磁懸浮原理應(yīng)用及發(fā)展

1、磁懸浮原理應(yīng)用及發(fā)展一、磁懸浮技術(shù)簡介磁懸浮技術(shù)的英文名稱為magnetic suspension technique,它的定義是利用磁 場力使物體沿著一個(gè)軸或幾個(gè)軸保持在一定位置的技術(shù)措施。磁懸浮系統(tǒng)是由轉(zhuǎn) 子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4個(gè)部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大 器兩部分。假設(shè)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時(shí)傳感器檢 測出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信 號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn) 生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的 擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡

2、狀態(tài)。由于磁懸浮不存在機(jī)械接觸，因此具有下列優(yōu)點(diǎn)：一是完全無磨損、無污染，可在真空和腐蝕性介質(zhì)中長期使用；二是完全無機(jī)械摩擦，功耗小、噪聲低、效率高，不需潤滑和密封，可用于 高速工程，解決高速機(jī)械設(shè)計(jì)中潤滑和能耗的問題。磁懸浮技術(shù)起步也是比較早的，它起源于德國，早在1922年德國工程師赫 爾曼肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。 1970年以后，隨著世界工業(yè)化國家經(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、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達(dá)國家 相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。1922年，德國赫爾曼肯佩爾提出的 電磁懸浮原理使得在

3、過去三四十年來，磁懸浮技術(shù)無論是車輛性能還是運(yùn)行控制 技術(shù)，技術(shù)層面的多數(shù)難題都已經(jīng)得到解決，研制的不少設(shè)備達(dá)到了最初設(shè)想 的技術(shù)水平。超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展以及設(shè)備制造工藝和系統(tǒng)建設(shè)水平的提高，使磁懸 浮技術(shù)的應(yīng)用能力得到了更快的提升。按照線圈導(dǎo)體屬性，磁懸浮技術(shù)可分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型；按照懸浮原理，磁 懸浮技術(shù)可分為電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電動懸浮系統(tǒng)（EDS）。從原理上，磁 懸浮技術(shù)可分為/常導(dǎo)+ EMS0 （常導(dǎo)磁吸型）和/超導(dǎo)+ EDS0 （超導(dǎo)磁斥型）兩 種主要模式。德國的TR技術(shù)采用/常導(dǎo)+ EMS0，而日本的ML技術(shù)采用/超導(dǎo) + EDS0，他們分別代表了目前國際上兩種比較接近實(shí)用水平的

4、磁懸浮運(yùn)輸技術(shù)。二、磁懸浮技術(shù)應(yīng)用狀況磁懸浮軸承磁懸浮軸承與磁懸浮列車是目前國內(nèi)外研究較多的兩類磁懸浮技術(shù)產(chǎn)品；而 在國外，目前磁懸浮軸承已經(jīng)開始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。我國從20世紀(jì)80年代 開始研究磁懸浮軸承技術(shù)，現(xiàn)已取得了一定的研究成果。傳統(tǒng)的磁懸浮軸承需要5個(gè)或10個(gè)非接觸式位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位移。 由于傳感器的存在，使磁懸浮軸承系統(tǒng)的軸向尺寸變大、系統(tǒng)的動態(tài)性能降低， 而且成本高、可靠性低。由于受結(jié)構(gòu)的限制，傳感器不能裝在磁懸浮軸承的中間， 使系統(tǒng)的控制方程相互耦合，導(dǎo)致控制器設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。此外，由于傳感器的價(jià) 格較高，導(dǎo)致磁懸浮軸承的售價(jià)很高，這大大限制了它在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。因 此

5、，如何降低磁懸浮軸承的價(jià)格，一直是國際上的熱點(diǎn)研究課題。近幾年，結(jié)合 磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領(lǐng)域的最新研究成果，誕生了一個(gè)全新的研 究方向，即無傳感器的磁懸浮軸承。它不需要設(shè)計(jì)專門的位移傳感器，轉(zhuǎn)子的位 移是根據(jù)電磁線圈上的電流和電壓信號而得到的。這類磁懸浮軸承將使轉(zhuǎn)子的軸 向尺寸變小、系統(tǒng)的動態(tài)性能和磁懸浮軸承的可靠性得到提高；這樣磁懸浮軸承 的控制器將便于設(shè)計(jì)，價(jià)格也會顯著下降。磁懸浮列車磁懸浮技術(shù)還主要應(yīng)用于磁懸浮列車。磁懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn)：列車在鐵軌 上方懸浮運(yùn)行，鐵軌與車輛不接觸，不但運(yùn)行速度非?？?，可以超過500千米/ 小時(shí)，而且運(yùn)行平穩(wěn)、舒適，易于實(shí)現(xiàn)自動控制；無噪音，

6、無有害的廢氣排出， 有利于環(huán)境保護(hù)；可以節(jié)省建設(shè)經(jīng)費(fèi)；運(yùn)營、維護(hù)和耗能費(fèi)用低。它是21世紀(jì) 理想的超級特別快車，世界各國都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。目前，中國和日本、 德國、英、美等國都在積極研究這種車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)過載人試驗(yàn)， 即將進(jìn)入實(shí)用階段，運(yùn)行時(shí)速可達(dá)500千米以上。雖然磁懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)仍然值得注意，磁懸浮列車突然 情況下的制動能力不可靠，不如輪軌列車。在陸地上的交通工具沒有輪子是很危 險(xiǎn)的。要克服很大的慣性，只有通過輪子與軌道的制動力來克服。磁懸浮列車沒 有輪子，如果突然停電，靠滑動摩擦是很危險(xiǎn)的。此外，磁懸浮列車又是高架的， 發(fā)生事故時(shí)在5米高處救援很困難

7、，沒有輪子，拖出事故現(xiàn)場困難；若區(qū)間停電， 其他車輛、吊機(jī)也很難靠近。磁懸浮系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上也有很高的要求。磁懸浮系統(tǒng)單位運(yùn)輸能力的造價(jià)高于 輪軌系統(tǒng).。作為發(fā)展中國家，我國中央政府、各級直屬部門與多數(shù)地方政府的 財(cái)政預(yù)算能力總體上仍然是比較有限的，但部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)具備建設(shè)磁懸 浮線路的能力。各國的論證經(jīng)驗(yàn)表明：磁懸浮系統(tǒng)的自負(fù)盈虧能力是比較弱的， 各地區(qū)及政府部門對任何磁懸浮系統(tǒng)建造的決議應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)施運(yùn)營后進(jìn)行經(jīng)濟(jì) 補(bǔ)貼的可能性及財(cái)政能力。因此，各城市在規(guī)劃磁懸浮系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目時(shí)必須要充 分考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)承載能力。磁懸浮工作臺磁懸浮工作臺也是磁懸浮技術(shù)主要應(yīng)用之一。隨著對加工和測量裝備精度要

8、求的不斷提高，有關(guān)長行程、超精密運(yùn)動控制的研究引起了人們越來越多的興趣。 已有研究表明，影響長行程、超精密運(yùn)動控制精度的最主要因素是摩擦力非線性。 而磁懸浮正是一種實(shí)現(xiàn)長行程、超精密運(yùn)動控制的較為理想的方式。磁懸浮工作 臺的關(guān)鍵技術(shù)之一是電磁鐵的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。由于只能使用電磁鐵的吸引力，因此 在工作臺的上方必須有電磁鐵以平衡重力。一方面，在一定程度上會影響工作臺 臺面上工件的安放，這一問題只能通過將電磁鐵的尺寸設(shè)計(jì)得盡量小而得到解 決；另一方面，電磁鐵會有明顯的靜態(tài)功耗（銅損），由此而產(chǎn)生的熱量對精密 系統(tǒng)的指標(biāo)通常會造成嚴(yán)重的影響。要降低靜態(tài)功耗，則設(shè)計(jì)又需要將電磁鐵及 其繞組的尺寸盡量加大。

9、這兩個(gè)相互矛盾的要求是磁懸浮工作臺設(shè)計(jì)的主要問題 之一。其它應(yīng)用磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用還有磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)和磁懸浮潛水電泵等。磁懸浮離 心式鼓風(fēng)機(jī)是風(fēng)機(jī)的一種，它是將磁懸浮技術(shù)和高速電機(jī)技術(shù)融入傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)之中 所形成的一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型鼓風(fēng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于工廠、礦井、隧道等 的通風(fēng)；城市污水處理；風(fēng)洞風(fēng)源等工業(yè)項(xiàng)目中。磁懸浮潛水電泵是經(jīng)多年實(shí)踐 研制而成的專利產(chǎn)品，它實(shí)現(xiàn)了世界潛水電泵領(lǐng)域重大突破，有效解決了傳統(tǒng)潛 水電泵的種種弊端：如轉(zhuǎn)換效率偏低、耗電過高、揚(yáng)程受限、軸承易損、檢修頻 繁等。廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的供排水、農(nóng)田灌溉及高原、山區(qū)供水等領(lǐng)域。三、磁懸浮技術(shù)發(fā)展展望雖然經(jīng)過多年的研究工作，國內(nèi)外對該項(xiàng)技術(shù)的研究都取得了很大的進(jìn)展。 但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中，該項(xiàng)技術(shù)都存在很多的難題，其中磁 懸浮列車的技術(shù)難題是懸浮與推進(jìn)以及一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用 電子技術(shù)、電磁器件、直線電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、材料以及系統(tǒng)分析等方面 的高技術(shù)成果。需要攻關(guān)的是組成系統(tǒng)的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)工程化。最近美國科學(xué)家發(fā) 現(xiàn)有機(jī)塑料聚合物同時(shí)具有磁性和超導(dǎo)性能（10K以下）如果這種材料能進(jìn)一步 提高超導(dǎo)溫度，并代替金屬磁體，將有助于超導(dǎo)磁懸浮列車的研究和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離 運(yùn)營線路的輔設(shè)。懸浮磁