时间：2023-10-11 16:56:57
关键词：工程电磁场；教学内容；教学方法；课程体系
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0139-02
《工程电磁场》是电气工程专业的重要专业基础课程之一。它所涉及的内容是电气工程专业学生应具备的知识结构的必要组成部分，同时又是一些交叉领域的学科增长点和新型边缘科学发展的基础[1]。它既有自己的理论体系又有很强的工程实践性。在《工程电磁场》课程的各教学环节中，理论教学是基础，对学生学习课程的知识起着关键性的作用。而理论教学又是以课堂教学为主的形式，课堂教学应是师生共创的活动。但是，该课程概念普遍抽象枯燥、运用数学工具多、理论分析推导繁琐等特点，影响了学生学习所需的认知能力、创新能力的培养，影响了学习该课程的热情和兴趣。所以，如何优化该课程内容以及如何提高课堂教学质量就显得非常迫切和必要。特别是如何在各校调整专业培养计划，压缩技术基础课教学时数的背景下（我校该课程压缩为32学时）提高教学质量，是亟待解决的教学改革问题。
一、教学过程最优化体系
“教学过程最优化”理论创立者前苏联著名教育理论家巴班斯基曾指出：“教学过程的最优化，就是指通过选择一种适合教育过程具体情况的教学方法，使教师和学生在花费最少的必要时间和精力的情况下，获得最好的效果”，同时强调最优化是在符合教学规律和教学原则的基础上，教师有意识有科学根据的教学方案的选择，其优化体系包括：教学内容的优化体系；课堂目标的优化体系；课堂教学方法的优化体系；教学手段的优化体系；学生课程反馈优化与矫正的体系。
二、教学目标与要求
《工程电磁场》教学在普通物理电磁学的基础上，使学生通过系统的电磁理论的学习，能够达到以下的学习目标：进一步熟悉宏观电磁场的基本性质和基本规律；对电气工程中的电磁现象和电磁过程，能用场的观点进行初步分析；对一些简单的问题能进行计算；为学习专业或进一步研究电气设备电磁场问题，准备必要的理论基础。教学以静电场、恒流电场和恒定磁场原理为主，结合电磁辐射、电磁污染、电磁兼容、涡流效应等工程技术问题分析，通过课堂教学、实验和虚拟实验教学、习题练习和考试等环节完成整个教学过程。电气工程的电磁场课程研究的是各种电气设备内部电磁场，学习的是工程电磁场的本质。掌握电磁场的产生机理、电磁场的边界条件是学生把握电磁场物理本质的重点。传统的电磁场教学要求在深刻理解重要的物理量电场强度和电位移、电位、电流密度、磁感应强度和磁场强度、矢量磁位、动态位的基础上建立电磁场的重要性质与规律——积分形式和微分形式的电磁场方程组，并解释电磁场的性质和规律。应用高斯通量定理、安培环路定理的积分形式计算对称的简单场，培养学生在分析电磁场问题中能正确寻找并应用边界条件的能力。让学生能够理解电磁场能量的分布及传输，掌握通过能量关系计算电场力、磁场力的方法，了解电路参数的计算原则，掌握平面电磁波在电介质及导电媒质中传播的基本规律[2，3]。
三、《工程电磁场》教学内容体系
传统《工程电磁场》教学内容体系包括静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场、准静态电磁场等。《工程电磁场》的主要教学内容中存在两大体系：一种是先静态场后时变场的教材体系。这种传统体系起点较低，学生比较容易接受，但与物理学中电磁学部分重复较多，学生会感到厌烦。同时从这些基本定律出发逐一推演静态场的特性必然费时很多，导致时变场被压缩。另一种是先时变场后静态场并以时变场为主的教材体系。这种体系虽然压缩了静态场，充实了时变场的内容，但起点高，学生不易接受。无论选用哪种体系的教材，对教师来说，至关重要的是如何组织教学、整合与表达教材内容。特别是近几年来，随着我国高校综合素质教育要求的不断提高，专业基础课、专业课普遍存在压缩课时的总趋势。因此，在较短的课时中要讲清要点，精简多练，突出教学内容的工程性，教学组织就显得尤为关键[4]。
四、教学内容体系的优化
针对传统教学内容，教学时数大幅压缩而教学质量不降低，为了解决这一矛盾，我们对教学内容体系采取优化措施。
1.优化课堂教学。（1）优化数学内容。电磁场理论是以麦克斯韦方程组为核心的理论体系，所有的电磁规律都有对应的数学模型，会在电磁场理论中大量使用矢量分析与场论、特殊函数和数学物理方程等数学知识，虽然学生已学过这些数学知识，但是在学习时没有具体应用，所以，当需要应用这些数学工具时，学生就会感到很困难。学生本就对电磁理论的学习有畏惧感，如果我们上课时再进行大量的数学推导，一是课时不允许，二是更加剧了学生的畏惧感。根据这一现状，在教学中要简化数学推导，优化数学推导过程，直接给出结论，重点分析数学公式代表的物理意义。（2）优化知识结构内容，减少静态场学时，增加时变场学时。减少静态场学时数后，时变场教学时数增加，内容从电磁感应、麦克斯韦方程组、波动方程到平面波和辐射，学生可以较全面地了解电磁场理论体系，掌握时变场的分析计算方法。从一个新的角度学习电磁理论，更容易激发学生的学习兴趣，有兴趣才有动力，这是保证学习质量的基础。而以往电磁场理论教学中静态场教学时比例偏大，其基本概念学生在电磁学知识中已学过，学生觉得没有新意，只是简单重复，没有学习兴趣，因此静态场教学内容应调整为以讲解重点知识为主。静态场学时、时变场学时占总学时的比例可由75%和25%优化为50%和50%。（3）结合教师的科研成果进行教学。应结合教师的科研工作以及最新的科技成就及其发展趋势，在课堂上向学生介绍电磁学内容在生活和工程中的广泛应用。将当今社会发展中的新设备、新技术贯穿于教学过程。例如在讲到电磁感应时，可以结合生活中的电磁辐射与电磁污染的问题、涡流效应在生产生活中的应用等，来激发学生学习热情。（4）优化教学手段。在教学中采用多元化的辅助教学手段是解决电磁场理论难教、难学问题的有效手段。例如采用多媒体教学手段可以解决以前在黑板上很难讲清楚的问题和那些书写量很大的问题，特别是在课时少的情况下，具有非常大的优势。多媒体课件绘制的图形具有立体化、动态化、色彩化等特点。可根据个人特点、专业需求，以及学生的具体情况对电子教案进行随时实施优化。（5）增加工程电磁场数值计算的教学内容，在电磁理论教学中引入“数值计算方法”的教学内容，教学实践表明，基于深化和加强电磁场工程分析能力，学生对此学习内容有浓厚的学习兴趣，教学效果显著。因此增加此部分内容的教学，对于适应电磁场课程后续教学的需要，加强本科生分析和解决工程电磁场问题的能力非常必要，并使学生不间断地接受计算机辅助分析能力的培养，以满足较高层次本科大学生的培养要求。
2.优化实验教学环节。以往的实验教学多在实验室进行，做的实验也往往是一些验证性的实验，学生感觉实验与理论脱节，对促进教学质量的提高帮助不大。为了提高教学质量，有必要优化实验教学内容，挖掘新型实验教学内容，可将一些易于携带、装置简单、轻便的仪器直接带入课堂，采取边讲解边演示的方式，或以适当的方法将部分工程电磁场演示实验拍摄成录像短片，在授课过程中配以使用，也会起到非常好的教学效果。在教学过程中，通过工程电磁场实验演示可以强化学生对理论知识的理解，对电磁理论规律的掌握，培养学生的观察能力和逻辑思维能力，以激发学生学习工程电磁场的兴趣。
3.课程的延伸与拓展。课程的延伸与拓展是对课堂教学内容的延伸与补充，如课外答疑，课外习题，电磁场数值和计算机仿真或虚拟仿真实验，电磁场动态建模，电磁兼容的专题研究等。课程的延伸与拓展能培养学生的科研能力和创新能力，使每个学生的能力都得到发展。实践表明，我们开展的课程的延伸与拓展受到了学生的欢迎，对于学生素质能力的培养起到了积极地作用。
五、结束语
针对《工程电磁场》课程教学时数大幅减少这一事实，我们研究了课程教学内容体系优化等问题。我们紧紧围绕工程磁场的物理实质，将课堂教学、实验教学环节和课程延伸与拓展三部分形成完整的《工程电磁场》教学内容优化体系，在实施过程中注意遵守教学内容的科学性原则，优化教学资源配置，以学生能力养成为本，以21世纪工科人才培养为目标，切实提高《工程电磁场》的教学质量。
结合我校该专业的培养计划安排，我们对该专业的《工程电磁场》课程体系理论进行了优化，实践证明，收到了满意的教学效果。
参考文献：
[1]冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2000：1-60.
[2]毕德显.电磁场理论[M].北京：电子工业出版社，1985：235-291.
[3]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：34-78.
王昕 王静怡
（.王昕.福建水口发电集团有限公司，福州 350004）
摘要：本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR技术在电力系统中的应用前景。
关键词：隧道磁电阻效应；传感器；电力系统
1 引言
传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件[1]。传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象.本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。
2 磁电阻效应
2.1巨磁电阻效应
磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H) =[ρ(0)- ρ(H)]/ρ(H)。大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应,但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance Effect，GMR效应)（图1）。GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。
2.2 隧道磁电阻效应
随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）（图2）中发现了隧道磁电阻效应（Tunnel MagnetoResistance Effect，TMR效应），其MR值可以达到400%。TMR效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。由于两铁磁层的矫顽力不同，当饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，两铁磁层的磁化方向变成反平行。因此，可以通过施加外磁场的方式改变两铁磁层的磁化方向为相互平行或反平行，从而使得隧穿电阻发生变化，即产生TMR效应 [2]。由于TMR磁性隧道结的两铁磁层间基本不存在层间耦合，所以只需要一个很小的外磁场即可实现铁磁层磁化方向的改变，引起隧道磁电阻的巨大变化，因此TMR元件具有很高的磁敏感度。而且，TMR元件还具有电阻率高、能耗小、性能稳定的特点，所以TMR元件作为磁敏感元件，在各种电流、位置、角度传感器中具有很好的应用前景。
3 隧道磁电阻传感器
3.1 TMR电流传感器
TMR电流传感器通常采用如图3（a）所示的惠斯通电桥结构，这种结构中包含有4个TMR元件，所有TMR元件均未屏蔽，但R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反。当磁场变化时，R1、R2电阻变大，而R3、R4电阻变小，这样可以输出较大的电压。TMR磁传感器也可以采用如图3(b)所示的半桥结构，这种结构只包含2个磁敏感方向相反的TMR元件，虽然输出电压和灵敏度减小，但功耗低，尺寸小，成本低，使用更加灵活。
如表2所示，与现有的电流互感器、感应式磁力计、霍尔传感器和OFCT电流传感器等电流测量方式相比，TMR电流传感器具有能够测量从直流到高频（MHz）信号、测量范围宽、灵敏度高、温度稳定性好、体积小等优点。而且，对于电力系统分布式测量和数据采集而言， TMR电流传感器具有结构简单、成本低廉、便于大规模推广使用的优势。
附表2 TMR与常见电路传感器
种类
CT电流互感器
霍尔电流传感器
光纤电流传感器
TMR电流传感器
原理
电磁感应
Hall效应
磁光效应
隧道磁电阻效应
体积
大
小
大
小
直流测量
否
是
是
是
灵敏度
低
低
高
高
有源/无源
无源
有源
无源
有源
成本
高
低
高
关键词：实验;不足;改进;优点;注意事项
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）1-0061-2
在人教版《物理选修3-1》中，对通电导线在磁场中所受安培力大小的研究，是在第二节“磁感应强度”中作为演示实验“探究影响通电导线受力的因素”开出的，只定性的研究了与电流大小、导线长度的关系，然后在第四节“通电导线在磁场中受到的力”中就直接用“在第2节的学习中我们已经知道”给出结论，给学生理解上造成一个较大的思维断层。
第二节的重点、难点是“磁感应强度概念”的建立，用图1所示的仪器，有电流通过时导线将摆动一个角度，通过摆动角度的大小比较导线受力的大小，通过分别接通“2、3”和“1、4”来改变导线通电部分的长度，电流由外部电路控制，观察这两个因素对导线受力的影响，从这个实验事实分析得出：通电导线与磁场方向垂直时，它受力的大小既与导线的长度成正比，又与导线中的电流成正比，用公式表示为：F=BIL，B是比例系数。在这里，该实验是为磁感应强度概念的建立服务的，弱化了该实验的重要性。并且，按教材中的要求进行实验，在现有县市及农村高中实验室，没有大电源和强磁场，很难取得理想效果。这一实验主要存在三方面不足：①受条件限制，现象不明显，单根导线的受力在改变电流时，角度变化对比不方便也不明显;②无法进行定量研究和对比;③没有研究安培力的大小与磁感应强度的关系。针对第一点不足，我们往往用一个线圈来代替单根导线，现象明显得多，但其他两个问题不好解决。为了解决这个问题，笔者对该实验进行了改进，效果非常好，而且把它改成一个学生分组实验，时间安排在讲完第二节“磁感应强度”之后，或在第四节“通电导线在磁场中受到的力”之前，既突出该实验的重要性，也让学生在理解上没有思维断层。
1 具体的改进方法
如图2所示，把实验仪器全部安装在一块400×500 mm的实木板上，做一固定支架用来悬挂磁铁，支架高度要使磁铁挂上去后两极与线圈上部导线在同一高度，悬挂磁铁的横梁上要有固定磁铁的卡子，当悬挂两块以上磁铁时，磁铁不会自由移动;选择感量为0.1 g、具有清零功能和单位转换功能的电子秤置于支架下方;用一方形线圈固定在电子秤上，线圈在悬挂磁铁的横梁的正下方，且当挂好磁铁时线圈在两磁极的正中间位置。
图2 改进后的实验装置一
2 改进后的优点
①可以成套组装，并把演示实验改成学生分组实验，加深学生的感性认识;并且改装或自制的仪器，更容易激发和提高学生的学习兴趣。
②改成学生分组实验，在讲完第二节“磁感应强度”之后进行实验，还可以定性地研究安培力大小与磁感应强度的关系。
③实验现象明显，可以研究当通电导线与磁场方向垂直时安培力大小与电流、导线有效长度的定量关系;还可以把磁铁斜放，使其磁场方向与电流成一定夹角，研究安培力的大小与夹角的关系。
3 注意事项
①电子秤很灵敏，加减磁铁要轻拿轻放，更不能用手直接去压电子秤，而且与线圈连接的导线略有移动都会影响测量数据的准确性，实验中不能碰触与线圈连接的导线，开机能自动清零，中间每次实验开始前要注意电子秤清零，以消除导线产生的误差。
②同一套仪器内的几块磁铁，尺寸要相同，磁感应强度要尽量相同，选择磁铁时，保持电流相同，每次单独放一块蹄形磁铁，电子秤示数相同的可以认为它们的磁感应强度相同。
③通电导线在磁场中的长度可认为等于磁体的宽度，当挂一块磁铁时通电导线长度记为L，挂两块磁铁时通电导线长度记为2L，挂三块磁铁时通电导线长度记为3L。
④研究安培力大小与磁感应强度的关系时，悬挂一块磁铁测量一次，然后在磁铁两极上吸附1～2块强磁片来改变磁感应强度，可定性地得出安培力大小与磁感应强度的大小成正比的结论。
以上改进制作简单，操作方便，数据精确，对学生理解“影响通电导线受力的因素”和激发学生的学习兴趣可起到很好的效果。
参考文献：
[1]梁雷.《通电导线在磁场中受到的力》教学设计[J].物理教学探讨，2014，（2）：64.
[2]人民教育出版社课程教材研究所.物理选修3-1教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2010.
一、知识目标
1、知道电磁驱动现象.
2、知道三相交变电流可以产生旋转磁场，知道这就是感应电动机的原理.
3、知道感应电动机的基本构造：定子和转子.
4、知道感应电动机的优点，知道能使用感应电动机是三相交变电流的突出优点.
二、能力目标
1、培养学生对知识进行类比分析的能力.
2、培养学生接受新事物、解决新问题能力.
3、努力培养学生的实际动手操作能力.
三、情感目标
1、通过让学生了解我国在磁悬浮列车方面的研究进展，激发他们的爱国热情和立志学习、报效祖国的情感.
2、在观察电动机的构造的过程中，使学生养成对新知识和新事物的探索热情.
教学建议
1、由于感应电动机的突出优点，使它应用十分广泛、本节对它做了简单的介绍，以开阔学生眼界，增加实际知识.但作为选学内容，对学生没有太高的要求，做些介绍就可以了.
2、可以通过回忆前一章习题中提到的电磁驱动现象，本节的关键是通过演示、讲解使学生明白三相交变电流也可以产生旋转磁场，做到电磁驱动，这就是感应电动机的原理.这有利于新旧知识的联系和加强学生学以致用的意识.有条件的可以看实物或带学生参观，以增加实际知识.
3、课本中的感应电动机的内容，简要地介绍了感应电动机的转动原理，其中的核心内容是旋转磁场概念.建议教师如果可能的话，应找一台电动机，拆开了让学生看一看各个部分的形状.三相感应电动机在工农业生产中的应用很广泛，最好能让学生看一些实际例子.
教学设计示例
感应电动机
教学准备：幻灯片、感应电动机模型、学生电源、旋转磁铁
教学过程：
一、知识回顾
电磁驱动现象说明
二、新课教学：
感应电动机
1、过回忆绍电磁驱动现象：在U形磁铁中间放一个铝框，如果转动磁铁，造成一个旋转磁场.铝框就随着转动.这种电磁驱动现象.
告诉学生感应电动机就是应用该原理来工作的.
2、旋转磁场的产生方法：
旋转磁铁可以得到旋转磁场
在线圈中通入三相交流电也可以得到旋转磁场.
3、感应电动机的结构介绍
定子：固定的电枢称为定子
转子：中间转动的铁心以及铁心上镶嵌的铜条叫转子
4、鼠笼式电动机模型介绍
感应电动机的转子是由铁芯和嵌在铁芯上的闭合导体构成的.闭合导体是由嵌在铁芯凹槽中的铜条(或铝条)和两个铜环(或铝环)连在一起制成的，形状像个鼠笼，所以这种电动机也叫鼠笼式感应电动机.
5、感应电动机的转动方向控制
由于感应电动机的构造简单，因此如果要改变转子的转动方向，只需要把定子上的任意两组线圈的电流互换一下就就可以通过改变旋转磁场的旋转方向来改变转子的转动.
长波通信与短波通信相结合为克服卫星通信抗毁性差的问题，在该方案中UUV收到长波信号上浮至水面后改用短波通信的方式与岸络。由于采用短波通信代替了卫星通信，因此该方案的抗毁性有明显提升，但仍存在隐蔽性不佳的问题。长波通信独立工作在该方案中直接将长波信号作为与UUV间的通信信号，其优点是可保证UUV始终不浮出水面完成通信任务，具有较好的隐蔽性。但在该方案中，信息只能单向传输，且通信时信息传输速率较低。
技术与中短波不同，长波信号波长很长，在自由空间和海水中都有自己独特的传播模式和特点。再加上发射天线辐射效率低，UUV与发信台间距离远，到达接收天线的信号已经非常微弱，这些使海水中工作的接收天线在结构和性能上异于一般天线。本文针对长波通信信号微弱但方向性较强的特点，分析了用来接收水下长波信号的天线结构。分别选择磁性天线、电极对天线和超导量子干涉器作为研究对象，分析将其作为水下长波信号接收天线的可行性。2．1相隔一定距离的电极，电极之间相互绝缘并分别与海水接触，也可将其理解为在海水中测量2点间电位差的探针，电极对天线的最大有效长度为两电极间的物理距离，要想接收到较强的长波信号就要求电极对天线具有较长的尺寸，现有的电极对拖曳天线有效长度不小于100m。而UUV的体积有限，要想将电极对天线直接安装在UUV上十分困难，而且电极对天线难以实现对长波信号的全向接收，因此电极对天线不适合作为在UUV上直接安装的长波接收天线。超导量子干涉器超导材料于1911年由H．K．Onnes首先发现。如今超导材料已经在雷达、通信、航空、航天、天文观测和数字计算机等传统电子学领域得到了广泛应用。其中超导量子干涉仪(SQUID)更是以其极高的灵敏度和优良的低频响应在无线电频谱的低段展示了无可置疑的应用潜力和广阔的应用背景。随着高温超导材料和技术的发展，高温超导量子干涉仪(HTcSQUID)以其兼具高灵敏度和制冷系统实现方便、可靠性高的优势而得以广泛应用。在器件水平上，低温SQUID的磁场灵敏度的指标可达10－15T量级，HTcSQUID磁场灵敏度也可达10－14T量级。若采用HTcSQUID作为长波信号的接收天线，则单个HTcSQUID器件的接收灵敏度即可达到10－14T，完全能够收到水下的长波信号强度。目前采用SQUID器件制作的超导天线验证模型长度不超过10cm，其灵敏度已基本接近10－14T，如果能进行水下接收验证试验，则可说明超导磁性天线可以代替现有的拖曳天线，有望克服现有装备天线的不足。SQUID作为UUV长波接收天线，首先要采取温度控制技术解决其本身超导的问题;另外，当天线处于较大深度时，大气噪声衰减较大，热噪声和运动感应噪声成为主要的噪声源，因此降低噪声提高其灵敏度也成为关键技术。
SQUID作为长波信号接收装置具有最小的体积和最高的灵敏度，但其设计开发较为困难，SQUID装置的低温保存技术、三轴传感器的正交性设计、后续的信号处理电路设计都较为复杂，技术实现上存在一定的风险。但有理由相信，随着超导技术迅速的发展，将SQUID技术应用于水下长波信号接收系统中的时间并不遥远。长波信号磁性接收天线长波发射天线辐射效率极低，能够辐射到信道中的信号强度非常有限，并且信号从大气进入海水中和在水下传播都会产生较大的衰减，导致到达水下接收点的长波信号十分微弱。采用磁性天线接收水下长波信号，首先要求天线具有较高的灵敏度，同时，还要考虑天线的工作频带应包含长波信号的频率范围。磁性天线由前端感应线圈以及后续调理和放大电路组成，后续放大电路是在前端感应线圈接收信号的基础上对信号进行放大，因此，设计出具有高灵敏度的感应线圈是设计磁性天线的基础。研究磁芯和线圈各参数与天线灵敏度和天线的频率响应的关系，找出其存在的规律，从而较好地设计出在需要频带内具有高灵敏度的磁性天线，分析天线中可能影响天线性能的各参数，并找出对天线各指标的影响情况是1项十分重要的工作。骨架一般采用非铁磁性材料加工而成，要求具有一定的强度且具有良好的稳定性;线圈要求材料本身的电阻率较低，有足够的机械强度，在一般情况下有较好的耐腐蚀性;磁芯一般采用高磁导率的软磁材料加工而成。磁芯置于骨架内部，线圈绕于骨架上。当磁性天线放于交变的外磁场中时，其前端的感应线圈棒两端将产生感应电动势，设磁性天线的感应线圈棒置于H(t)=H0sinωt的外磁场中，不考虑外磁场与天线之间的夹角，则感应线圈棒两端的感应电动势为:（式略）式中:f为交变磁场频率;N为线圈匝数;S为磁芯横截面积;μe为磁芯的有效磁导率，当为空心线圈时，μe为真空相对磁导率;H0为交变磁场幅值。可见，感应电动势e与穿过线圈截面积的磁通变化率成正比，而磁通与线圈截面积、匝数、磁芯有效磁导率以及通过线圈的磁场强度成正比，式中负号表示感应电动势的方向是反抗磁通变化的方向。由式(2)可以看出，要提高感应电动势，必须在设计天线时重点考虑S、N、μe3个参数。不同天线的比较1)电极对天线的有效长度最大为两电极间的物理距离，要想接收到较强的信号就要求电极对天线具有较长的尺寸，而UUV上的体积有限，要想将电极对天线直接安装在UUV上十分困难，因此电极对天线不适合作为在UUV上直接安装的接收天线。2)SQUID作为长波信号接收装置具有最小的体积和最高的灵敏度，但其设计开发较为困难，SQUID装置的低温保存技术、三轴传感器的正交性设计、后续的信号处理电路设计都较为复杂，技术实现上存在一定的风险。3)磁性天线具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点，结合自适应噪声抵消算法，磁性天线可有效降低UUV自身电磁噪声的影响，可作为直接在UUV上安装的长波信号接收天线。
本文讨论了将长波通信技术应用于UUV时的通信方式，分析了适合直接安装在UUV上的长波接收天线形式，分别对磁性天线，电极对天线、超导量子干涉器的组成结构、接收性能及直接安装在UUV上实现信号接收的可行性进行了分析。结果表明:磁性天线具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点，可作为安装在UUV上的长波信号接收天线。
作者：付天晖 苏敏 单位：海军工程大学
关键词：中低速磁悬浮列车；技术原理；应用前景
引言
随着城市化进程的加快，许多城市确定了以城市轨道交通为主干，常规地面公交为辅助的城市轨道交通发展战略和政策，轨道交通正逐渐成为城市交通的骨干。在实现这一战略目标过程中一个迫切需要解决的问题是城市公共交通体系的选择问题，城市决策部门希望在轨道交通中选择较为合适的交通工具。中低速磁悬浮列车作用一项新的交通工具而受到越来越多的关注。
1 磁悬浮列车技术特点
轮轨列车依靠车轮与轨道的机械接触来产生支撑力和导向力，牵引力通过轮轨之间的粘着现象产生。磁浮列车最大的特点是取消了车轮，依靠电磁吸力或电动斥力将车辆悬浮至一定高度，使车辆与地面轨道间无机械接触。并由电磁吸力和电动斥力产生导向力，并由直线电机产生的牵引力驱动列车运行，从根本上克服了轮轨列车粘着限制。
磁悬浮列车主要由悬浮系统、导向系统、牵引系统三大部分组成。按照悬浮方式的不同，主要分为电磁吸力型悬浮(EMS)和电动斥力型(EDS)两种基本的悬浮方式。随着对上述两种主要磁浮方式运用研究的深入以及材料技术的进步，又有专家、学者提出超导悬浮和永磁悬浮的理论，并进行了相关试验、验证。同时也提出了利用上述4种悬浮方式组合研制磁悬浮列车的新概念。表1列出了磁悬浮列车的分类情况。
2 主要技术原理
2.1 采用电磁吸力型悬浮导向系统
HSST是采用电磁吸力型磁悬浮方式，在车体结构的下方安装有电磁铁，环抱于线路轨道下方，通过电磁铁与钢轨间的吸引使车辆悬浮，利用位于电磁铁与钢轨间的间隙传感器来控制电流，使其间隙保持一定。悬浮高度为8mm。为使列车在停车条件下也能保持悬浮状态．以及在100km／h运行速度条件下使车体不会与钢轨接触。要求间隙传感器具有良好的响应。
导向采用非主动控制方式，即利用F型轨道与悬浮电磁铁铁心发生侧移时产生的回归力及迫导向机构来实现导向。图1为悬浮导向原理图。
2.2 采用短定子直线感应电机推进系统
列车推进是采用车上的直线电机来实现的。在车上装载有移动磁场发生器，它是由电机线圈和VVVF逆变器组成。由于移动磁场的存在，使置于地面的铝板感应出涡电流。正是这种移动磁场与涡电流的磁场力推动车辆前进。
2.3 采用先进的运行控制技术保证行车安全
列车采用交叉感应环线定位方式，交叉感应环线敷设在轨道中间的轨 枕上。在磁浮列车底架上，正对交叉感应环线上方安装有用于定位的信号接收探头，车上还设有通过交叉感应环线与地面设备进行数据通信的天线。列车各个子系统之间通过先进的计算机技术、网络技术以及通信技术，保证行车安全。
3 中低速磁悬浮列车的特点
3.1 优点
1)磁悬浮线路设计自由度高
由于中低速磁悬浮列车爬坡能力强，曲线半径小，所以线路设计自由度高。磁悬浮车辆与地铁车辆线路对比见表2．
3)土建费用低
由于中低速磁悬浮车辆没有车轮，车辆总体高度降低，可以减小地下隧道开挖断面面积；当采用高架线路形式时，其支柱截面小于普通城市轨道交通系统，而且磁浮列车采用线性电机载荷均布，运行时对轨道冲击力较小，轨道结构较简单。所以建设费用相对较低。中低速磁悬浮列车高架桥造价相对于普通轮轨系统减少了40％。不同轨道交通系统工程造价对比见表4。
4)运行安全
由于磁浮车辆结构的特点，不容易发生脱轨和翻车事故。意外停电时，可自动启动车载电源维持悬浮，直到安全停车。控制系统采用冗余部件设计，即使某些部件发生故障，仍可保证列车安全运行。
5)运行维护费用较低
由于不存在轮轨间的摩擦，动力系统不存在旋转运动部件。易损易耗件少，因此，磁悬浮列车的运行维护费相对较低。
3.2 缺点
1)由于磁悬浮列车的灵活性不高，车辆较短，一般为15m左右，不能承担高运量和大运量的运营任务。
2)直线电机空气隙大，漏抗值较高，又增加了边缘效应的损耗，故效率及功率因数都较低，系统耗电量较大。
3)悬浮高度较低，对线路的平整度，路基下沉量及机械式道岔结构有较高的要求。
4)磁悬浮的电磁辐射的危害还未经过科学论证。
5)由于线路高架，所以故障救援困难。
4 应用前景
【关键词】 电磁发射 数学模型 系统方程
Multi-level electromagnetic launch system modeling
XIA Yujie （Anhui University Communication Engineering Anhui Hefei 230601 ）
Abstract：Electromagnetic emission technology is widely used in military， civilian aspects and gradually replace the traditional firepower， machinery and other means of transmission. So establishing numerical simulation model of the electromagnetic launch system is necessary. By analyzing the characteristics of the transmission circuit and system kinematics， establish electromagnetic launch system model， and thus derived system of equations， choose a better stability Treanor algorithm for solving nonlinear ordinary differential equation， system model established stable solution.
Keyword：electromagnetic emissions； mathematical model； system of equations
一、引言
现有的化学式推进装置有许多缺点，传统的化学式弹射会产生强光、强冲击波以及弹射系统过于庞大和复杂。随着脉冲功率技术、脉冲强磁场、等离子体技术、新材料技术、高能工质技术及测试等相关技术的发展，电磁弹射技术的进展为改进传统弹射方法提供了可能。
二、电磁发射技术分类及工作特点
电磁推进技术对比于传统的机械推进装置和化学高速发射装置来说，具有以下突出优点：（一）能源简单、成本低；（二）可移动性强、工作稳定；（三）电磁推进装置清洁环保，无噪音及其它污染；（四）对推进装置的结构限制较小。电磁发射按照结构不同可以分为导轨式、同轴线圈式和磁力线重接式3种，表3-1分别对三种电磁发射结构进行说明[1]：
2.1导轨型电磁推进器
导轨式电磁推进器是由两条平行的金属导轨和一个抛体电枢及载荷，以及高功率脉冲电源组成，如图2-1所示。电枢位于两导轨之间被加速运动，可以是高导电率的固体金属，也可以是等离子体，或者是两者的混合体。高功率脉冲电源通过开关向导轨和电枢回路通电，提供脉冲大电流，在两平行导轨之间产生强大的磁场，与流经电枢的电流相互作用，产生强大的电磁力，该力推进抛体电枢加速运动。
2.2同轴线圈型电磁推进器
同轴线圈式电磁推进器由固定不动的驱动线圈、被加速的抛体线圈或电枢和激励电源组成。当激励电源通过开关向驱动线圈馈以电流时，驱动线圈中产生磁场或磁行波，同时使抛体线圈载流或电枢感应电流驱动线圈中的磁场对抛体线圈电流产生电磁力=，电磁力含有纵向和横向两个分量，纵向力拉动或推动抛体线圈加速运动。其结构如图2-2所示[2]：
2.3重接型电磁推进器
变化的磁场在抛体上感生涡流，涡流与重接磁场相互作用产生电磁力。重接型电磁推进过程中系统负互感被正互感取代，电感变化较大， 用于加速抛体的轴向力较大，因此具有更高的效率；重接型电磁推进中抛体受力波动较小，抛体加速运动有更大的稳定性。原理图如2-3所示。
三、电磁发射系统结构
3.1 电磁发射器的系统方程
式中：[L]为各个线圈的自感矩阵；[M]为线圈间的互感矩阵； [I]为定子线圈与抛体的电流列阵；[VC]为电容器组的电压列阵；[C]为电容器组的电容列阵；[R]为电阻矩阵；MP、v、X分别是抛体的质量、速度、位置。该系统方程为非线性方程组，参数的变动性与相互耦合性给解方程组带来了困难。首先要计算其系数阵，需要计算分片抛体与定子线圈间互感、自感与互感梯度。在系统发射的过程中，互感与互感梯度与抛体与定子线圈的相对位置有关，因此要进行多次重复计算，选择计算方法时要优先考虑算法效率与计算精度。
3.2 单层螺线管的互感方程
互感梯度的计算转换成四项单重积分运算，利用高斯求积公式可以增加计算精度的可控性。
3.5系统方程的刚性特征
时间常数是通常用来表示指数函数衰减，如果方程组中的时间常数相差很大，方程中的变量变化速度相差较大，导致数值解法误差变大，则此常微分方程组特性为刚性性质，刚性方程又称病态方程。描述刚性方程分量变化差异的量化值为刚性比。
刚性由微分方程自身性质决定，电磁发射中的系统方程组呈现刚性，传统的常微分方程组的解法不适用，所以，求解系统方程组选择对求解刚性方程良好稳定性的 Treanor 算法[4]。
四、结语
电磁发射与以往的发射方式相比具有更高的出速度、发射成本低、准备周期短、发射隐蔽等优点，因此它在武器装备、导弹防御系统、空间应用等许多领域内有广泛的应用前景。目前仍存在着一些有待解决的问题，为电磁发射系统建立恰当的数值仿真模型尤为重要，这会对我国电磁发射技术发展起到关键性作用。
参 考 文 献
[1] Wang Ying， Richard A.Marshall， and Cheng Shukang. Physics of Electric Launch[M].Beijing： Science Press， 2004.
[2]王莹，肖峰.电炮原理[M].北京：国防工业出版社.1995.
[3] 闵飞炎， 杨明.电磁发射技术的关键问题及其数值模拟[J].固体火箭术.2009 .
【关键词】有源正激钳位;模态;励磁电感;损耗
引言
高功率密度、低压大电流DC/DC模块电源的需求与日俱增，由此推动了其相关技术的研究与发展。在适合低压大电流应用的DC/DC变换器拓扑中，常用的BUCK拓扑中有效的功率转换只发生开关导通时间内，其余时间里负载将由电感提供能量，因此低压输出情况下变换器的效率降低。为了克服这种困难，可采用反激变换器或正激变换器拓扑增大占空比，提高效率。但反激变换器，由于二次侧没有输出低通滤波器，需要一个较大的电容予以储能，同时连续模式（CCM）下的闭环补偿较为困难。与反激变换器相比，正激变换器输出侧多一个电感，但降低了对输出电容的要求，构成的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效的抑制输出电压纹波，因此正激变换器成为低压大电流功率变换器的首选拓扑[2]。
正激变换器的固有缺点是功率开关管截止期间变压器必须磁复位。有源钳位复位电路提供变压器的磁通复位路径，因而不需要复位绕组或是有能量损耗的RCD复位电路。本文将在已选的拓扑上，通过数学方法分析变换器变压器、开关管上的功率损耗，得出在一定的磁链的关系下，选择一个最优的励磁电感，可以使变换器的损耗最小，从而进一步提高效率。
1.有源钳位正激变换器工作原理
有源钳位正激变换器如图1所示。与基本正激电路的不同点是它用辅助开关管S2和电容CC组成一个有源钳位电路来代替传统的去磁电路。其作用有两个：一可减小开关管的电压耐量;二可使变压器磁路复原。下面详细分析这种电路的工作原理[2]。
图1 有源钳位正激变换器拓扑
图2 有源钳位正激电路一个周期内的主要节点波形
为简化分析，先做如下假定：
（1）电路中电感、电容、二极管均为理想;
（2）输出滤波电感可用一恒流源等效;
（3）有源开关S1只考虑漏源间电容Cds;
（4）辅助开关管S2只考虑反并联二极管DS2，忽略其他寄生参数。
图1中变压器等效为励磁电感，漏感Lk和匝数比为n=N1/N2的理想变压器。
在电感电流连续工作模式（CCM）下，有源钳位正激变换器各主要变量的稳态波形如图2所示，下面把一个开关周期分为五个模态（t0～t5）逐一进行分析。各工作状态下等效电路如图3所示。
图3 各模态电路分析
电路的工作过程如下：
（1）模态1（t0-t1）：
变换器处于模态1下的等效电路模型见图3（a）。主开关S1在t0时刻导通，钳位开关S2断开，变压器初级线圈受到输入电压Vi作用，励磁电流线性增加，初级侧流过电流i1。二次侧D1导通，D2截止，电感电流 流经二次侧，能量通过变压器传输到二次侧。
（2）模态2（t1-t2）：
变换器处于模态2下的等效电路模型见图3（b）。t1时刻，主开关管S1关断，变压器激磁电感Lm和负载电流Io/n同时对电容Cds充电。由于充电电流较大且Cds很小，因此这一过程可看作是电容Cds线性充电过程。电容Cds两端的电压（也即主开关管S1漏源间的电压）Vds很快上升到输入电压Vin。
（3）模态3（t2-t3）：
变换器处于模态3下的等效电路模型见图3（c）。t2时刻，电容Cds两端电压等于输入电压Vin，过了这一时刻，整流管D1反偏，整流管D2导通维持负载电流的连续，同时变压器不向负载传送能量;变压器的激磁电感Lm和电容Cds串联谐振，电容Cds两端电压Vds继续上升。
（4）模态4（t3-t4）：
变换器处于模态4下的等效电路模型见图3（d）。t3时刻，电容Cds两端电压Vds等于输入电压Vin和钳位电容Cc两端电压Vc之和。过了这一时刻，辅助管S2的反并联二极管DS2因正偏而导通，变压器的激磁电感Lm、钳位电容Cc和电容Cds三者之间发生谐振。由于Cds远小于Cc（实际两者往往相差几个数量级），为简单起见，可忽略Cds的作用。这样仅激磁电感Lm和钳位电容Cc进行谐振。只要谐振周期大于近似两倍的主开关管S1的关断时间，电路便可以可靠工作。但为了使在整个谐振期间钳位电容Cc两端的电压变换量仅可能小，因此钳位电容Cc应尽可能大。在这期间，钳位电路发生作用，使开关管S1漏源两端电压Vds=Vin+Vc，同时变压器的激磁电流im反向，使变压器磁路得以恢复。为保证谐振时电流能够反向，辅助开关管S2的门极驱动脉冲在主开关管S1关断后经适当延时后来到。
（5）模态5（t4-t5）：
变换器处于模态5下的等效电路模型见图3（e）。t4时刻，辅助开关管S2关断，变压器的激磁电感Lm和电容Cds串联谐振。此期间，电容Cds两端电压Vds下降。在T+t0时刻，主开关管S1重新开通，从而又开始了下一个周期。
2.功率损耗分析
S1在t0～t1时间内开通，这段时间里变压器的磁链可表示为：
实际上开关S1的导通时间很短，可以认为变压器的磁链为一个恒定值。励磁电流可表示为：
在考虑励磁电感的变压器电路模型中，励磁电感用式（1）表示，原边电阻用（2）式表示。
（1）
（2）
其中Rm是铁心磁阻，h为初级绕组每匝的平均阻值，变换器的功率损耗与励磁电感Lm、励磁电流Im、绕组的阻值有关。已有文献[3]指出，单端有源钳位正激式变换器稳态工作时模态1的损耗远大于其他开关模态的损耗，为简化分析，用工作模态1的损耗代替一个开关周期的功率总损耗。表1为过程中出现的各参数说明。
表1 分析过程用到的各参数说明
符号 参数说明 符号 参数说明
Vc 钳位电容电压 RBD1 S1的体二极管正向等效电阻
V2 二次侧绕组电压 RDS2 S2的导通电阻
S1 主开关 RBD2 S2的体二极管正向等效电阻
S2 钳位开关 L 输出电感
n 变压器匝比 C 输出电容
D 主开关占空比 VL 输出电感电压
IO 输出电流 iL 输出电感电流
RDsl S1的导通电阻
图4 输出电流iL的波形
图5 功率损耗分析MATLAB计算值
在工作模态1中，输出电感电压为：
（2）
电流纹波的峰-峰值I是：
（3）
图4是输出电感电流iL的波形图，由图可得iL表达式：
（4）
此模态中，变压器二次侧电流in2=iL ，则二次绕组的电阻产生的功率损耗为Pc2：
把式（3）、式（4）代入，则可得：
显然，如果L值很大，则：
那么括号中前面一项可以忽略，Pc2可简单表示为：
假设漏感Lk远小于励磁电感Lm，可以忽略。初级侧电流il用等式（5）表示如下：
（5）
则模态1下的功率损耗P1为式（6）：
（6）
上式RT1为初级侧总电阻，用下式表示：RT1=RDS1+RC1。
根据（5）式，可以看出随着Lm的减小，i1（t）在IO/n的基础上增大，由于S1存在导通电阻，所以功率损耗增大。另一方面，由（1）式、（2）式可得RC1，RC2亦会增大，所以总的损耗P1增加。输出电流越大，损耗效果越明显。
3.励磁电感的定性分析
将式（5）代入式（6）中，模态1的损耗P1重新表示并求解为：
（7）
因RT1=RDS1+RC1，因此式（7）又可写为下面式（8）的形式：
（8）
P1对Lm求微分，得式（9）：
（9）
其中：
现令式（9）等于零可求出Lm的值。P1对Lm求二次微分得式：
根据数学理论可知，如果上面求得的Lm值使得式（10）大于零，就存在最小的功率损耗。也就是说可以根据式（9）、式（10）找到最优的Lm使变换器的功率损耗最小。
对图1所示电路搭建实验电路，设定匝数比为n=3，输入电压Vi=48V，IO=10A，VO=3.3V，t1=1.5×10-6s，T=5×10-6s。将上述设定值代入式（9），式（10），在MATLAB软件计算下可以得到功率损耗与励磁电感的关系曲线，如图5所示。
由图5可看出，不同的励磁电感值对应不同的损耗值，由图所得到的最小功率损耗值及其对应的励磁电感值P1=1.1584W，Lm=429mH，经实物电路验证，与理论计算基本吻合。
以上讨论的是有源钳位正激变换器稳态时的功率损耗，是忽略了变压器漏感，不考虑主开关和钳位开关寄生电容的简化分析结果。在实际的电路中，变压器的漏感和主开关的等效寄生输出电容作用，使得励磁电流可能会产生直流偏置的问题[4]，可以通过减少漏感或调节励磁电感的大小来使得励磁电流的直流偏置最小。另外，励磁电感的大小也决定了主开关管零电压软开通是否能够实现。因为当变压器励磁电感Lm减少，励磁电流足够大时，励磁电流除了提供负载电流外，剩余部分可用来帮助主开关和钳位开关的寄生电容充放电，使主开关漏源极电压有可能谐振到零，从而实现主功率开关管的零电压软开通，进而减少开通损耗。但又要考虑到软开通的代价是变压器的励磁电流和开关管导通电流峰峰值大幅增加，开关管及变压器电流应力和通态损耗明显加大。所以在变压器设计时，励磁电感的选择很关键。在设计时要综合考虑以上因素，在坚持效率优先的前提下，尽量使设计达到最优。
4.结语
本文分析和讨论了有源钳位正激变换器稳态工作时的功率损耗，得出它与励磁电感之间的关系。表明在一定的磁链关系下，存在着一个最优的励磁电感，使得变换器的功率损耗最小，效率最优。对于有源钳位正激变换器。本文所提出的有关励磁电感的观点和设计准则，在设计一个确定匝数比的有源钳位正激变换器时具有借鉴意义。
参考文献
[1]周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用[D].人民邮电出版社，2003.
[2]徐鹏，张兴柱.有源钳位正激式高频直流开关电源模块的分析与设计[J].浙江大学电机系学报，2005：358-366.
[3]Yuancheng Ren，Ming Xu，Jinghai Zhou， and Fred C.Lee.Analytical Loss Model of Power MOSFET[J] .IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，2006.3，VOL.21，NO.2.