電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用-614

1、電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用主要內(nèi)容：一、電磁爐 (Electromagnetic Oven )二、微波爐 (Microwave Oven)三、藍(lán)牙技術(shù) (Bluetooth Technology)四、磁懸浮列車 (Maglev Train)五、電磁炮 (Electromagnetic Gun )一、電磁爐1、電磁爐的結(jié)構(gòu)電磁爐是現(xiàn)代廚房革命的產(chǎn)物，它無(wú)需明火或傳導(dǎo)式加熱而讓熱直接在鍋底產(chǎn)生，因此熱效率得到了極大的提高。它是一種高效節(jié)能櫥具，完全區(qū)別于傳統(tǒng)所有的有火或無(wú)火傳導(dǎo)加熱廚具。電磁爐是利用電磁感應(yīng)加熱原理制成的電氣烹飪器具。使用時(shí)，加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)的磁

2、力線大部分通過(guò)金屬鍋體，在鍋底中產(chǎn)生大量渦流，從而產(chǎn)生烹飪所需的熱。在加熱過(guò)程中沒(méi)有明火，因此安全、衛(wèi)生。電磁爐的功率一般在7001800W之間，它的結(jié)構(gòu)主要由外殼、高級(jí)耐熱晶化陶瓷板、PAN 電磁線盤、加熱電路板、控制電路板、顯示電路板、風(fēng)扇組件及電源等組成。2、電磁爐的工作原理2.1 整體電路圖電磁爐的整體電路方框圖如下圖1-1；各部分關(guān)系框圖如下圖1-2：圖1-1 電磁爐整體電路方框圖圖1-2 電磁爐各部分關(guān)系框圖2.2 加熱原理在電磁爐內(nèi)部，由整流電路將50Hz 的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過(guò)控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為1540kHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過(guò)扁平空心螺旋狀的感

3、應(yīng)加熱線圈（勵(lì)磁線圈），線圈會(huì)產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。其磁感線穿透灶臺(tái)的陶瓷臺(tái)板而作用于不銹鋼鍋（導(dǎo)磁又導(dǎo)電材料）底部，在烹飪鍋體內(nèi)因電磁感應(yīng)就有強(qiáng)大的渦流產(chǎn)生。渦流克服鍋體的內(nèi)阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，鍋底迅速釋放出大量的熱量，就是烹調(diào)的熱源。2.3 渦流和渦流的產(chǎn)生在柱形鐵芯上繞有線圈，當(dāng)線圈中通上交變電流時(shí)，每個(gè)鐵芯片就處在交變的磁場(chǎng)中。如圖1-3所示：鐵芯可看成是由一系列半徑逐漸變化的柱狀薄殼組成，每層薄殼構(gòu)成一個(gè)閉合回路。在交變的磁場(chǎng)中，通過(guò)這些薄殼的磁通量都在不斷地變化，所以沿著一層層的殼壁產(chǎn)生感應(yīng)電流。從鐵芯的上端俯視，電流的流線呈閉合的旋渦狀，因而這種感應(yīng)電流叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流

4、。由于大塊鐵芯的電阻很小，因此渦流可非常大。強(qiáng)大的渦流在鐵芯內(nèi)流動(dòng)時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而釋放出大量的焦耳熱,而使鐵芯的溫度升高。圖1-3 渦流的產(chǎn)生渦流與磁感強(qiáng)度成正比，與交流電頻率的平方成正比，因此，電磁爐要達(dá)到一定的熱交換功率，必須有能產(chǎn)生高磁感強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)線圈，還必須提高交流電的頻率以提高渦流功率。圖1-4是電磁爐的主要電路之一，主要是利用了LC 并聯(lián)諧振的原理進(jìn)行工作。具體的工作過(guò)程如下：220V工頻交流電經(jīng)大功率全橋整流為脈動(dòng)直流電，脈動(dòng)直流電通過(guò)扼流圈L1和C1的平滑濾波，將相對(duì)平穩(wěn)的直流電供向下級(jí)PAN 電磁線盤L2，PAN 線盤與C2 振蕩電容組成LC 振蕩電路，從而在線盤

5、上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。IGBT 是絕緣柵雙極晶體管(Iusulated Gate Bipolar Transistor) 的簡(jiǎn)稱，是一種集BJT的大電流密度和MOSFET 等電壓激勵(lì)場(chǎng)控型器件優(yōu)點(diǎn)于一體的高壓、高速大功率器件。IGBT 有三個(gè)電極，分別稱為柵極G(也叫控制極或門極)、集電極C(亦稱漏極) 及發(fā)射極E(也稱源極)。PAN電磁線盤的后級(jí)為高壓保護(hù)二極管VD，作用為保護(hù)IGBT，防止反向高壓擊穿IGBT，當(dāng)IGBT的C極電壓為0 V時(shí)，IGBT導(dǎo)通，此時(shí)的電感（勵(lì)磁線圈）進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)IGBT由導(dǎo)通到截止時(shí),此時(shí)由于電感（線圈的作用），電流還會(huì)沿著先前的方向流動(dòng)，由于IGBT關(guān)斷，電感只能對(duì)

6、電容C2充電，從而引起C 極電壓升高，隨充電電流變小直至為零時(shí)，C 極電壓最高。此值是選擇IGBT 耐壓指標(biāo)的直接數(shù)據(jù)，從這個(gè)時(shí)候開始，電容C2開始經(jīng)線圈放電，此時(shí)C 極電壓變低，當(dāng)達(dá)到0V時(shí)，控制電路檢測(cè)到這個(gè)值，再次打開IBGT。又一循環(huán)開始，所以電感（線圈）與振蕩電容不停的進(jìn)行充電放電，從而形成振蕩。圖1-4 電磁爐工作電路示意圖3、使用電磁爐的注意事項(xiàng)3.1 電源線要符合要求電磁爐由于功率大，在配置電源線時(shí)應(yīng)選能承受15A大電流的銅芯線,，配置專用獨(dú)立的、安全性高的電源插座、插頭、開關(guān)等。如果可能，最好在電源線插座處安裝一只保險(xiǎn)盒，以確保安全。3.2 鍋具要符合要求應(yīng)選用鐵磁性材料制作

7、的鍋具，如鐵鍋、不銹鋼鍋、搪瓷鍋等。使用時(shí)要放置在電磁爐中央， 并且鍋底保證有一定的平面與電磁爐充分接觸。電磁爐不能使用諸如玻璃、鋁、銅質(zhì)的容器加熱食品，這些非鐵磁性物質(zhì)是不能形成渦流的。3.3 放置要平整放置電磁爐的桌面要平整，特別是使用火鍋時(shí)更應(yīng)注意。如果桌面不平，使電磁爐的某一腳懸空，使用時(shí)鍋具的重力將會(huì)迫使?fàn)t體強(qiáng)行變形甚至損壞。另外，如桌面有傾斜度，當(dāng)電磁爐對(duì)鍋具加溫時(shí)，鍋具中的渦流磁場(chǎng)和爐內(nèi)勵(lì)磁線盤中的磁場(chǎng)相互作用而使鍋具和爐體發(fā)生受迫振動(dòng)，這種振動(dòng)容易使鍋具滑出而發(fā)生危險(xiǎn)。3.4 防潮通風(fēng)電磁爐工作在大電流、大功率狀態(tài)，內(nèi)部電路遇水汽和濕氣時(shí)會(huì)結(jié)露，而使電路銹蝕甚至短路。爐內(nèi)有風(fēng)扇

8、,故應(yīng)在空氣流通處使用。電磁爐正常使用的溫度為1040，溫度過(guò)高或過(guò)低，可能有些功能會(huì)受到一定的影響。3.5 防止漏磁干擾電磁爐不可避免存在電磁輻射，會(huì)對(duì)家用電器及人體產(chǎn)生影響，故在距離電磁爐23 m的范圍內(nèi)，最好不要放置電視機(jī)、手機(jī)等容易受到磁場(chǎng)影響的家用電器，以免影響其正常工作。3.6 操作要得當(dāng)電磁爐的各按鈕屬輕觸型，使用時(shí)手指用力不要過(guò)重，要輕觸輕按。當(dāng)所按動(dòng)的按鈕啟動(dòng)后，手指就應(yīng)離開，不要按住不放，以免損傷簧片和導(dǎo)電接觸片；在電磁爐加熱至高溫時(shí)，瞬間功率會(huì)忽大忽小，容易損壞功率管IGBT 和電磁爐機(jī)板。使用完畢，要把功率按鈕先調(diào)到最小位置，然后關(guān)閉電源，再取下鐵鍋。3.7 清潔要得法

9、電磁爐同其他電器一樣，在使用中要注意防水防潮，并避免接觸有害液體。不能用汽油等清洗爐面或爐體。另外，也不要用金屬刷、紗布等較硬的工具來(lái)擦拭爐面上的油跡污垢。正在使用或剛使用結(jié)束的爐面不要馬上用冷水擦，應(yīng)待其完全冷卻后，方可使用少許中性洗滌劑擦拭。二、微波爐1、微波爐的結(jié)構(gòu)微波爐（microwave oven），顧名思義，就是用微波來(lái)煮飯燒菜的。用微波爐煮食物很方便。將冷的或生的食物放入微波爐里，關(guān)好爐門，一按開關(guān)，食物在微波爐里轉(zhuǎn)上一會(huì)兒，就燒熱煮熟了。微波爐里沒(méi)有火，是靠微波，即高頻電磁波，作為微波爐的熱源。微波爐的基本結(jié)構(gòu)一般由爐腔、爐門、電氣電路、定時(shí)器、功率分配器、聯(lián)鎖微動(dòng)開關(guān)和熱斷路

10、器等七部分組成。微波爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 微波爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.1 爐腔爐腔是一個(gè)微波諧振腔，是把微波能變?yōu)闊崮軐?duì)食品進(jìn)行加熱的空間。為了使?fàn)t腔內(nèi)的食物均勻加熱，微波爐爐腔內(nèi)設(shè)有專門的裝置。最初生產(chǎn)的微波爐是在爐腔頂部裝有金屬扇頁(yè)，即微波攪拌器，以干擾微波在爐腔中的傳播，從而使食物加熱更加均勻。目前，則是在微波爐的爐腔底部裝一只由微型電機(jī)帶動(dòng)的玻璃轉(zhuǎn)盤，把被加熱食品放在轉(zhuǎn)盤上與轉(zhuǎn)盤一起繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，使其與爐內(nèi)的高頻電磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到爐內(nèi)食品均勻加熱的目的。國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的自動(dòng)升降型轉(zhuǎn)盤，使得加熱更均勻，烹飪效果更理想。 平板式爐腔通過(guò)腔內(nèi)壁對(duì)微波反射達(dá)到均勻加熱的目的。1.2 爐門

11、爐門是食品的進(jìn)出口，也是微波爐爐腔的重要組成部分。對(duì)它要求很高，絕對(duì)不能讓微波泄漏出來(lái)。爐門由金屬框架和玻璃觀察窗組成。觀察窗的玻璃夾層中有一層金屬微孔網(wǎng)，既可透過(guò)它看到食品，又可防止微波泄漏。由于玻璃夾層中的金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔大小是經(jīng)過(guò)精密計(jì)算的，所以完全可以阻擋微波的穿透。鈦膜也多作為微波爐爐門的材料。為了防止微波的泄漏，微波爐的開關(guān)系統(tǒng)由多重安全聯(lián)鎖微動(dòng)開關(guān)裝置組成。爐門沒(méi)有關(guān)好，就不能使微波爐工作，微波爐不工作，也就談不上有微波泄漏的問(wèn)題了。為了防止在微波爐爐門關(guān)上后微波從爐門與腔體之間的縫隙中泄漏出來(lái)，在微波爐的爐門四周安有抗流槽結(jié)構(gòu)，或裝有能吸收微波的材料，如由硅橡膠做的門封條，能將可能

12、泄漏的少量微波吸收掉?？沽鞑凼窃陂T內(nèi)設(shè)置的一條異型槽結(jié)構(gòu)，它具有引導(dǎo)微波反轉(zhuǎn)相位的作用。在抗流槽入口處，微波會(huì)被它逆向的反射波抵銷，這樣微波就不會(huì)泄漏了。由于門封條容易破損或老化而造成防泄作用降低，因此現(xiàn)在大多數(shù)微波爐均采用抗流槽結(jié)構(gòu)來(lái)防止微波泄漏，很少采用硅橡膠門封條?？沽鞑劢Y(jié)構(gòu)是從微波輻射的原理上得到的防止微波泄漏的穩(wěn)定可靠的方法。1.3 電氣電路電氣電路分高壓電路、控制電路和低壓電路三部分。(a) 高壓電路：高壓變壓器次級(jí)繞組之后的電路為高壓電路，主要包括磁控管、高壓電容器、高壓變壓器、高壓二極管。(b) 磁控管：磁控管是微波爐的心臟，微波能就是由它產(chǎn)生并發(fā)射出來(lái)的。磁控管工作時(shí)需要很高

13、的脈動(dòng)直流陽(yáng)極電壓和約34V的陰極電壓。由高壓變壓器及高壓電容器、高壓二極管構(gòu)成的倍壓整流電路為磁控管提供了滿足上述要求的工作電壓。(c) 低壓電路：高壓變壓器初級(jí)繞組之前至微波爐電源入口之間的電路為低壓電路，也包括了控制電路。主要包括保險(xiǎn)管、熱斷路器保護(hù)開關(guān)、聯(lián)鎖微動(dòng)開關(guān)、照明燈、定時(shí)器及功率分配器開關(guān)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)等。1.4 定時(shí)器微波爐一般有兩種定時(shí)方式，即機(jī)械式定時(shí)和計(jì)算機(jī)定時(shí)?；竟δ苁沁x擇設(shè)定工作時(shí)間，設(shè)定時(shí)間過(guò)后，定時(shí)器自動(dòng)切斷微波爐主電路。1.5 功率分配器功率分配器用來(lái)調(diào)節(jié)磁控管的平均工作時(shí)間（即磁控管斷續(xù)工作時(shí)，工作、停止時(shí)間的比例），從而達(dá)到調(diào)節(jié)微波爐平均輸出功率的

14、目的。機(jī)械控制式一般有36個(gè)刻度文件位，而計(jì)算機(jī)控制式微波爐可有10個(gè)調(diào)整檔位。1.6 聯(lián)鎖微動(dòng)開關(guān)聯(lián)鎖微動(dòng)開關(guān)是微波爐的一組重要安全裝置。它有多重聯(lián)鎖作用，均通過(guò)爐門的開門按鍵或爐門把手上的開門按鍵加以控制。當(dāng)爐門未關(guān)閉好或爐門打開時(shí)，斷開電路，使微波爐停止工作。1.7 熱斷路器熱斷路器是用來(lái)監(jiān)控磁控管或爐腔工作溫度的組件。當(dāng)工作溫度超過(guò)某一限值時(shí)，熱斷路器會(huì)立即切斷電源，使微波爐停止工作。2、微波爐的工作原理微波是頻率為300兆赫到30萬(wàn)兆赫的電磁波。微波爐實(shí)際上就是一臺(tái)微波發(fā)生器, 它產(chǎn)生的微波頻率是2450兆赫。這種微波有一個(gè)非常有趣的習(xí)性，遇到像肉類、禽蛋、蔬菜這些飽含水分的食物，微

15、波會(huì)“留駐”下來(lái)，并且“拖住”食物中的水分子和它一起以相同的頻率振蕩，引起分子與分子之間互相摩擦，摩擦能夠產(chǎn)生熱量。振蕩頻率越高，振幅越大，分子間摩擦越劇烈，產(chǎn)生的熱量自然越多。2450兆赫的微波，即就是每秒鐘振蕩24.5億次。這就意味著食物中的水分子也隨著微波每秒鐘振蕩24.5億次。這種振蕩幾乎是在食物里里外外各個(gè)部分同時(shí)發(fā)生的，因此被加熱的食品能夠在很短的時(shí)間里，里外各個(gè)部分統(tǒng)統(tǒng)熱起來(lái)，溫度上升足以把食物由生變熟直至枯焦的程度。下面用線路圖（圖2-2）來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明微波爐的工作原理。圖2-2 微波爐工作原理線路圖當(dāng)爐門一閉合，第一聯(lián)開關(guān)就合上，監(jiān)控開關(guān)斷開，電路處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。按所需烹調(diào)時(shí)

16、間，將定時(shí)器置于相應(yīng)位置，再按起動(dòng)開關(guān)，220V交流電經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲、第一聯(lián)控開關(guān)、熱切斷器和第二聯(lián)控開關(guān)、定時(shí)器開關(guān)、烹調(diào)解凍開關(guān)加到變壓器初級(jí)，在變壓器次級(jí)感應(yīng)出3.5V和1840V的交流電壓。其中3.5V加到磁控管燈絲，1840V經(jīng)過(guò)電容和二極管組成的半波倍壓整流電路，產(chǎn)生-3680V高壓，加到陰極上。由于磁控管的陽(yáng)極接地，陽(yáng)極電壓則比陰極電壓高3680V，磁控管正常工作。在磁控管工作的同時(shí)，220V交流電壓也加到轉(zhuǎn)盤電機(jī)、定時(shí)器電機(jī)、解凍控制器電機(jī)、冷卻風(fēng)扇電機(jī)和爐燈上。冷卻風(fēng)扇對(duì)磁控管進(jìn)行冷風(fēng)散熱，同時(shí)風(fēng)扇的余風(fēng)通過(guò)爐燈附近處的一組小孔進(jìn)入腔體，又從腔體后上方的一組小孔出來(lái)，并通過(guò)微波爐

17、的背部上方排出。冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)既能對(duì)磁控管散熱，又能對(duì)爐腔內(nèi)的空氣起對(duì)流作用，將微波爐加熱時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣及時(shí)地排到爐外。為了保證微波加熱的均勻性，微波爐內(nèi)裝有玻璃盤，玻璃盤由電機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速為6round/minute。微波爐采用兩項(xiàng)安全措施，以有效地防止微波泄漏。安全措施之一是爐門采用雙門鉤結(jié)構(gòu)。當(dāng)爐門打開時(shí)，雙門鉤同時(shí)退出，此時(shí)第一聯(lián)控開關(guān)斷開，監(jiān)控開關(guān)接通。220V交流電源未進(jìn)入變壓器，磁控管不可能工作。萬(wàn)一第一聯(lián)控開關(guān)失靈（即處于接通狀態(tài)），在220V交流電源接通的瞬間，因監(jiān)控開關(guān)接通，使220V短路，6.3A保險(xiǎn)絲熔斷，磁控管無(wú)法工作。由于監(jiān)控開關(guān)和第一聯(lián)控開關(guān)都位于爐壁內(nèi)，只能由門

18、鉤才能控制開關(guān)，從而保證了磁控管工作處于嚴(yán)格控制之下。安全措施之二是采用熱切斷器。這是一種熱敏保護(hù)元件，它與第一聯(lián)控開關(guān)串接，安裝在磁控管附近，通過(guò)一塊金屬板與磁控管的外殼相連。一旦冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)故障，排氣通道阻塞或磁控管及爐腔溫度過(guò)高時(shí)，熱切斷器自動(dòng)斷開，起到了保護(hù)磁控管的作用。同時(shí)還要注意，用微波加熱食物，不能讓它盛入金屬容器。原因很簡(jiǎn)單：微波遇到金屬立即全部反射回去。如果將食物盛入金屬容器中用微波爐加熱，微波被金屬全部反射回去，食物得不到熱源加熱，不會(huì)變熱、變熟。當(dāng)然，實(shí)際上是不允許這樣做的，因?yàn)椴坏饶憧吹浇Y(jié)果，微波爐已經(jīng)燒毀了。因?yàn)楦哳l率微波沒(méi)有一點(diǎn)損耗而全部反射去，在電子技術(shù)上叫高頻短

19、路，后果是使發(fā)射微波的電子管陽(yáng)極產(chǎn)生高溫，直至燒紅損壞。了解了微波的特性，可以用陶瓷、耐熱玻璃等材料制成的容器盛裝食物。如果加熱時(shí)間不需要很長(zhǎng)，可以使用塑料容器，甚至紙質(zhì)容器。搪瓷容器看起來(lái)好像是瓷器，其實(shí)內(nèi)心是鐵皮，當(dāng)然也不能使用。三、藍(lán)牙技術(shù)隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，各種通信電纜五花八門，不但辦公室中電纜無(wú)處不在，家用設(shè)備的發(fā)展也使居室成了電纜的世界。人們?cè)谟X得它們必不可少的同時(shí)，又傷透了腦筋，如電纜使用不便，連線頻出故障，各種電纜之間無(wú)法通用。電纜成為現(xiàn)代通信中的美中不足。為了取消連線，以較低成本實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的無(wú)線通信，誕生了藍(lán)牙(Bluetooth）技術(shù)。藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般1

20、0m內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路。1、藍(lán)牙系統(tǒng)藍(lán)牙系統(tǒng)一般由以下4個(gè)功能單元組成：天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議）單元。它們的連接關(guān)系如圖3-1所示：圖3-1 藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1 天線單元藍(lán)牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍(lán)牙天線屬于微帶天線。藍(lán)牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上的?？罩薪涌谧裱?/p>

21、Federal Communications Commission（簡(jiǎn)稱FCC，即美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。如果全球電平達(dá)到100mW以上，可以使用擴(kuò)展頻譜功能來(lái)增加一些補(bǔ)充業(yè)務(wù)。頻譜擴(kuò)展功能是通過(guò)起始頻率為2.402 GHz，終止頻率為2.480GHz，間隔為1MHz 的79個(gè)跳頻頻點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。出于某些本地規(guī)定的考慮，日本、法國(guó)和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳/秒。理想的連接范圍為100mm10m，但是通過(guò)增大發(fā)送電平可以將距離延長(zhǎng)至100m。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。ISM

22、頻帶是對(duì)所有無(wú)線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個(gè)頻段都會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的干擾源。例如某些家電、無(wú)繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術(shù)上叫做“偽隨機(jī)碼”，就是“假”的隨機(jī)碼）不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道，只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)律進(jìn)行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾，跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過(guò)擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶成百倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。時(shí)分雙工（Time

23、Division Duplex，簡(jiǎn)稱TDD）方案被用來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。FEC（Forward Error Correction，前向糾錯(cuò)）的使用抑制了長(zhǎng)距離鏈路的隨機(jī)噪音，應(yīng)用了二進(jìn)制調(diào)頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器被用來(lái)抑制干擾和防止衰落。1.2鏈路控制（固件）單元在目前藍(lán)牙產(chǎn)品中，人們使用了3個(gè)IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了3050個(gè)單獨(dú)調(diào)諧元件?；鶐ф溌房刂破髫?fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議?；鶐Э刂破饔?種糾錯(cuò)方案：1/3比例前向糾錯(cuò)(FEC)碼；2/3比例前向

24、糾錯(cuò)碼；數(shù)據(jù)的自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)方案。采用FEC（前向糾錯(cuò)）方案的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載。但是，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)差錯(cuò)傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送效率。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包對(duì)于是否使用FEC是彈性定義的。報(bào)頭總有占1/3比例的FEC碼起保護(hù)作用，其中包含了有用的鏈路信息。在無(wú)編號(hào)的ARQ方案中，在一個(gè)時(shí)隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個(gè)時(shí)隙得到收到的確認(rèn)。只有數(shù)據(jù)在收端通過(guò)了報(bào)頭錯(cuò)誤檢測(cè)和循環(huán)冗余檢測(cè)后認(rèn)為無(wú)錯(cuò)才向發(fā)端發(fā)回確認(rèn)消，否則返回一個(gè)錯(cuò)誤消息。比如藍(lán)牙的話音信道采用Continuous VariableSlope Delta Modulation（簡(jiǎn)稱C

25、VSD，即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制技術(shù)）話音編碼方案，獲得高質(zhì)量傳輸?shù)囊纛l編碼。CVSD編碼擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語(yǔ)音采樣，即使比特錯(cuò)誤率達(dá)到4%，CVSD編碼的語(yǔ)音還是可聽的。而Cambridge Consultants的分公司Cambridge Silicon Radio就提出了他們的看法。這個(gè)公司的入門產(chǎn)品是一個(gè)單芯片傳輸器和聯(lián)接控制器。公司稱之為BlueCore和BlueStack。這是一個(gè)完整的藍(lán)牙，不需要外部的SAW濾波器、陶瓷電容或感應(yīng)器，產(chǎn)品集成度非常高，使用了0.18 或0.15m技術(shù)，能夠在幾乎不增加成本的情況下把基帶電路加到芯片中。1.3 鏈路管理（軟件）單元鏈路管理（LM）

26、軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠(yuǎn)端LM并通過(guò)LMP（鏈路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：（1）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。（2）請(qǐng)求名稱。（3）鏈路地址查詢。（4）建立連接。（5）鑒權(quán)。（6）鏈路模式協(xié)商和建立。（7）決定幀的類型。（8）將設(shè)備設(shè)為sniff模式。master只能有規(guī)律地在特定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。（9）將設(shè)備設(shè)為hold模式。工作在hold模式的設(shè)備為了節(jié)能在一個(gè)較長(zhǎng)的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，平均每4s激活一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。（10）當(dāng)設(shè)備不需要傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步時(shí)將設(shè)備設(shè)為暫停模式。處于暫停模式

27、的設(shè)備周期性地激活并跟蹤同步，同時(shí)檢查page消息。（11）建立網(wǎng)絡(luò)連接。在piconet內(nèi)的連接被建立之前，所有的設(shè)備都處于standby（待命）狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元每隔1.28s周期性地“監(jiān)聽”信息。每當(dāng)一個(gè)設(shè)備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個(gè)跳頻頻點(diǎn)。跳頻頻點(diǎn)的數(shù)目因地理區(qū)域的不同而異，32這個(gè)數(shù)字適用于除日本、法國(guó)和西班牙之外的大多數(shù)國(guó)家。作為master的設(shè)備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過(guò)尋呼（page）消息建立連接，如果地址未知，則通過(guò)一個(gè)后接page消息的inquiry（查詢）消息建立連接。在最初的尋呼狀態(tài)，master單元將在分配給被尋呼單元的16個(gè)跳頻

28、頻點(diǎn)上發(fā)送一串16個(gè)相同的page消息。如果沒(méi)有應(yīng)答，master則按照激活次序在剩余16個(gè)頻點(diǎn)上繼續(xù)尋呼。Slave收到從master發(fā)來(lái)的消息的最大延遲時(shí)間為激活周期的2倍（2.56s），平均延遲時(shí)間是激活周期的一半（0.6s）。Inquiry消息主要用來(lái)尋找藍(lán)牙設(shè)備，如共享打印機(jī)、傳真機(jī)和其它一些地址未知的類似設(shè)備。Inquiry消息和page消息很相像，但是inquiry消息需要一個(gè)額外的數(shù)據(jù)串周期來(lái)收集所有的響應(yīng)。如果piconet中已經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙還支持節(jié)能工作模式。master可以把slave置為hold（保持）模式，在這種模式下，只有一個(gè)內(nèi)部

29、計(jì)數(shù)器在工作。slave 也可以主動(dòng)要求被置為hold模式。一旦處于hold模式的單元被激活，則數(shù)據(jù)傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用于連接好幾個(gè)piconet的情況下或者耗能低的設(shè)備，如溫度傳感器。除hold模式外，藍(lán)牙還支持另外兩種節(jié)能工作模式：sniff（呼吸）模式和park（暫停）模式。在sniff 模式下，slave降低了從piconet“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應(yīng)用要求做適當(dāng)調(diào)整。在park模式下，設(shè)備依然與piconet同步但沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。工作在park模式下的設(shè)備放棄了MAC 地址，偶爾收聽master的消息并恢復(fù)同步、檢查廣播消息。如果我們把這幾種工作模式按

30、照節(jié)能效率以升序排一下隊(duì)，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式。（12）連接類型和數(shù)據(jù)包類型。連接類型定義了哪種類型的數(shù)據(jù)包能在特別連接中使用。藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種連接類型：同步定向連接（Synchronous Connection Oriente，簡(jiǎn)稱SCO）類型，主要用于傳送話音；異步無(wú)連接（Asynchronous Connectionless，簡(jiǎn)稱ACL）類型，主要用于傳送數(shù)據(jù)包。同一個(gè)piconet中不同的主從對(duì)可以使用不同的連接類型，而且在一個(gè)階段內(nèi)還可以任意改變連接類型。每個(gè)連接類型最多可以支持16種不同類型的數(shù)據(jù)包，其中包括4個(gè)控制分組，這一點(diǎn)對(duì)SCO和ACL來(lái)說(shuō)都是相同的

31、。兩種連接類型都使用TDD（時(shí)分雙工傳輸方案）實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。SCO連接為對(duì)稱連接，利用保留時(shí)隙傳送數(shù)據(jù)包。連接建立后，master和slave可以不被選中就發(fā)送SCO數(shù)據(jù)包。SCO數(shù)據(jù)包既可以傳送話音，也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，只用于重發(fā)被損壞的那部分的數(shù)據(jù)。ACL鏈路就是定向發(fā)送數(shù)據(jù)包，它既支持對(duì)稱連接，也支持不對(duì)稱連接。master負(fù)責(zé)控制鏈路帶寬，并決定piconet中的每個(gè)slave可以占用多少帶寬和連接的對(duì)稱性。slave只有被選中時(shí)才能傳送數(shù)據(jù)。ACL鏈路也支持接收master發(fā)給piconet中所有slave的廣播消息。（13）鑒權(quán)和保密。藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保

32、護(hù)和信息保密機(jī)制。鑒權(quán)基于“請(qǐng)求響應(yīng)”運(yùn)算法則。鑒權(quán)是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個(gè)人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個(gè)信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過(guò)主人自己的移動(dòng)電話通信。加密被用來(lái)保護(hù)連接的個(gè)人信息。密鑰由程序的高層來(lái)管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個(gè)較強(qiáng)的安全機(jī)制。1.4 軟件（協(xié)議）單元Bluetooth基帶協(xié)議結(jié)合電路開關(guān)和分組交換機(jī)，適用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)聲道支持64kb/s同步鏈接。而異步信道支持任一方向上高達(dá)721kb/s和回程方向57.6kb/s 的非對(duì)稱鏈接，也可以支持43.2kb/s的對(duì)稱連接。因此，它可以足夠快地應(yīng)付蜂窩系統(tǒng)上的非常大的數(shù)據(jù)比率。一般來(lái)

33、說(shuō),它的鏈接范圍為100mm10m，如果增加傳輸功率的話，其鏈接范圍可以擴(kuò)展到100m。Bluetooth軟件構(gòu)架規(guī)范要求與Bluetooth相順從的設(shè)備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由不同的應(yīng)用來(lái)決定。藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求。對(duì)某些設(shè)備，這種要求涉及到無(wú)線模塊、空中協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議和對(duì)像交換格式。Bluetooth 1.0標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)文件組成。一個(gè)叫Foundation Core，它規(guī)定的是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)叫Foundation Profile，它規(guī)定的是相互運(yùn)作性準(zhǔn)則。但對(duì)另外一些設(shè)備，比如耳機(jī)，這種要求就簡(jiǎn)單得多。藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識(shí)別并裝載與之相應(yīng)的軟件以支持設(shè)

34、備更高層次的性能。藍(lán)牙對(duì)不同級(jí)別的設(shè)備（如PC、手持機(jī)、移動(dòng)電話、耳機(jī)等）有不同的要求，例如，你無(wú)法期望一個(gè)藍(lán)牙耳機(jī)提供地址簿。但是移動(dòng)電話、手持機(jī)、筆記本電腦就需要有更多的功能特性。軟件（協(xié)議）結(jié)構(gòu)需有如下功能：設(shè)置及故障診斷工具；能自動(dòng)識(shí)別其它設(shè)備；取代電纜連接；與外設(shè)通信；音頻通信與呼叫控制以及商用卡的交易與號(hào)簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。藍(lán)牙的軟件（協(xié)議）單元是一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。適用于幾種不同商用操作系統(tǒng)的藍(lán)牙規(guī)范正在完善中。2、藍(lán)牙的技術(shù)特點(diǎn)和產(chǎn)品2.1 藍(lán)牙的技術(shù)特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無(wú)線連接替代了電纜連接，從而為現(xiàn)存的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和小型的外圍設(shè)備提供了統(tǒng)一的連接。下面

35、來(lái)介紹一些它的主要技術(shù)特點(diǎn)。（1）特性藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在全球通用的2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，這樣用戶不必經(jīng)過(guò)申請(qǐng)便可以在24002500MHz范圍內(nèi)選用適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙無(wú)線電收發(fā)器頻段。頻道采用23個(gè)或79個(gè)，頻道間隔均為1MHz，采用時(shí)分雙工方式。調(diào)制方式為BT=0.5的GFSK，調(diào)制指數(shù)為0.280.35。藍(lán)牙的無(wú)線發(fā)射機(jī)采用FM 調(diào)制方式，從而能降低設(shè)備的復(fù)雜性。最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級(jí)，100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在420dBm 范圍內(nèi)要求采用功率控制，因此，藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通訊距離大約為10100m。（2）TDMA 結(jié)構(gòu)藍(lán)

36、牙的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mb/s，采用數(shù)據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送每時(shí)隙0.625s。藍(lán)牙系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)同步定向聯(lián)接和非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接，藍(lán)牙技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，3個(gè)并發(fā)的同步語(yǔ)音通道或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步語(yǔ)音通道。每一個(gè)語(yǔ)音通道支持64KB/S的同步語(yǔ)音，異步通道支持最大速率為721KB/S，反向應(yīng)答速度為57.6KB/s的非對(duì)稱連接，或者是速率為432.6KB/S 的對(duì)稱連接。（3）使用跳頻技術(shù)跳頻是藍(lán)牙使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于單時(shí)隙包，藍(lán)牙的跳頻速率為1600跳/秒；對(duì)于多時(shí)隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時(shí)則提高為3200跳/秒。使用這樣高的調(diào)頻速率，藍(lán)牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力，

37、且硬件設(shè)備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越。2.2 藍(lán)牙產(chǎn)品自從1999年7月BSIG向全世界發(fā)布藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.0A版本，藍(lán)牙技術(shù)的推廣和應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，截至目前，BSIG的成品已經(jīng)超過(guò)了2500家，幾乎涵蓋了全球各行各業(yè)。包括通信網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)、芯片、轉(zhuǎn)件等廣商，甚至消費(fèi)類電器廠商和汽車制造商也加入BSIG組織。目前國(guó)內(nèi)外藍(lán)牙產(chǎn)品主要有藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙適配器、藍(lán)牙記憶棒、藍(lán)牙天線、藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙手機(jī)、藍(lán)牙筆記本電腦、藍(lán)牙硬盤、藍(lán)牙打印機(jī)、藍(lán)牙鼠標(biāo)、藍(lán)牙手表、藍(lán)牙圓珠筆、藍(lán)牙數(shù)碼相機(jī)和藍(lán)牙標(biāo)簽等。引人注目的是，Bluetooth Developers Conference會(huì)議上推出了使用藍(lán)牙技術(shù)控制汽車內(nèi)部的籃牙

38、樣車。作為一個(gè)新興事物，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問(wèn)題和不足之處，如成本過(guò)高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無(wú)疑問(wèn)，藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無(wú)線通信技術(shù)，其席卷全球之勢(shì)不可阻擋，它必將在不久的將來(lái)滲透到我們生活的各個(gè)方面，我們有理由相信藍(lán)牙的明天會(huì)更好。四、磁懸浮列車磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和排斥力）來(lái)推動(dòng)的列車。由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時(shí)不需接觸地面，因此其阻力只有空氣的阻力。磁懸浮列車的最高速度可以達(dá)每小時(shí)500公里以上，比輪軌高速列車的300多公里還要快手。磁懸浮技術(shù)的研究源于德國(guó)，早在1922年德國(guó)工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸

39、浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車的專利。1970年代以后，隨著世界工業(yè)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。1、磁懸浮列車的原理1.1 懸浮原理磁浮有3個(gè)基本原理。第一個(gè)原理是當(dāng)靠近金屬的磁場(chǎng)改變，金屬上的電子會(huì)移動(dòng)，并且產(chǎn)生電流。第二個(gè)原理就是電流的磁效應(yīng)。當(dāng)電流在電線或一塊金屬中流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。通電的線圈就成了一塊磁鐵。磁浮的第三個(gè)原理我們就再熟悉不過(guò)了，磁鐵間會(huì)彼此作用，同極性相斥，異極性相吸?，F(xiàn)在看看磁浮是如何作用的：磁鐵從一塊金屬的上方經(jīng)過(guò)，金屬上的電子因磁場(chǎng)改變而開始移動(dòng)（原理一）。電

40、子形成回路，所以接著也產(chǎn)生了本身的磁場(chǎng)（原理二）。圖4-1 以最簡(jiǎn)單的方式來(lái)表達(dá)這個(gè)過(guò)程，移動(dòng)中的磁鐵使金屬中出現(xiàn)一塊假想的磁鐵。這塊假想磁鐵具有方向性，因是同極性相對(duì)，因此會(huì)對(duì)原有的磁鐵產(chǎn)生斥力。也就是說(shuō)，如果原有的磁鐵是北極在下，假想磁鐵則是北極在上；反之亦然。因?yàn)榇盆F的同極相斥（原理三），讓磁鐵在一塊金屬上方移動(dòng)，結(jié)果會(huì)對(duì)移動(dòng)中的磁鐵產(chǎn)生一股往上推動(dòng)的力量。如果磁鐵移動(dòng)得足夠快，這個(gè)力量會(huì)大得足以克服向下的重力，舉起移動(dòng)中的磁鐵。所以當(dāng)磁鐵移動(dòng)時(shí)，會(huì)使得自己浮在金屬上方，并靠著本身電子移動(dòng)產(chǎn)生的力量保持浮力。這個(gè)過(guò)程就是所謂的磁浮，這個(gè)原理可以適用在列車上。如圖4-2，如果在列車的地板上

41、安裝一些磁鐵，列車一開動(dòng)（例如，可以收起的充氣胎），就可產(chǎn)生向上的力量。這個(gè)時(shí)候，列車就像飛機(jī)在跑道上加速準(zhǔn)備起飛。當(dāng)向上的力量足夠時(shí)，就可使得列車離開地面，浮在金屬導(dǎo)軌之上。事實(shí)上，列車經(jīng)過(guò)特別的設(shè)計(jì)，使得車廂在離地面10150mm 處。這樣列車就可以飛速前進(jìn)了。從以上的討論可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闆](méi)有輪子和鐵軌，它就沒(méi)有輪軌間的摩擦力所造成的能量損失。如此一來(lái)，就少了一個(gè)傳統(tǒng)列車的主要能量損耗來(lái)源。理論上，就只剩下風(fēng)阻會(huì)影響列車的行車速度了。如果觀察一下列車是怎樣行進(jìn)的，就可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。雖然同極性會(huì)相斥（用以產(chǎn)生浮力），但異性可以相吸。磁浮列車就是運(yùn)用這個(gè)原理前進(jìn)

42、的。當(dāng)列車下方導(dǎo)軌因電子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生浮力的同時(shí)，兩側(cè)導(dǎo)軌的線路開始通電，產(chǎn)生另一組比列車稍前的磁鐵。經(jīng)過(guò)特殊安排，導(dǎo)軌上的南極會(huì)靠近列車上的磁北極。由于這股吸力，列車得以往前移動(dòng)。通過(guò)調(diào)整導(dǎo)軌兩側(cè)的電流，得以讓這股吸引磁力恰好落在列車前方。事實(shí)上，列車是陷在所謂的磁波或磁場(chǎng)之中?？梢韵胂髮?dǎo)軌兩側(cè)移動(dòng)的磁鐵產(chǎn)生一股波浪，列車就像騎在這浪頭的沖浪者一樣，如圖4-3所示。圖4-1 磁懸浮原理圖圖4-2 磁懸浮列車示意圖圖4-3 磁懸浮列車周圍的波導(dǎo)下面具體介紹常導(dǎo)磁吸式（EMS）和超導(dǎo)磁斥式（EDS）列車的具體運(yùn)行原理。常導(dǎo)磁吸式（EMS）：利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵（懸浮電磁鐵）和鋪設(shè)在線

43、路導(dǎo)軌上的磁鐵，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起，見圖4-4所示。車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的可靠性和列車運(yùn)行的平穩(wěn)，使直線電機(jī)有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和懸浮力，使車體與導(dǎo)軌之間保持大約10mm的間隙。通常采用測(cè)量間隙用的氣隙傳感器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸浮方式不需要設(shè)置專用的著地支撐裝置和輔助的著地車輪，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。超導(dǎo)磁斥式(EDS)此種形式在車輛底部安裝超導(dǎo)磁體（放在液態(tài)氦儲(chǔ)存槽內(nèi)），在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈。列車運(yùn)行時(shí)，給車上線圈（超導(dǎo)磁體）通電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，地上線圈（鋁環(huán)）與之相切

44、割，在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與車輛上超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車輛重量時(shí)，車輛就浮起來(lái)。因此，超導(dǎo)磁斥式就是利用置于車輛上的超導(dǎo)磁體與鋪設(shè)在軌道上的無(wú)源線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來(lái)產(chǎn)生懸浮力將車體抬起來(lái)的。如圖4-5所示。由于超導(dǎo)磁體的電阻為零，在運(yùn)行中幾乎不消耗能量，而且磁場(chǎng)強(qiáng)度很大。在超導(dǎo)體和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力，可使車輛浮起。當(dāng)車輛向下位移時(shí)，超導(dǎo)磁體與懸浮線圈的間距減小電流增大，使懸浮力增加，又使車輛自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的懸浮位置。這個(gè)間隙與速度的大小有關(guān)，一般到100km/h時(shí)車體才能懸浮。因此，必須在車輛上裝設(shè)機(jī)械輔助支承裝置，如輔助支持輪及相

45、應(yīng)的彈簧支承，以保證列車安全可靠地著地?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停車的精確控制。圖4-4 常導(dǎo)吸引式磁懸浮原理圖圖4-5 超導(dǎo)磁斥式磁懸浮原理圖1.2 導(dǎo)向原理磁懸浮列車?yán)秒姶帕Φ淖饔眠M(jìn)行導(dǎo)向。下面將具體論述常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)磁斥式兩種情況。常導(dǎo)磁吸式的導(dǎo)向系統(tǒng)：與懸浮系統(tǒng)類似，是在車輛側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向的電磁鐵。車體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當(dāng)車輛左右偏移時(shí)，車上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用，使車輛恢復(fù)到正常位置?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控制來(lái)保持這一側(cè)向間隙，從而達(dá)到控制列車運(yùn)行方向的目的。超導(dǎo)磁斥式的導(dǎo)向系統(tǒng)：可以采用下面3種方式構(gòu)成：在車輛上安裝機(jī)械導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)

46、列車導(dǎo)向。這種裝置通常采用車輛上的側(cè)向?qū)蜉o助輪，使之與導(dǎo)向軌側(cè)面相互作用（滾動(dòng)摩擦）以產(chǎn)生復(fù)原力，這個(gè)力與列車沿曲線運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡，從而使列車沿著導(dǎo)向軌中心線運(yùn)行。在車輛上安裝專用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵，使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力，該力與列車的側(cè)向作用力相平衡，使列車保持正確的運(yùn)行方向。這種導(dǎo)向方式避免了機(jī)械摩擦，只要控制側(cè)向地面導(dǎo)向線圈中的電流，就可以使列車保持一定的側(cè)向間隙。利用磁力進(jìn)行導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系鋪設(shè)“8”字形的封閉線圈。當(dāng)列車上設(shè)置的超導(dǎo)磁體位于該線圈的對(duì)稱中心線上時(shí)，線圈內(nèi)的磁場(chǎng)為零；而當(dāng)列車產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí)，“8”字形的線圈內(nèi)磁場(chǎng)為零，并產(chǎn)生一個(gè)反作

47、用力以平衡列車的側(cè)向力，使列車回到線路中心線的位置。1.3 推進(jìn)原理磁懸浮列車推進(jìn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，展開以后，其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮：采用短定子異步直線電機(jī)。在車上安裝三相電樞繞組，軌道上安裝感應(yīng)軌。采用車上供電方式。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，造價(jià)低，適用于中低速城市運(yùn)輸及近郊運(yùn)輸以及作為短程旅游線系統(tǒng)；主要缺點(diǎn)是功率偏低，不利于高速運(yùn)行。超導(dǎo)磁斥式磁懸?。翰捎瞄L(zhǎng)定子同步直線電機(jī)。其超導(dǎo)電磁體安裝在車輛上，在軌道沿線設(shè)置無(wú)源閉合線圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導(dǎo)電磁線圈的采用，為直線同

48、步電機(jī)的激磁線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)提供了方便條件。它們可以共存于同一個(gè)冷卻系統(tǒng)，或者同一線圈同時(shí)起到懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)的作用。高速長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)牽引系統(tǒng)的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜。地面牽引系統(tǒng)，供電一個(gè)區(qū)間（長(zhǎng)約30km）區(qū)間又分成許多段（約3001000m），每段只有列車通過(guò)時(shí)供電，各段切換由觸點(diǎn)真空開關(guān)完成。為使列車在段間不沖動(dòng)，需兩組逆變器輪流供電，其特點(diǎn)為大功率、高壓、大電流。動(dòng)力在地面的優(yōu)勢(shì)有路軌電機(jī)的功率強(qiáng)以及車輛的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、重量輕。適用于高速和超高速磁懸浮鐵路。2、磁懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)及展望2.1 優(yōu)點(diǎn)適于高速運(yùn)行：磁懸浮列車最大特點(diǎn)在于它沒(méi)有通常的輪軌系統(tǒng)，由于消除了與輪軌之間的接觸，不存在由于輪

49、軌摩擦及黏著所造成的諸如極限速度等影響列車運(yùn)行的問(wèn)題，速度可達(dá)500km/h以上。穩(wěn)定安全：列車運(yùn)行平穩(wěn)，能提高旅客舒適度，由于磁懸浮系統(tǒng)采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生脫軌和顛覆事故，提高了列車運(yùn)行的安全性和可靠性。污染小，易維護(hù)：磁懸浮列車在運(yùn)行中既不產(chǎn)生機(jī)械噪聲，也不排放任何廢氣、廢物，對(duì)周邊環(huán)境的污染極小，有利于環(huán)境保護(hù)，加上磁懸浮列車由于沒(méi)有鋼軌、車輪、接觸導(dǎo)線等摩擦組件，可以省去大量維修工作和維修費(fèi)用。效率高：磁懸浮列車能充分利用能源、獲得較高的運(yùn)輸效率。另外，磁懸浮列車可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，因此將成為未來(lái)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種交通工具。2.2 展望過(guò)去的30多年，磁懸浮列車的發(fā)展之快令人瞻目。

50、不僅在德國(guó)和日本磁懸浮列車已進(jìn)入到實(shí)用性階段。美國(guó)的佛羅里達(dá)州也已決定在2003年11月1日前正式開始建造磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)將連接佛羅里達(dá)州的5個(gè)最大的城市。德國(guó)政府正計(jì)劃在慕尼黑機(jī)場(chǎng)到火車站之間建造一條長(zhǎng)35km的高速磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)，最新研制的TR08 型磁懸浮列車將在該線上行駛。從慕尼黑機(jī)場(chǎng)到火車站僅需10min，比普通的火車快4倍。我國(guó)的上海也已在2000年11月正式與德國(guó)簽定合約，引進(jìn)德國(guó)技術(shù)，在上海浦東陸家嘴和浦東機(jī)場(chǎng)之間已開始建造磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)。在世界上邁出了將磁懸浮列車作為高速綠色運(yùn)輸工具的重要的第一步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子集成技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮列車的技術(shù)性能將得到進(jìn)一步的完善。超導(dǎo)材料和超低溫技術(shù)的發(fā)展使建造磁懸浮列車的成本可能大幅下降。作為一種安全、快速、舒適的“綠色交通工具”，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)人類賴以生存的地球的環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng),磁懸浮列車必將