电磁学在生活中的应用

电磁学在生活中的应用

主要内容：

一、电磁炉 (Electromagnetic Oven )一、电磁炉 (Electromagnetic Oven ) 二、微波炉 (Microwave Oven) 二、微波炉 (Microwave Oven)

三、蓝牙技术 (Bluetooth Technology) 三、蓝牙技术 (Bluetooth Technology) 四、磁悬浮列车 (Maglev Train) 四、磁悬浮列车 (Maglev Train) 五、电磁炮 (Electromagnetic Gun ) 五、电磁炮 (Electromagnetic Gun )

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一、电磁炉

1、电磁炉的结构

电磁炉是现代厨房的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。它是一种高效节能橱具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具。电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。在加热过程中没有明火，因此安全、卫生。电磁炉的功率一般在700～700～1800W之间，它的结构主要由外壳、高级耐热晶化陶瓷板、PAN 电磁线盘、加热电路板、PAN 电磁线盘、加热电路板、控制电路板、显示电路板、风扇组件及电源等组成。

2、电磁炉的工作原理

2.1 整体电路图2.1 整体电路图

电磁炉的整体电路方框图如下图1-1；各部分关系框图如下图1-1；各部分关系框图如下图1-2：1-2：

图1-1 电磁炉整体电路方框图 电磁炉整体电路方框图

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图1-2 电磁炉各部分关系框图 电磁炉各部分关系框图

2.2 加热原理2.2 加热原理

在电磁炉内部，由整流电路将在电磁炉内部，由整流电路将50Hz 的交流电压变成直流电压，50Hz 的交流电压变成直流电压，再经过控制电的交流电压变成直流电压，再经过控制电

路将直流电压转换成频率为15～15～40kHz 的高频电压，高速变化的电流流过扁平空40kHz 的高频电压，高速变化的电流流过扁平空心螺旋状的感应加热线圈（励磁线圈），线圈会产生高频交变磁场。其磁感线穿透灶台的陶瓷台板而作用于不锈钢锅（导磁又导电材料）底部，在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生。涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换，锅底迅速释放出大量的热量，就是烹调的热源。

2.3 涡流和涡流的产生2.3 涡流和涡流的产生

在柱形铁芯上绕有线圈，当线圈中通上交变电流时，每个铁芯片就处在交变的磁场中。如图1-3所示：铁芯可看成是由一系列半径逐渐变化的柱状薄壳组成，每层薄壳构成一个闭合回路。在交变的磁场中，通过这些薄壳的磁通量都在不断地变化，所以沿着一层层的壳壁产生感应电流。从铁芯的上端俯视，电流的流线呈闭合的旋涡状，因而这种感应电流叫做涡电流，简称涡流。由于大块铁芯的电阻很小，因此涡流可非常大。强大的涡流在铁芯内流动时，电能转化为内能，从而释放出大量的焦耳热,而释放出大量的焦耳热,而使铁芯的温度升高。 而使铁芯的温度升高。

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图1-3 涡流的产生 涡流的产生

涡流与磁感强度成正比，与交流电频率的平方成正比，因此，电磁炉要达到一定的热交换功率，必须有能产生高磁感强度的交变磁场线圈，还必须提高交流电的频率以提高涡流功率。图电的频率以提高涡流功率。图1-4是电磁炉的主要电路之一，主要是利用了是电磁炉的主要电路之一，主要是利用了LC 并LC 并联谐振的原理进行工作。具体的工作过程如下：220V工频交流电经大功率全桥整流为脉动直流电，脉动直流电通过扼流圈L1和C1的平滑滤波，将相对平稳的直流电供向下级PAN 电磁线盘PAN 电磁线盘L2，L2，PAN 线盘与PAN 线盘与C2 振荡电容组成C2 振荡电容组成LC 振荡电路，从LC 振荡电路，从而在线盘上产生交变磁场。IGBT 而在线盘上产生交变磁场。IGBT 是绝缘栅双极晶体管IGBT 是绝缘栅双极晶体管(Iusulated Gate Bipolar 是绝缘栅双极晶体管(Iusulated Gate Bipolar Transistor) 的简称，是一种集BJT的大电流密度和MOSFET 等电压激励场控型器Transistor) 的简称，MOSFET 等电压激励场控型器件优点于一体的高压、高速大功率器件。IGBT 件优点于一体的高压、高速大功率器件。IGBT 有三个电极，分别称为栅极IGBT 有三个电极，分别称为栅极G(也叫G(也叫控制极或门极)控制极或门极)、集电极C(亦称漏极C(亦称漏极) 亦称漏极) 及发射极) 及发射极E(也称源极E(也称源极)也称源极)。PAN电磁线盘的后

级为高压保护二极管VD，作用为保护VD，作用为保护IGBT，防止反向高压击穿IGBT，防止反向高压击穿IGBT，当IGBT，当IGBT的C极电压为0 V时，IGBT时，IGBT导通，此时的电感（励磁线圈）进行储能，当IGBT由导通到截止时,，电流还会沿着先前的方向流动，由于通到截止时,此时由于电感（线圈的作用）

IGBT关断，电感只能对电容C2充电，从而引起C 极电压升高，随充电电流变小C 极电压升高，随充电电流变小直至为零时，C 直至为零时，C 极电压最高。此值是选择C 极电压最高。此值是选择IGBT 耐压指标的直接数据，从这个时候IGBT 耐压指标的直接数据，从这个时候开始，电容C2开始经线圈放电，此时C 极电压变低，当达到C 极电压变低，当达到0V时，控制电路检测到这个值，再次打开IBGT。又一循环开始，所以电感（线圈）与振荡电容不停IBGT。又一循环开始，所以电感（线圈）与振荡电容不停的进行充电放电，从而形成振荡。 的进行充电放电，从而形成振荡。

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图1-4 电磁炉工作电路示意图 电磁炉工作电路示意图

3、使用电磁炉的注意事项

3.1 电源线要符合要求3.1 电源线要符合要求

电磁炉由于功率大，在配置电源线时应选能承受15A大电流的铜芯线,大电流的铜芯线,，配置专用的、安全性高的电源插座、插头、开关等。如果可能，最好在电源线插座处安装一只保险盒，以确保安全。 座处安装一只保险盒，以确保安全。

3.2 锅具要符合要求3.2 锅具要符合要求

应选用铁磁性材料制作的锅具，如铁锅、不锈钢锅、搪瓷锅等。使用时要放置在电磁炉， 置在电磁炉， 并且锅底保证有一定的平面与电磁炉充分接触。电磁炉不能使用诸如玻璃、铝、铜质的容器加热食品，这些非铁磁性物质是不能形成涡流的。

3.3 放置要平整3.3 放置要平整

放置电磁炉的桌面要平整，特别是使用火锅时更应注意。如果桌面不平，使电磁炉的某一脚悬空，使用时锅具的重力将会迫使炉体强行变形甚至损坏。另外，

如桌面有倾斜度，当电磁炉对锅具加温时，锅具中的涡流磁场和炉内励磁线盘中的磁场相互作用而使锅具和炉体发生受迫振动，这种振动容易使锅具滑出而发生危险。 危险。

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3.4 防潮通风3.4 防潮通风

电磁炉工作在大电流、大功率状态，内部电路遇水汽和湿气时会结露，而使电路锈蚀甚至短路。炉内有风扇,电路锈蚀甚至短路。炉内有风扇,故应在空气流通处使用。电磁炉正常使用的温度为10～10～40℃，温度过高或过低，可能有些功能会受到一定的影响。40℃，温度过高或过低，可能有些功能会受到一定的影响。

3.5 防止漏磁干扰3.5 防止漏磁干扰

电磁炉不可避免存在电磁辐射，会对家用电器及人体产生影响，故在距离电磁炉2～3 m的范围内，最好不要放置电视机、手机等容易受到磁场影响的家用电器，以免影响其正常工作。 器，以免影响其正常工作。

3.6 操作要得当3.6 操作要得当

电磁炉的各按钮属轻触型，使用时手指用力不要过重，要轻触轻按。当所按动的按钮启动后，手指就应离开，不要按住不放，以免损伤簧片和导电接触片；在电磁炉加热至高温时，瞬间功率会忽大忽小，在电磁炉加热至高温时，瞬间功率会忽大忽小，容易损坏功率管瞬间功率会忽大忽小，容易损坏功率管IGBT 和电磁炉机IGBT 和电磁炉机板。使用完毕，要把功率按钮先调到最小位置，然后关闭电源，再取下铁锅。

3.7 清洁要得法3.7 清洁要得法

电磁炉同其他电器一样，在使用中要注意防水防潮，并避免接触有害液体。不能用汽油等清洗炉面或炉体。另外，也不要用金属刷、纱布等较硬的工具来擦拭炉面上的油迹污垢。正在使用或刚使用结束的炉面不要马上用冷水擦，应待其完全冷却后，方可使用少许中性洗涤剂擦拭。

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二、微波炉

1、微波炉的结构

微波炉（microwave oven，顾名思义，就是用微波来煮饭烧菜的。用微波炉微波炉（microwave oven）microwave oven）煮食物很方便。将冷的或生的食物放入微波炉里，关好炉门，一按开关，食物在微波炉里转上一会儿，就烧热煮熟了。微波炉里没有火，是靠微波，即高频电磁波，作为微波炉的热源。微波炉的基本结构一般由炉腔、炉门、电气电路、定时器、功率分配器、联锁微动开关和热断路器等七部分组成。微波炉内部结构如图2-1所示。 所示。

图2-1 微波炉内部结构图 微波炉内部结构图

1.1 炉腔1.1 炉腔

炉腔是一个微波谐振腔，是把微波能变为热能对食品进行加热的空间。为了使炉腔内的食物均匀加热，微波炉炉腔内设有专门的装置。最初生产的微波炉是在炉腔顶部装有金属扇页，即微波搅拌器，以干扰微波在炉腔中的传播，从而使食物加热更加均匀。目前，则是在微波炉的炉腔底部装一只由微型电机带动的玻璃转盘，把被加热食品放在转盘上与转盘一起绕电机轴旋转，使其与炉内的高频电磁场作相对运动，来达到炉内食品均匀加热的目的。国内独创的自动升降型转盘，使得加热更均匀，烹饪效果更理想。 平板式炉腔通过腔内壁对微波反射达到均匀加热的目的。 腔通过腔内壁对微波反射达到均匀加热的目的。

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1.2 炉门1.2 炉门

炉门是食品的进出口，也是微波炉炉腔的重要组成部分。对它要求很高，绝对不能让微波泄漏出来。炉门由金属框架和玻璃观察窗组成。观察窗的玻璃夹层中有一层金属微孔网，既可透过它看到食品，又可防止微波泄漏。由于玻璃夹层中的金属网的网孔大小是经过精密计算的，所以完全可以阻挡微波的穿透。钛膜也多作为微波炉炉门的材料。 波的穿透。钛膜也多作为微波炉炉门的材料。

为了防止微波的泄漏，微波炉的开关系统由多重安全联锁微动开关装置组成。炉门没有关好，就不能使微波炉工作，微波炉不工作，也就谈不上有微波泄漏的问题了。 微波泄漏的问题了。

为了防止在微波炉炉门关上后微波从炉门与腔体之间的缝隙中泄漏出来，在微波炉的炉门四周安有抗流槽结构，或装有能吸收微波的材料，如由硅橡胶做的门封条，能将可能泄漏的少量微波吸收掉。抗流槽是在门内设置的一条异型槽结构，它具有引导微波反转相位的作用。在抗流槽入口处，微波会被它逆向的反射波抵销，这样微波就不会泄漏了。 波会被它逆向的反射波抵销，这样微波就不会泄漏了。

由于门封条容易破损或老化而造成防泄作用降低，因此现在大多数微波炉均采用抗流槽结构来防止微波泄漏，很少采用硅橡胶门封条。抗流槽结构是从微波辐射的原理上得到的防止微波泄漏的稳定可靠的方法。 是从微波辐射的原理上得到的防止微波泄漏的稳定可靠的方法。

1.3 电气电路1.3 电气电路

电气电路分高压电路、控制电路和低压电路三部分。 电气电路分高压电路、控制电路和低压电路三部分。

(a) 高压电路：高压变压器次级绕组之后的电路为高压电路，主要包括(a) 高压电路：高压变压器次级绕组之后的电路为高压电路，主要包括磁控管、高压电容器、高压变压器、高压二极管。 磁控管、高压电容器、高压变压器、高压二极管。

(b) 磁控管：磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来(b) 磁控管：磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来的。磁控管工作时需要很高的脉动直流阳极电压和约3～4V的阴极电压。由高压变压器及高压电容器、高压二极管构成的倍压整流电路为磁控管提供了满足上述要求的工作电压。 满足上述要求的工作电压。

(c) 低压电路：高压变压器初级绕组之前至微波炉电源入口之间的电路(c) 低压电路：高压变压器初级绕组之前至微波炉电源入口之间的电路为低压电路，也包括了控制电路。主要包括保险管、热断路器保护开关、联锁微动开关、照明灯、定时器及功率分配器开关、转盘电机、风扇电机等。

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1.4 定时器1.4 定时器

微波炉一般有两种定时方式，即机械式定时和计算机定时。基本功能是选择设定工作时间，设定时间过后，定时器自动切断微波炉主电路。

1.5 功率分配器1.5 功率分配器

功率分配器用来调节磁控管的平均工作时间（即磁控管断续工作时，工作、停止时间的比例），从而达到调节微波炉平均输出功率的目的。机械控制式一般有3～6个刻度文件位，而计算机控制式微波炉可有10个调整档位。

1.6 联锁微动开关1.6 联锁微动开关

联锁微动开关是微波炉的一组重要安全装置。它有多重联锁作用，均通过炉门的开门按键或炉门把手上的开门按键加以控制。当炉门未关闭好或炉门打开时，断开电路，使微波炉停止工作。 门打开时，断开电路，使微波炉停止工作。

1.7 热断路器1.7 热断路器

热断路器是用来监控磁控管或炉腔工作温度的组件。当工作温度超过某一限值时，热断路器会立即切断电源，使微波炉停止工作。 一限值时，热断路器会立即切断电源，使微波炉停止工作。

2、微波炉的工作原理

微波是频率为300兆赫到30万兆赫的电磁波。微波炉实际上就是一台微波发生器, 生器, 它产生的微波频率是, 它产生的微波频率是2450兆赫。这种微波有一个非常有趣的习性，遇到像肉类、禽蛋、蔬菜这些饱含水分的食物，微波会“留驻”下来，并且“拖住”食物中的水分子和它一起以相同的频率振荡，引起分子与分子之间互相摩擦，摩擦能够产生热量。振荡频率越高，振幅越大，分子间摩擦越剧烈，产生的热量自然越多。 越多。

2450兆赫的微波，即就是每秒钟振荡兆赫的微波，即就是每秒钟振荡24.5亿次。这就意味着食物中的水分子也随着微波每秒钟振荡24.5亿次。这种振荡几乎是在食物里里外外各个部分同时发生的，因此被加热的食品能够在很短的时间里，里外各个部分统统热起来，温度上升足以把食物由生变熟直至枯焦的程度。下面用线路图（图2-2）来进一步说2-2）来进一步说明微波炉的工作原理。 明微波炉的工作原理。

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图2-2 微波炉工作原理线路图 微波炉工作原理线路图

当炉门一闭合，第一联开关就合上，监控开关断开，电路处于准备工作状态。按所需烹调时间，将定时器置于相应位置，再按起动开关，220V交流电经过保险丝、第一联控开关、热切断器和第二联控开关、定时器开关、烹调解冻开关加到变压器初级，在变压器次级感应出3.5V和1840V的交流电压。其中3.5V加到磁控管灯丝，1840V控管灯丝，1840V经过电容和二极管组成的半波倍压整流电路，产生-3680V高压，加到阴极上。由于磁控管的阳极接地，阳极电压则比阴极电压高3680V，磁控管正3680V，磁控管正常工作。 常工作。

在磁控管工作的同时，220V在磁控管工作的同时，220V交流电压也加到转盘电机、定时器电机、解冻控制器电机、冷却风扇电机和炉灯上。冷却风扇对磁控管进行冷风散热，同时风扇

的余风通过炉灯附近处的一组小孔进入腔体，又从腔体后上方的一组小孔出来，并通过微波炉的背部上方排出。冷却风扇产生的风既能对磁控管散热，又能对炉腔内的空气起对流作用，将微波炉加热时产生的水蒸气及时地排到炉外。

为了保证微波加热的均匀性，微波炉内装有玻璃盘，玻璃盘由电机带动，转速为6round/minute。微波炉采用两项安全措施，以有效地防止微波泄漏。安全措6round/minute。微波炉采用两项安全措施，以有效地防止微波泄漏。安全措施之一是炉门采用双门钩结构。当炉门打开时，双门钩同时退出，此时第一联控开关断开，监控开关接通。220V开关断开，监控开关接通。220V交流电源未进入变压器，磁控管不可能工作。万一第一联控开关失灵（即处于接通状态），在220V交流电源接通的瞬间，因监控开关接通，使220V短路，6.3A短路，6.3A保险丝熔断，磁控管无法工作。由于监控开关和第一联控开关都位于炉壁内，只能由门钩才能控制开关，从而保证了磁控管工作处于严格控制之下。安全措施之二是采用热切断器。这是一种热敏保护元件，它与第一联控开关串接，安装在磁控管附近，通过一块金属板与磁控管的外壳相连。一旦冷却风扇出现故障，排气通道阻塞或磁控管及炉腔温度过高时，热切断器自动断开，起到了保护磁控管的作用。 动断开，起到了保护磁控管的作用。

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同时还要注意，用微波加热食物，不能让它盛入金属容器。原因很简单：微波遇到金属立即全部反射回去。如果将食物盛入金属容器中用微波炉加热，微波被金属全部反射回去，食物得不到热源加热，不会变热、变熟。当然，实际上是不允许这样做的，因为不等你看到结果，微波炉已经烧毁了。因为高频率微波没有一点损耗而全部反射去，在电子技术上叫高频短路，后果是使发射微波的电子管阳极产生高温，直至烧红损坏。 管阳极产生高温，直至烧红损坏。

了解了微波的特性，可以用陶瓷、耐热玻璃等材料制成的容器盛装食物。如果加热时间不需要很长，可以使用塑料容器，甚至纸质容器。搪瓷容器看起来好像是瓷器，其实内心是铁皮，当然也不能使用。

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三、蓝牙技术

随着通信网络的发达，各种通信电缆五花八门，不但办公室中电缆无处不在，家用设备的发展也使居室成了电缆的世界。人们在觉得它们必不可少的同时，又伤透了脑筋，如电缆使用不便，连线频出故障，各种电缆之间无法通用。电缆成为现代通信中的美中不足。为了取消连线，以较低成本实现各设备间的无线通信，诞生了蓝牙(Bluetooth诞生了蓝牙(Bluetooth）技术。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般(Bluetooth）技术。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

1、蓝牙系统

蓝牙系统一般由以下4个功能单元组成：天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单元。它们的连接关系如图3-1所示：

图3-1 蓝牙系统结构图 蓝牙系统结构图

1.1 天线单元1.1 天线单元

蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。空中接口遵循Federal Communications Commission（简称FCC，即美国联邦通信委员会）有关电平为0dBmFCC，的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上，可以使用扩展频谱功能来增

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加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402 GHz，终止频率为2.402 GHz，终止频率为2.480GHz，间隔为2.480GHz，间隔为1MHz 的1MHz 的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳/秒。理想的连接范围为100mm～100mm～10m，但是通过增大发送电平可以将距离延长至10m，但是通过增大发送电平可以将距离延长至100m。100m。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。1Mb/s。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接hop channel）中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）不断地从一个信道“跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰，跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。时分双工（Time 可能造成的影响变得很小。时分双工（Time Division Duplex，简称Duplex，简称TDD）方案被TDD）方案被用来实现全双工传输。 用来实现全双工传输。

与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。FEC比其它系统都更稳定。FEC（FEC（Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音，应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑FM）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。 制干扰和防止衰落。

1.2链路控制（固件）单元

在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为联接控制器、基带处理器以及射频传输/及射频传输/接收器，此外还使用了30～30～50个单独调谐元件。 个单独调谐元件。

基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。基带控制器有3种纠错方案：1/3种纠错方案：1/3比例前向纠错(FEC)比例前向纠错(FEC)码；(FEC)码；2/3码；2/3比例前向纠错码；数据的自动请求重发方案。 重发方案。

采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现数据的无差错传输，FEC负载。但是，要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。报头总有占1/3比例的FEC码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。

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在无编号的ARQ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错才向发端发回确认消，否则返回一个错误消息。比如蓝牙的话音信道采用Continuous VariableSlope Delta Modulation（简称VariableSlope Delta Modulation（简称CVSD，即连续可变斜率增量调制技术）CVSD，即连续可变斜率增量调制技术）话音编码方案，获得高质量传输的音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，4%，CVSD编码的语音还是可听的。 编码的语音还是可听的。

而Cambridge Consultants的分公司Cambridge Silicon Radio就提出了他们的看法。这个公司的入门产品是一个单芯片传输器和联接控制器。公司称之为BlueCore和BlueStack。这是一个完整的蓝牙，不需要外部的BlueStack。这是一个完整的蓝牙，不需要外部的SAW滤波器、陶瓷电容或感应器，产品集成度非常高，使用了0.18 或0.18 或0.15μm技术，能够在几乎不增加成本的情况下把基带电路加到芯片中。

1.3 链路管理（软件）单元1.3 链路管理（软件）单元

链路管理（LM链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。LMP（链路管理协议）与之通信。LM（链路管理协议）与之通信。LM模块提供如下服务： 模块提供如下服务：

（1）发送和接收数据。 ）发送和接收数据。 （2）请求名称。 ）请求名称。 （3）链路地址查询。 ）链路地址查询。 （4）建立连接。 ）建立连接。

（5）鉴权。 ）鉴权。

（6）链路模式协商和建立。 ）链路模式协商和建立。 （7）决定帧的类型。 ）决定帧的类型。

（8）将设备设为sniff模式。master 模式。master只能有规律地在特定的时隙发送数据。（9）将设备设为hold模式。工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每4s激活一次链路，这由LM定义，LC定义，LC（链路控制器）LC（链路控制器）具体操作。 具体操作。

（10）当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。10）当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，同时检查page消息。 消息。

（11）建立网络连接。在11）建立网络连接。在piconet内的连接被建立之前，所有的设备都处于

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standby（待命）状态。在这种模式下，未连接单元每隔standby（待命）状态。在这种模式下，未连接单元每隔1.28s周期性地“监听”信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异，32的数目因地理区域的不同而异，32这个数字适用于除日本、法国和西班牙之外的大多数国家。作为master的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼（page呼（page）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接page）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接page消息的inquiry（查询）消息建立连接。在最初的寻呼状态，master单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的page消息。如果没有应答，master如果没有应答，master则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。Slave收到从master发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍（2.56s，平均延迟时间是激活周期的一半（0.6s。倍（2.56s）2.56s），平均延迟时间是激活周期的一半（0.6s）0.6s）Inquiry消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、传真机和其它一些地址未知如共享打印机、传真机和其它一些地址未知的类似设备。Inquiry的类似设备。Inquiry消息和page消息很相像，但是inquiry消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。 的数据串周期来收集所有的响应。

如果piconet中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。master还支持节能工作模式。master可以把slave置为hold（保持）模式，在这种模式hold（保持）模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。slave 下，只有一个内部计数器在工作。slave 也可以主动要求被置为slave 也可以主动要求被置为hold模式。一旦处于hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。Hold则数据传递也立即重新开始。Hold模式一般被用于连接好几个piconet的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。除hold模式外，蓝牙还支持另外两种节能工作模式：sniff蓝牙还支持另外两种节能工作模式：sniff（呼吸）模式和sniff（呼吸）模式和park（暂停）模式。在park（暂停）模式。在sniff 模式下，“呼吸”间隔可以sniff 模式下，slave模式下，slave降低了从piconet“收听”消息的速率，piconet“收听”消息的速率，依应用要求做适当调整。在park模式下，设备依然与piconet同步但没有数据传送。工作在park模式下的设备放弃了MAC 地址，偶尔收听MAC 地址，偶尔收听master的消息并恢复同步、检查广播消息。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排一下队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。

（12）连接类型和数据包类型。连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别12）连接类型和数据包类型。连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（Synchronous Connection Oriente，简称SCO）类型，主要用于传送话音；异步无连接（Asynchronous Connectionless，简称Asynchronous Connectionless，简称ACL）类型，主要用于传送数据包。同一ACL）类型，主要用于传送数据包。同一个piconet中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包括4个控制分组，这一点对个控制分组，这一点对SCO和ACL来说都是相同的。两种连接类型都使用来说都是相同的。两种连接类型都使用TDD

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（时分双工传输方案）实现全双工传输。SCO（时分双工传输方案）实现全双工传输。SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，master数据包。连接建立后，master和slave可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数据包。SCO数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。ACL那部分的数据。ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。master连接。master负责控制链路带宽，并决定piconet中的每个slave可以占用多少带宽和连接的对称性。slave带宽和连接的对称性。slave只有被选中时才能传送数据。ACL只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收master发给piconet中所有slave的广播消息。 的广播消息。

（13）鉴权和保密。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。13）鉴权和保密。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权基于“请求—响应”运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。

1.4 软件（协议）单元1.4 软件（协议）单元

Bluetooth基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。每适用于语音和数据传输。每个声道支持kb/s同步链接。而异步信道支持任一方向上高达721kb/s和回程方向57.6kb/s 的非对称链接，也可以支持57.6kb/s 的非对称链接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。因此，它可以足够快地应付蜂窝系统上的非常大的数据比率。一般来说,它的链接范围为100mm～100mm～10m，如果增加传输功率的话，其链接范围可以扩展到10m，如果增加传输功率的话，其链接范围可以扩展到100m。100m。Bluetooth软件构架规范要求与Bluetooth相顺从的设备支持基本水平的互操作性。这种顺从水平由不同的应用来决定。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对像交换格式。Bluetooth 1.0标准由两个文件组成。一个叫Foundation Core，它规定的是设计标准。另一Foundation Core，它规定的是设计标准。另一个叫Foundation Profile，它规定的是相互运作性准则。但对另外一些设备，比Foundation Profile，它规定的是相互运作性准则。但对另外一些设备，比如耳机，这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能。蓝牙对不同级别的设备（如PC、手持机、移动电PC、手持机、移动电话、耳机等）有不同的要求，例如，你无法期望一个蓝牙耳机提供地址簿。但是移动电话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的功能特性。

软件（协议）结构需有如下功能：设置及故障诊断工具；能自动识别其它设备；取代电缆连接；与外设通信；音频通信与呼叫控制以及商用卡的交易与号簿

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网络协议。 网络协议。

蓝牙的软件（协议）单元是一个的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。

2、蓝牙的技术特点和产品

2.1 蓝牙的技术特点2.1 蓝牙的技术特点

蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接。下面来介绍一些它的主要技术特点。

（1）特性 ）特性

蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的2.4GHz的ISM（工业、科学、（工业、科学、医学）科学、医学）频段，医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在2400这样用户不必经过申请便可以在2400～2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23发器频段。频道采用23个或23个或79个或79个，频道间隔均为79个，频道间隔均为1MHz个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制1MHz，采用时分双工方式。调制方式为BT=0.5方式为BT=0.5的BT=0.5的GFSK，调制指数为GFSK，调制指数为0.28，调制指数为0.28～0.28～0.35。蓝牙的无线发射机采用0.35。蓝牙的无线发射机采用FM 。蓝牙的无线发射机采用FM 调制方FM 调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)，100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在1mW(0dBm)，在4，在4～20dBm 范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设20dBm 范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10备之间的有效通讯距离大约为10～10～100m。100m。

（2）TDMA 结构TDMA 结构 结构

蓝牙的数据传输率为1Mb/s蓝牙的数据传输率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送每时隙1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0.625μs。蓝牙系统支持实时同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3异步数据通道，3个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持KB/S道。每一个语音通道支持KB/S的同步语音，异步通道支持最大速率为KB/S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB/S，721KB/S，反向应答速度为57.6KB/s反向应答速度为57.6KB/s的非对称连接，或者是速率为57.6KB/s的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S 的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S 的对称连接。432.6KB/S 的对称连接。 的对称连接。

（3）使用跳频技术 ）使用跳频技术

跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳1600跳/秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为3200跳3200跳/秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。 越。

2.2 蓝牙产品2.2 蓝牙产品

自从1999自从1999年1999年7月BSIG向全世界发布蓝牙技术标准BSIG向全世界发布蓝牙技术标准1.0A向全世界发布蓝牙技术标准1.0A版本，蓝牙技术的推广和1.0A版本，蓝牙技术的推广和

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应用得到迅猛发展，截至目前，BSIG应用得到迅猛发展，截至目前，BSIG的成品已经超过了BSIG的成品已经超过了2500的成品已经超过了2500家，几乎涵盖了全球2500家，几乎涵盖了全球各行各业。包括通信网络、外设、芯片、转件等广商，甚至消费类电器厂商和汽车制造商也加入BSIG车制造商也加入BSIG组织。BSIG组织。 组织。

目前国内外蓝牙产品主要有蓝牙芯片、蓝牙适配器、蓝牙记忆棒、蓝牙天线、蓝牙耳机、蓝牙手机、蓝牙笔记本电脑、蓝牙硬盘、蓝牙打印机、蓝牙鼠标、蓝牙手表、蓝牙圆珠笔、蓝牙数码相机和蓝牙标签等。引人注目的是，Bluetooth 牙手表、蓝牙圆珠笔、蓝牙数码相机和蓝牙标签等。引人注目的是，Bluetooth Developers Conference会议上推出了使用蓝牙技术控制汽车内部的篮牙样车。Developers Conference会议上推出了使用蓝牙技术控制汽车内部的篮牙样车。

作为一个新兴事物，蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处，如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但毫无疑问，蓝牙技术已成为近年应用最快的无线通信技术，其席卷全球之势不可阻挡，它必将在不久的将来渗透到我们生活的各个方面，我们有理由相信蓝牙的明天会更好。

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四、磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此其阻力只有空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度可以达每小时500公里以上，比轮轨高速列车的300多公里还要快手。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年申请了磁悬浮列车的专利。1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

1、磁悬浮列车的原理

1.1 悬浮原理1.1 悬浮原理

磁浮有3个基本原理。第一个原理是当靠近金属的磁场改变，金属上的电子会移动，并且产生电流。第二个原理就是电流的磁效应。当电流在电线或一块金属中流动时，会产生磁场。通电的线圈就成了一块磁铁。磁浮的第三个原理我们就再熟悉不过了，磁铁间会彼此作用，同极性相斥，异极性相吸。现在看看磁浮是如何作用的：磁铁从一块金属的上方经过，金属上的电子因磁场改变而开始移动（原理一）。电子形成回路，所以接着也产生了本身的磁场。图4-1 以电子形成回路，所以接着也产生了本身的磁场（原理二）所以接着也产生了本身的磁场（原理二）4-1 以最简单的方式来表达这个过程，移动中的磁铁使金属中出现一块假想的磁铁。这块假想磁铁具有方向性，因是同极性相对，因此会对原有的磁铁产生斥力。也就是说，如果原有的磁铁是北极在下，假想磁铁则是北极在上；反之亦然。因为磁铁的同极相斥（原理三），让磁铁在一块金属上方移动，结果会对移动中的磁铁产生一股往上推动的力量。如果磁铁移动得足够快，这个力量会大得足以克服向下的重力，举起移动中的磁铁。所以当磁铁移动时，会使得自己浮在金属上方，并靠着本身电子移动产生的力量保持浮力。这个过程就是所谓的磁浮，这个原理可以适用在列车上。如图4-2，如果在列车的地板上安装一些磁铁，列车一开动（例4-2，如果在列车的地板上安装一些磁铁，列车一开动（例如，可以收起的充气胎），就可产生向上的力量。这个时候，列车就像飞机在跑道上加速准备起飞。当向上的力量足够时，就可使得列车离开地面，浮在金属导轨之上。事实上，列车经过特别的设计，使得车厢在离地面10～10～150mm 处。这样列150mm 处。这样列

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车就可以飞速前进了。从以上的讨论可以发现磁浮列车的第一个优点。因为没有轮子和铁轨，它就没有轮轨间的摩擦力所造成的能量损失。如此一来，就少了一个传统列车的主要能量损耗来源。理论上，就只剩下风阻会影响列车的行车速度了。如果观察一下列车是怎样行进的，就可以发现磁浮列车的第二个优点。虽然同极性会相斥（用以产生浮力），但异性可以相吸。磁浮列车就是运用这个原理前进的。当列车下方导轨因电子运动而产生浮力的同时，两侧导轨的线路开始通电，产生另一组比列车稍前的磁铁。经过特殊安排，导轨上的南极会靠近列车上的磁北极。由于这股吸力，列车得以往前移动。通过调整导轨两侧的电流，得以让这股吸引磁力恰好落在列车前方。事实上，列车是陷在所谓的磁波或磁场之中。可以想象导轨两侧移动的磁铁产生一股波浪，列车就像骑在这浪头的冲浪者一样，如图4-3所示。 所示。

图4-1 磁悬浮原理图 磁悬浮原理图

图4-2 磁悬浮列车示意图 磁悬浮列车示意图

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图4-3 磁悬浮列车周围的波导 磁悬浮列车周围的波导

下面具体介绍常导磁吸式（EMS 下面具体介绍常导磁吸式（EMS）和超导磁斥式（EMS）和超导磁斥式（EDS）和超导磁斥式（EDS）列车的具体运行原理。EDS）列车的具体运行原理。常导磁吸式（EMS：利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮电磁铁）常导磁吸式（EMS）EMS）和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，见图4-4

所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。

超导磁斥式(EDS)，超导磁斥式(EDS)此种形式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内）(EDS)此种形式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内）在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，来产生悬浮力将车体抬起来的。如图4-5所示。 所示。

由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向下位移时，超

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导磁体与悬浮线圈的间距减小电流增大，使悬浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100km/h时车体才能悬浮。因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制。

图4-4 常导吸引式磁悬浮原理图 常导吸引式磁悬浮原理图

图4-5 超导磁斥式磁悬浮原理图 超导磁斥式磁悬浮原理图

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1.2 导向原理1.2 导向原理

磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。下面将具体论述常导磁吸式和超导磁斥式两种情况。 磁斥式两种情况。

常导磁吸式的导向系统：与悬浮系统类似，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。 的目的。

超导磁斥式的导向系统：可以采用下面3种方式构成：①在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导向轨侧面相互作用（滚动摩擦）以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。②在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。③利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8”字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。 力，使列车回到线路中心线的位置。

1.3 推进原理1.3 推进原理

磁悬浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。 为直线运动。

常导磁吸式磁悬浮：采用短定子异步直线电机。在车上安装三相电枢绕组，轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。这种方式结构比较简单，容易维护，造价低，适用于中低速城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统；主要缺点是功率偏低，不利于高速运行。 功率偏低，不利于高速运行。

超导磁斥式磁悬浮：采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈的

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采用，为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统，或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。高速长定子同步直线电机牵引系统的构成相对复杂。地面牵引系统，供电一个区间（长约30km）区间又分成许多段（约，每段只有列车通过时供电，各段切换30km）区间又分成许多段（约300～300～1000m）1000m）由触点真空开关完成。为使列车在段间不冲动，需两组逆变器轮流供电，其特点为大功率、高压、大电流。动力在地面的优势有路轨电机的功率强以及车辆的设计简化、重量轻。适用于高速和超高速磁悬浮铁路。

2、磁悬浮列车的优点及展望

2.1 优点2.1 优点

适于高速运行：磁悬浮列车最大特点在于它没有通常的轮轨系统，由于消除了与轮轨之间的接触，不存在由于轮轨摩擦及黏着所造成的诸如极限速度等影响列车运行的问题，速度可达500km/h以上。 以上。

稳定安全：列车运行平稳，能提高旅客舒适度，由于磁悬浮系统采用导轨结构，不会发生脱轨和事故，提高了列车运行的安全性和可靠性。

污染小，易维护：磁悬浮列车在运行中既不产生机械噪声，也不排放任何废气、废物，对周边环境的污染极小，有利于环境保护，加上磁悬浮列车由于没有钢轨、车轮、接触导线等摩擦组件，可以省去大量维修工作和维修费用。

效率高：磁悬浮列车能充分利用能源、获得较高的运输效率。另外，磁悬浮列车可以实现全自动化控制，因此将成为未来最具有竞争力的一种交通工具。

2.2 展望2.2 展望

过去的30多年，磁悬浮列车的发展之快令人瞻目。不仅在德国和日本磁悬浮列车已进入到实用性阶段。美国的佛罗里达州也已决定在2003年11月1日前正式开始建造磁悬浮运输系统，该系统将连接佛罗里达州的5个最大的城市。德国正计划在慕尼黑机场到火车站之间建造一条长35km的高速磁悬浮运输系统，最新研制的TR08 型磁悬浮列车将在该线上行驶。从慕尼黑机场到火车站仅需TR08 型磁悬浮列车将在该线上行驶。从慕尼黑机场到火车站仅需10min，比普通的火车快10min，比普通的火车快4倍。我国的上海也已在2000年11月正式与德国签定合约，引进德国技术，在上海浦东陆家嘴和浦东机场之间已开始建造磁悬浮运输系统。在世界上迈出了将磁悬浮列车作为高速绿色运输工具的重要的第一步。

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随着计算机技术、自动控制技术和电子集成技术的发展，磁悬浮列车的技术性能将得到进一步的完善。超导材料和超低温技术的发展使建造磁悬浮列车的成本可能大幅下降。作为一种安全、快速、舒适的“绿色交通工具”，随着国际社会对人类赖以生存的地球的环保意识的不断加强,磁悬浮列车必将得到不断的普及。 磁悬浮列车必将得到不断的普及。

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五、电磁炮

电磁炮又称电炮，它是一种新概念火炮，是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。电磁炮与传统的火炮相比有根本性区别：火炮是利用火药燃烧产生的燃气压力，作用于弹丸来发射的。电磁炮是利用电磁力作用，将弹丸发射出去。这样，可大大提高弹丸的速度和射程。所以，电磁炮出现后，便引起了世界各事家们的普遍关注。 世界各事家们的普遍关注。

1、电磁炮的基本原理

电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力（即洛伦兹力）作用的基本原理来加速弹丸的。根据加速方式，电磁炮可分为导轨炮和线圈炮。下面将分别论述导轨炮和线圈炮的工作原理。

导轨炮：导轨炮的工作原理如图5-1所示。主要由一对平行导轨和夹在其间可移动的电枢及电源、开关等组成。当开关闭合时，向一条导轨输入强大的电流，经过电枢沿另一条导轨流回。载流电枢在导轨电流产生的磁场中受到洛伦兹力的作用而被加速，将弹丸射出。电枢弹丸所受的力可表示为：

2F=Lr/2 （ （1）

其中F 为洛伦兹力（、L为导轨电感梯度（H/m、I为电流强度（A。弹丸的加F 为洛伦兹力（N为洛伦兹力（N）为导轨电感梯度（H/m）H/m）为电流强度（A）速度则为： 速度则为：

2a=F/m=l=Lr/2m （ （2）

2其中a 为加速度（a 为加速度（m/s）、m 为电枢与弹丸的质量之和（。由（2m 为电枢与弹丸的质量之和（kg为电枢与弹丸的质量之和（kg）kg）。由（2）式可见，导轨中的电流强度越大，弹丸的加速度就越大，弹丸的运动速度越快。

导轨炮的导轨有单一、串联、并联和多层等不同结构形式，根据导轨的形式炮口截面可选用方形、圆形和椭圆形等。电枢主要有固态金属电枢、等离子体电枢和混合型电枢等种类。提供脉冲功率的电源主要有电容器组、高性能蓄电池、各种单极发电机、脉冲变压器、强制发电机和爆炸发电机,以及计划研制的超导储能系统等。整个系统结构复杂，人工操作比较困难,通常由计算机控制。 通常由计算机控制。

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图5-1 导轨炮工作原理 导轨炮工作原理

线圈炮：线圈炮的工作原理如图5-2所示。主要由感应耦合的固定线圈、可动线圈、储能器以及开关等组成。固定线圈相当于炮身，可动线圈相当于弹丸。当固定线圈接通电源时，所产生的磁场与可动线圈上的感应电流相互作用，产生洛伦兹力，推动可动弹丸线圈加速射出。弹丸所受的力可表示为：

F=If×IP×dM/dx （ （3）

其中F为洛伦兹力（N、If为固定线圈中的电流强度（A为洛伦兹力（N）、IP为弹丸线圈中的电为固定线圈中的电流强度（A）

ddx/流强度（A、M为固定与可动线圈的互感（H、M流强度（A）为固定与可动线圈的互感（H）

为互感梯度（H/m。由（3为互感梯度（H/m）H/m）（3）

式可知，固定线圈中的电流强度越大，弹丸线圈中的感应电流强度就越大，弹丸所受的电磁力就越大。线圈炮的结构有同轴式、扁平式、滑动接触式和磁性加速体式等。电磁炮从原理上讲主要有上述两种类型，但在结构上可以采用混合方式。

图5-2 线圈炮工作原理 线圈炮工作原理

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2、电磁炮的主要特点 2.1 超高速、大动能2.1 超高速、大动能 采用物理学电磁推进原理的电磁炮，弹丸速度突破了普通火炮（弹丸速度在2000m/s以内）的性能极限,以内）的性能极限,达到4000m/s ，因而弹丸具有巨大动能，大大增强了4000m/s ，因而弹丸具有巨大动能，大大增强了对目标的毁伤能力。 对目标的毁伤能力。 2.2 穿甲能力强、命中精度高2.2 穿甲能力强、命中精度高 穿甲公式为： 穿甲公式为： 1.430.751.431.07b=Vm/Kd （ （4） 其中b为穿甲厚度（dm、V为炮弹着靶速度(m/s)、K为装甲为穿甲厚度（dm）dm）为炮弹着靶速度(m/s)、(m/s)、m为炮弹质量（kg为炮弹质量（kg）kg）抗弹系数、d。可见,抗弹系数、d为弹丸直径（dm为弹丸直径（dm）dm）。可见,弹丸速度增大将大幅度提高穿甲能力。另一方面，弹丸速度高可缩短交战时间，增加对付快速目标的有效性，减小横向脱靶距离，从而提高命中率。 距离，从而提高命中率。 2.3 操作安全简便、系统效费比高2.3 操作安全简便、系统效费比高 电磁炮弹丸的初速和射程可通过改变电流强度的大小来控制。在发射过程中，弹丸加速均匀，几乎没有火焰、烟雾、响声和后坐力，利于隐蔽作战。整个系统由计算机控制，操作简便、安全性好。电磁炮几乎全部发射重量都是有效载荷，其主要能源一般是采用低级燃料的燃气轮机或柴油机，发射能量转换率相对较高，使得单位能量成本较低，加上弹丸价格便宜，因而整个系统的效费比较高。 由于电磁炮具有以上特点，在穿甲时，弹丸能在爆炸反应装甲爆炸前将装甲击穿，并可穿透复合装甲，是一种极具发展潜力的新型穿甲武器。经过二十多年的研究，电磁炮技术在理论上已基本成熟，开始向武器化、实用化发展。电磁炮的穿甲能力已被实验所证实，武器化的电磁炮可以击毁火炮所不能击毁的新型坦克装甲。预计在不远的将来，电磁炮将会作为新一代重要的穿甲武器出现在战场上，在未来战争中起到极其重要的作用，并产生深远的影响。 28