电磁场在社会中的应用

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电磁场在社会中的应用

麦克斯韦全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。他的理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础。

麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个方程。

方程组的微分形式，通常称为麦克斯韦方程。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。

麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。

麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。

??麦克斯韦方程组的积分形式如下： ??????D??B?s(? ) d S (2) ?H?dl???dS(1) ? SH ? d l ? ? J c SS?t?t

上面四个方程可逐一说明如下：在电磁场中任一点处

（1）电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度 ； （2）磁感强度的散度处处等于零。

（3）电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负值；

（4）磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和；

在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 1 CDMA技术

CDMA，就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。 CDMA的带宽可以扩展较大，还可以传输影像呢，这是第三代手机为什么选用CDMA的原因。就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因为其传输的特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大地增强。 目前CDMA系统正快速发展中。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统的标准之一。 1．1 CDMA技术背景

CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。

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在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。

中国联通于2002年1月8日正式开通了CDMA网络并投入商用，2008年10月1日后转由中国电信经营，手机号段为133、153、189及尚未放号的180号段 1．2 CDMA技术的发展及优势

CDMA是Code-DivisionMultipleAccess的缩写，全称码分多址，是近年来被应用于商业的一种数字接口技术，它拥有频率利用率高、手机功耗低等优点。

CDMA手机是指基于网络的移动通信终端，现在中国大陆的CDMA通信运营商为中国电信。

1．2.1 CDMA技术的发展

与手机相比，CDMA手机具有以下优点：一、CDMA手机是名副其实的绿色手机，它发射功率极小(2mw)，只是我们现在使用的GSM手机(功率为125mw)的1／60，甚至低于电视屏幕产生的辐射功率；二、CDMA手机采用了先进的切换技术——软切换技术(即切换是先接续好后再中断)，使得CDMA手机的通话可以与固定电话媲美，而且没有GSM手机的掉线现象；三、使用CDMA网络，运营商的投资相对减少，这就为CDMA手机资费的下调预留了空间；四、因采用以拓频通信为基础的一种调制和多址通信方式，其容量比模拟技术高10倍，超过GSM网络约4倍；五、更为重要的是，基于宽带技术的CDMA使得移动通信中视频应用成为可能，从而使手机从只能打电话和发送短信息等狭窄的服务中走向宽带多媒体应用。

移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分：可分为模拟、数字；按调制方式分：可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分：可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。

目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势，但是，在频谱效率上是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上也很难达到有线电话水平；TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。因此，TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。

目前，中国联通拥有了CDMA业务。但是从2008年十月一日开始联通的CDMA业务转由中国电信经营。 1．2.2CDMA技术标准

CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GHz的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持。其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1X和3X的发展策略，但随后的研究表明，1X和1X增强型技术代表了未来发展方向。

CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、韩国、日本等国家，CDMA技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家，一些运营商也建起了CDMA网络。据CDG(世界CDMA发展集团)统计，1996年底CDMA用户仅为100万；到1998年3月已迅速增长到1000万；截至1999年9月，用户数量已超过4000万。2000年初

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全球CDMA移动电话用户的总数已突破5000万，在一年内用户数量增长率达到118%。CDG表示，目前亚洲已经成为CDMA市场增长的主要动力，亚洲地区CDMA用户数量比一年前增长88%，达到2800万。美国地区的增长率更是高达143%，达到1650万，但用户绝对数量要低于亚洲，在亚太地区，中国香港、日本、韩国、澳大利亚、泰国、印度、菲律宾、新西兰、孟加拉国等许多国家和地区都已建有CDMA商用网络，用户数量已超过2100万户。增长率位于第三的是中美洲和南美洲，CDMA用户数量达到500万。CDG还表示，今后全球CDMA市场中，中国大陆地区的增长潜力最大。

CDMA是移动通信技术的发展方向。在2G阶段，CDMA增强型IS95A与GSM在技术体制上处于同一代产品，提供大致相同的业务。但CDMA技术有其独到之处，在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特色。在2.5G阶段，CDMA2000 1X RTT 与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上1X RTT高于GPRS，在新业务承载上1X RTT比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。从2.5G向3G技术体制过渡上， CDMA2000 1X向CDMA2000 1X EV-DO过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。 1．2.3 CDMA所具优势

(1) 系统容量大

理论上，在使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。

(2) 系统容量的配置灵活

在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。

这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入惟一的大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。

(3) 通话质量更佳

TDMA的信道结构最多只能支持4Kb的语音编码器，它不能支持8Kb以上的语音编码器。而CDMA的结构可以支持13kb的语音编码器。因此可以提供更好的通话质量。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，TDMA采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2至4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

(4)频率规划简单

用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。

虽然CDMA系统频率规划简单，但CDMA系统存在着PN短码的规划，并且PN短码的规划相较频率规划并不一定更简单。

总体来说CDMA的规划并不简单。相反，较之GSM系统要更为复杂。 (5)建网成本低

CDMA系统有着容量大、工作频点较GSM低，因此，在CDMA规划中，CDMA的站间距一般较GSM稀疏。因此可以更好的节约建网成本。

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(6)网络绿色环保

技术体制 平均发射功率 最大发射功率 GSM 125毫瓦 2瓦 CDMA 2毫瓦 200毫瓦

从以上数据可以看到CDMA手机是GSM手机平均发射功率的2/125 CDMA手机更加绿色环保。 (7)低功率谱密度

由于CDMA的关键技术为扩频技术，所以它的功率谱被扩展的很宽，从而功率很低，好处有二：防止其它信道的干扰；防止干扰其它信道。 1．2.4 CDMA技术持点

（1）CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：

①抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。 ②宽带传输，抗衰落能力强。

③由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。

④利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。 ⑤多个用户同时接收,同时发送.

（2）在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点： ①采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。

②采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。

③采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。

④采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。

⑤具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。

⑥兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。

⑦CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。

⑧CDMA高效率的QCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。QCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编五马方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/s和13kbit/s两种速率的序列。8kbit/s序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变，13kbit/S序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/s可变。最近，又有一种8kbit/sEVRC型编码器问世，也具有8kbit/s声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。 1．3 CDMA多址技术

目前的数字移动通信网的主要多址方式是TDMA、TDMA系统(GSM，DAMPS)在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA

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系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而 TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接人，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。

CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 1．3.1 CDMA蜂窝移动通信网的特点

与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(C／I)小于l，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 CDMA比其它系统有非常重要的优势。

(1)系统容量大 理论上CDMA移动网比模拟网大20倍。

(2)系统容量的灵活配置 在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。

(3)系统性能质量更佳 这里指的是CDMA系统具有较高的话音质量，声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。

(4)频率规划简单 用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。

(5)延长手机电池寿命 采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。(6)建网成本下降。

1．3.2 CDMA移动通信网的关键技术 (1)功率控制技术

功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

①反向开环功率控制。它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据IS-95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。

②反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。

③前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。

(2)PN码技术 PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性要好，互相

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关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列至m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。

(3)RAKE接收技术

移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在 CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。

(4)软切换技术

先连接，再断开称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。

(5)话音编码技术

目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。13bit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。

(6)声码器速率的自适应阈值技术

CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，自适应阈值可以根据背景声学噪音电平的变化改变声码器的数据速率。这些阈值的使用压制了背景声学噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。 2 电磁场的更多应用 2．1 电磁起重机

利用电磁原理搬运钢铁物品的机器。电磁起重机的主要部分是磁铁。接通电流，电磁铁便把钢铁物品牢牢吸住，吊运到指定的地方。切断电流，磁性消失，钢铁物品就放下来了。电磁起重机使用十分方便，但必须有电流才可以使用，可以应用在废钢铁回收部门和炼钢车间等。

利用电磁铁来搬运钢铁材料的装置叫做电磁起重机。电磁起重机能产生强大的磁场力，几十吨重的铁片、铁丝、铁钉、废铁和其他各种铁料，不装箱不打包也不用捆扎，就能很方便地收集和搬运，不但操作省力，而且工作简化了。装在木箱中的钢铁材料和机器可以同样搬运。起重机工作时，只要电磁铁线圈里电流不停，被吸起的重物就不会落下，看不见的磁力比坚固的链条更可靠。如果因某种原因断了电，就会造成事故，因而有的电磁起重机上装有钢爪，待运送的重物提起后，坚固的钢爪就自动落下来紧紧地扣住它们。起重机不能搬运灼热的铁块，因为高温的钢铁不能磁化。大的电磁起重机，一下子能提起近百吨重物，图中的电磁铁直径约1.5米，可提起16吨的物体。 2.2 电动机

电动机俗称马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。

按运动方式分两种类型。一种是旋转式器件,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动,这些机器中有些类型可作电动机用,也可作发电机用。[1] 另一种是线性马达。

电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

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它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它使用方便 、运行可靠 、价格低廉 、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用 。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：① 保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

三相异步电机工作原理

异步电机的工作原理如下:当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。

感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。 三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电。

电动机使用了电流的磁效应原理，发现这一原理的的是丹麦物理学家奥斯特。 电动机的发展1831年，美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机。受到亨利的启发，一位名叫威廉·里奇的人设计并造出了一台可以转动的电动机。里奇的这架电动机类似于我们今天在实验室里组装的直流电动机模型。

到了19世纪40年代，俄国科学家雅科比使电动机变得更为实用了。他用电磁铁替代永久磁铁进行工作。这种新型电动机当时被装在一艘游艇上，载着几名乘客驶过了涅瓦河。此事引起了极大的轰动。此后，出生于克罗地亚的美国人特斯拉于1888年，制造出了第一台感应电动机，他在各种电动机中，算是被应用最广的一种。感应电动机会将交流电快速输入一组称为“定子”的外线圈，继而产生一个旋转磁场。转轴内的一组线圈则称为“转子”，它会被定子的旋转磁场感应出电流，然后转子会因电流变化而转变成电磁铁。

美国物理学家亨利于法拉第同时作出电磁感应的伟大发现，1830年8月，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，也没有及时的去申请专利，失去了发明权。可是亨利从不计较个人名利，他认为知识应该为全世界人类所共享，从未与法拉第争过发现权，仍然专心致志地献身于科学事业。亨利的高尚品德受到世人的称赞。所以最后，人们还是将电磁感应现象的发现归于法拉第。特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器。

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单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。单相电不能产生旋转磁场.要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动。 2.2.1 电动机的种类

(1)按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

(2)按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

(3)按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

(4)按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

(5)按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

(6)按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

伺服电动机用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服电动机可分交流、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏

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度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格要求分别小于10％～15％和小于15％～25％等特点。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。电动机转速n为：n＝E/K1j＝（Ua－IaRa）/K1j，式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。

直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。

伺服电动机一般分为直流伺服马达和交流伺服马达。

①直流伺服马达，优点:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单，使用方便,价格优势。缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(对于无尘室)。

②交流伺服马达，优点:良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，高效率（90%以上），不发热，高速控制，高精确位置控制（取决于何种编码器），额定运行区域内，实现恒力矩，低噪音，没有电刷的磨损，免维护，不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境、惯量低。缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线。

直流伺服电动机的应用

直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。

交流伺服电动机的应用

交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中 2.2.2 电动机的行业标准

FJ 567-1987 纺织用FO系列三相异步电动机 FZ/T 99001-1991 FYD型和FYDZ型电锭电动机

FZ/T 99002-1991 FTW型外转子三相永磁式同步电动机 GB/T 2818-2002 井用潜水异步电动机

JB/T 1009-2007 YS系列三相异步电动机技术条件

JB/T 1010-2007 YU系列电阻起动异步电动机技术条件

JB/T 10104-1999 YZ系列起重及冶金用三相异步电动机技术条件 JB/T 1011-2007 YC系列电容起动异步电动机技术条件 JB/T 10391-2002 Y系列三相异步电动机

JB/T 1377.1-1999 SZ系列微型直流伺服电动机 JB/T 3698-2008 单相离合器电动机

JB/T 6222-2007 三相盘式制动异步电动机

JB/T 6741-1993 YSD 系列变极双速三相异步电动机 JB/T 8163-1999 轧机辅传动直流电动机

JB/T 8658-1997 外转子低噪音三相异步电动机 3 电磁波对人类的影响及屏蔽

我们一直生活在一个充满辐射的世界里——大气热辐射、太阳光辐射、放射性元素辐射、电磁辐射??地球本身就是一个大磁场，其表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐

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１０ 射。此外太阳及其它星球也在外层空间源源不断地产生电磁辐射。但科学研究表明，天然产生的电磁辐射对人体的影响很小，基本没损害。对人体构成威胁、对环境造成污染的是人工产生的电磁辐射。根据麦克斯韦理论，任何加速的电荷都能发射电磁辐射，在有电流通过的地方，均会产生电磁波。手机、微波炉等会产生较高频的突波（脉动波）及不均匀的电磁辐射波，如防护不当，会对人体有一定的伤害。但大部分电器产生的低频电磁辐射为均匀稳定的交流电磁辐射波，对人体尚无明显伤害。长时间的低频脉动电磁场对生物体的作用尚无定论，但发达国家对此开始采取防范措施。瑞典、美国的学者、专家的有关专题报告中曾指出：低频脉动电磁场所发出的辐射，同样能引起人体某些病变。因此，目前关于辐射方面的很多问题尚待研究。近年来，随着科技的发展，电视机、电冰箱、洗衣机、微波炉，手机、计算机等各种各样的电子产品走进了人们的工作、学习、生产、生活中，给人们带来了便利。然而，几乎所有的电子产品都会释放电磁波，即使是电线，也会释放电磁波。

在您看电视的时候，您也许不会料到比高压电缆所产生的电磁波还要强的电磁辐射正笼罩着您；在您用移动电话谈妥一宗生意的时候，您不会想到手机天线集中释放的电磁波已经进入了您的体内??

生活中的电子产品种类十分众多，与我们的生活、工作关系非常密切，我们与它们接触的时间又比较长，因此，这些电子产品所产生的电磁辐射对人体健康的影响问题已经越来越受到人们的重视。 3．1 环境电磁学

环境电磁学是环境物理学中新形成的一个分支学科，它主要研究各种电磁污染的来源及其对人类生活环境的影响。电磁污染是指天然的和人为的各种电磁波干扰和有害的电磁辐射。

环境电磁学是以电磁学各分支学科为基础发展起来的。它的一个重要研究内容是研究和提高电子仪器和电气设备在强烈电磁波干扰的环境中工作的稳定性和可靠性。

1943年成立的国际无线电干扰特别委员会，早就在测定方法、干扰标准和抑制技术等方面开展了研究工作。此后，随着电工、无线电技术的飞跃发展，抗干扰的研究不断取得成果。目前人们从环境科学的角度对这一问题也有了新的认识。

环境电磁学的另一重要研究内容是高强度电磁辐射的物理、化学和生物效应，特别是它对人体的作用和危害。由于无线电广播、电视以及微波技术等事业迅速普及，射频设备的功率成倍提高，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到可以直接威胁人身健康的程度。

通常射频电磁辐射按频率划分为不同的频段。在50年代美国、日本、苏联等国开始研究射频电磁辐射对机体的作用机理、危害程度和防护技术。60年代以来已有十多个国家先后制定了电磁辐射安全卫生标准。近年来就静磁场以及一般电磁场对人体的作用等问题做了进一步的研究。

影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。

天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，而且会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重电磁干扰。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通信的干扰特别严重。

人为的电磁污染主要有：脉冲放电，例如切断大电流电路时产生的火花放电，其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小；工频交变电磁场 ，例如在大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰；射频电磁辐射，例如无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域也较大，能危害

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１１ 近场区的工作人员。目前，射频电磁辐射已经成为电磁污染环境的主要因素。

电磁污染传递途径有二：一是通过空间直接辐射；二是借助电磁耦合由线路传导。电磁辐射的防护手段是在电磁场传递的途径中安设电磁屏蔽装置，使有害的电磁场强度降低至容许范围以内。

电磁屏蔽装置一般为金属材料制成的封闭壳体。当交变的电磁场传向金 属壳体时，一部分被 金属壳体表面所反射，一部分在壳体内部被吸收，这样透过壳体的电磁场强度便大幅度衰减。电磁屏蔽的效果与电磁波频率、壳体厚度和屏蔽材料特性等有关。

一般地说，频率越高，壳体越厚，材料导电性能越好，屏蔽效果也就越大。电磁屏蔽可分有源场屏蔽和无源场屏蔽两类。前者是把电磁污染源用良好接地的屏蔽壳体包围起来，以防止它对壳体外部环境的影响；后者则是用屏蔽壳体包围需要保护的区域，以防止外部的电磁污染源对壳体内部环境产生干扰。

对于不同的屏蔽对象和要求，应采用不同的电磁屏蔽装置或措施。主要有屏蔽罩、屏蔽室、屏蔽衣、屏蔽头盔和屏蔽眼罩等。屏蔽衣和屏蔽头盔内夹有铜丝网或微波吸收材料。屏蔽眼罩通常为三层结构，中间一层为铜丝网。

控制电磁污染，除采用上述电磁屏蔽措施外，还应积极采取其他综合性的防治对策。例如工业合理布局，使电磁污染源远离稠密居民区；改进电气设备，以减少对周围环境的电磁污染；在近场区采用电磁辐射吸收材料或装置；实行遥控和遥测，提高自动化程度，以减少工作人员接触高强度电磁辐射的机会等。 3．2屏蔽抗干扰技术

抗干扰接地处理的主要内容：避开地环电流的干扰；降低公共地线阻抗的耦合干扰。 “一点接地”有效地避开了地环电流，而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施，它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。

工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于４Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在１MHz内，属于低频范围。因此，谈谈低频范围的接地。

(1)串联接地

在串联接地方式中，各电路各有一个电流i1、i2、i3等流向接地点。由于地线存在电阻，因此，每个串联接点的电位不再是零，于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是：最怕干扰的电路的地应最接近公共地，而最不怕干扰的电路的地可以稍远离公共地。

(2)并联接地

并联接地方式：在工业控制机中的模拟通道和数字通道采用并联接地。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题，工业控制机应当尽量采用并联接地方式。值得注意的是，虽然采用了并联接地方式，但是地线仍然要粗一些，以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样，当各个部件之间有信号传送时，地线环流干扰

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１２ 将减小。

工业现场的干扰来源是多渠道的，针对不同的项目和不同的现场，应该有不同的处理方法。屏蔽和接地是由工控系统开发者操作的一项技术内容。能否正确设计和利用它们，不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰，而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。

工控系统的屏蔽处理

工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个甚至更多的输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在工业控制系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。

众所周知，地球是一个静电容量很大的导体，其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接，那么该导体的电位也是恒定的。我们把它的电位叫作零电位，它是电位的参考点。然而，工程上不可能做到这种紧密连接，总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时，它的电位就有波动。于是，不同的接地点之间会有电位差。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。

① 电场耦合的屏蔽和抑制技术

克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线１在导线２上产生的对地干扰电压VN为：V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率；R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；C12是导线1和导线2之间的分布电容。在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压VN，应当减小导线1的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C12。

②磁场耦合的抑制技术

抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为：VN=jωBAcosθ，式中ω是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，θ是和两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。

(3)屏蔽线的使用

屏蔽线的接地有三种情况，即：单端接地方式、两端接地方式、屏蔽层悬浮。 ①单端接地方式：假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干

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１３ 扰的措施。

②两端接地方式：由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比单端接地方式差。单端接地方式与两端接地方式都有屏蔽电场耦合干扰作用。

③屏蔽层悬浮：只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。 (4)双绞线的使用

如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，一个价廉物美的传输线就诞生了。根据国外专家的实验测定，屏蔽层接地方法不同对磁场干扰的抑制dB数也不同。

①单端接地方式，对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。

②两端接地方式，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，只有13dB的磁场干扰衰减能力。

③使用屏蔽双绞线，其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。与单端接地方式一样衰减55dB。

④屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有两端接地方式的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比两端接地方式稍差。具有77dB的衰减。

⑤屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63dB的衰减。

⑥屏蔽层和双绞线都两端接地，其效果具有28dB衰减。

双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡传输模式。 3．3 手机信号屏蔽器

手机信号屏蔽器主要针对各类考场、学校、加油站、教堂、法庭、图书馆、会议中心（室）、影剧院、医院、政府、金融、监狱、公安、军事重地等禁止使用手机的场所。据了解，现在市场上的手机信号屏蔽器可以限制自发射台500M米以外，且半径>20米的手机信号。屏蔽半径可调，它仅仅屏蔽手机信号，而不对其它电子设备产生影响。节省电 能，功率为20W--480w。市面上常见的手机信号屏蔽器，其作用频率为：869~894MHz；825~960MHz；1805~1880MHz及1900~1990MHz等。作用频段为CDMA800、GSM900、DCS1800、 PCS1900。可控制直径40米左右的范围，使用DC-DC变换器输入电压，5V输出电压。

手机信号屏蔽器基本功能 (1)缓起动功能

手机信号屏蔽器在通电后，工作电源在4秒内从零上升到稳定。 (2)屏蔽功能

手机信号屏蔽器起动完成后，35秒内使作用范围内的手机被屏蔽。 手机信号屏蔽器工作原理

手机工作时，是在一定的频率范围内，手机和基站通过无线电波联接起来，以一定的波特率和调制方式完成数据和声音的传输。针对这种通讯原理，手机信号屏蔽器在工作过程 中以一定的速度从前向信道的低端频率向高端扫描。该扫描速度可以在手机接

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１４ 收报文信号中形成乱码干扰，手机不能检测出从基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立联接。 手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。 致谢

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