHz和2.81GHz之间，要低于蘑菇状电磁带隙结构的带隙频率。对于螺旋地板电磁带隙结构而言，如果想要降低带隙频率则需要增加电感值和减小螺旋臂宽。但在工程实践过程中，这种方法是比较难以实现的。因此，为了实现降低螺旋地板电磁带隙结构带隙频率的目的，则可以在两个螺旋地板电磁带隙结构中增加电感，即电感加载的螺旋地板小型化电磁带隙结构。

2 谐波抑制和陷波特性的印刷天线设计

微带天线具有一定的优点，同时也具有一定的缺点。微带天线的优点就是重量比较小、体积小、经济成本低、易集成。也正是因为微带天线具有这样的优点，才被广泛地应用相关领域中。例如在卫星通信、生物医学、环境检测等领域中均有使用微带天线。但微带天线也具有带宽比较窄、损耗大的缺点。如果是微带天线和射频器件集成使用，则谐波辐射不仅能会造成微带天线能量损耗，同时还会干扰射频器件。通过使用电磁带隙结构可以有效抑制谐波辐射，减少对射频器件的干扰。

电磁带隙结构的谐振可以阻断谐波附近电磁波的传播，进而形成频率带隙。电磁带隙结构的谐振有两种形式，一种是自谐振，即电磁带隙结构单元自身产生的谐振，另一种是互谐振，即电磁带隙结构单元和其它单元之间通过相互作用产生的谐振。在一些比较特殊的情况下，这两种类型的谐振可以同时存在，但其中只有一种起主要作用。蘑菇状电磁带隙结构可以产生自谐振和互谐振，其中互谐振起主要作用。共面紧凑型电磁带隙结构产生的是互谐振。哑铃型DGS（电磁带隙结构的衍生物）产生的是自谐振。如图2：

微带天线产生于上世纪70年年代，最初是由Howell和Munson研制出来的。在微带天线出现以后，经历了快速发展的阶段。微带天线的贴片有很多种形状，可以是正方形的，也可以是三角形的。正如上文所述，微带天线具有一定的优点，同时也具有一定的缺点。因此，在进行微带天线设计的过程中应尽量采取有效措施减少因微带天线缺点而带来的影响。

微带天线在工作的过程中会受谐波辐射的影响，谐波不仅会造成微带天线能量损耗，同时还会干扰其他微波器件。因此，在设计的过程中必须要抑制谐波。而利用蘑菇状电磁带隙结构的谐振特点可以有效抑制微带天线的谐波辐射。

超宽带通信技术在精准定位、探地雷达等领域中具有广泛地应用。但由于超宽带系统的工作频段与无线通信系统的频段有重合的地方，为了减少超宽带天线对无线通信系统频段的干扰，可以利用电磁带隙结构将超宽带天线设计成具有陷波特性的超宽带单极子天线。

4 总结

总之，电磁带隙结构作为一种特殊的人工电磁材料，相比于一般的电磁材料而言具有一定的优势，将其应用于微带天线设计领域中，可以提高微带天线的性能。

参考文献

[1] 路宏敏，余志勇，赵益民，那彦.一种具有新颖电磁带隙结构的印刷电路板电源平面[J].西安电子科技大学学报，2011，03：20-23.