常导超导磁悬浮演示试验装置的控制毕业设计论文

西南交通大学本科毕业设计（论文）常导/超导磁悬浮演示试验装置的控制年级2002级学号20023569姓名吴华专业电子科学与技术指导老师陈汉军2006年6月院系理学院电子科学与技术系专业电子科学与技术年级2002级姓名吴华题目常导/超导磁悬浮演示实验装置的控制指导教师评语指导教师签章评阅人评语评阅人签章成绩答辩委员会主任签章年月日毕业设计（论文）任务书班级电科2班学生姓名吴华学号20023569发题日期2006年3月5日完成日期2006年6月15日题目常导/超导磁悬浮演示实验装置的控制1、本论文的目的、意义本文目的是通过磁悬浮技术的理论研究，让跟多的人认识磁悬浮，了解磁悬浮。通过本文的理论知识的介绍，我自己设计制作了一个简单的磁悬浮装置，用于实现磁悬浮原理。通过一个简单的装置就能实现磁悬浮原理，让人们认识到磁悬浮并不是遥不可及的。本文的意义是通过对磁悬的原理分析，结合自做的小装置，希望更多采用磁悬浮技术产品应用到高校的实验室和日常生活中。让人们更多的认识磁悬浮，普及磁悬浮知识。2、学生应完成的任务了解磁悬浮的基本知识，磁悬浮技术的应用，磁悬浮技术在国外以及在国内的发展情况。了解超导体的性质，超导磁悬浮的基本原理，并且结合实际中应用最广泛的超导磁悬浮列车说出其具体的工作原理。了解常导磁悬浮的基本知识及实现原理，并且能够对现有的常导磁悬浮列车了解出其工作原理。理论分析在超导/常导磁悬浮系统中的控制过程，方法。学生根据自己所学习到的知识设计一个小模型，用来演示磁悬浮现象。整个装置用于解释和说明磁悬浮原理和现象。通过这个装置，使磁悬浮的演示实验内容更加丰富。3、论文各部分内容及时间分配（共12周）第一部查找与论文有关的英文资料和论文资料1周第二部分学习磁悬浮相关的理论知识，进行对英文文献的学习和翻译。2周第三部分了解所写论文的目的、意义。并开始构思论文的内容。3周第四部分根据设计的装置购置所需的器材，并且完成设计的装置。3周第五部分攥写论文，并完成设计装置的制作3周评阅及答辩周备注指导教师年月日审批人年月日目录摘要6第一章绪论911问题提出912磁悬浮的应用小装置举例1013磁悬浮列车简介11131德国的常导磁悬浮列车13132日本的超导磁悬浮列车13133中国磁悬浮列车的研究状况1414磁悬浮列车悬浮方式15141电动悬浮（EDS，磁斥式）15142电磁悬浮（EMS，磁吸式）16143永磁悬浮（PMS，磁吸式）1615本文研究的主要内容、目标与方法19第二章常导磁悬浮的物理模型2021常导磁悬浮列车的物理模型20211悬浮力的公式推导20212磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力21213磁浮列车的驱动原理21214参数24215悬浮力损失的原因分析25216悬浮力的补偿2623常导磁悬浮系统设计30第三章超导磁悬浮的物理模型3231超导体基本现象3232超导磁悬浮的原理4133超导磁悬列车的物理模型4234超导磁悬浮列车的悬浮力和导向力45第四章一个简单的悬浮装置5041概述5042主要部件尺寸、数量及相关材料54第五章总结57参考文献59摘要随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。本文研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程和原理。与超导磁悬浮相比，常导磁悬浮的应用就更为广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬浮和引用非电磁性磁铁（稀土永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮。但是由于电磁铁便于控制和利用，所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点磁悬浮装置的控制问题，做出了一个简单的电磁悬浮装置。这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁片在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同，但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。这个实例给了我们一个启示简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。关键词常导磁悬浮，超导磁悬浮，磁悬浮的控制，演示实验装置，磁悬浮列车ABSTRACTASMOREANDMOREMAGLEVTECHNOLOGYISAPPLIEDTOEACHFIELDINACTUALLIFE,THEWORDOFMAGNETICSUSPENSIONASEVERALYEARSAGOWASVERYSTRANGEHASALREADYWIDELYKNOWNBYTHEPEOPLEMAGNETICSUSPENSIONISCLASSIFIEDANDCANBEDIVIDEDINTOSUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSIONANDELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSIONFROMTHEMATERIALWHICHPRODUCESLIFTFORCEITISAVERYCOMPLICATEDPROBLEMTOCONTROLTHEMAGNETISMSUSPENSIONSYSTEMTHEFOCALPOINTTHATTHISTEXTSTUDIESISTHATTHESETWOKINDSOFMAGNETICSUSPENSIONDEMONSTRATETHEDESIGNABOUTQUESTIONOFCONTROLLINGOFTHEEXPERIMENTALPROVISIONSUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSIONISTOUTILIZETHESUPERCONDUCTORINSUPERCONDUCTIVESTATETOUPBRAIDMAGNETICFORCEPRINCIPLESTOSUSPENDOBJECTSUPERCONDUCTOR,SOSUPERCONDUCTIVECONTROLFOCALPOINTOFMAGNETICSUSPENSIONDROPONTHESUPERCONDUCTORSUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSIONTHISTEXTISFROMRECOMMENDTHATTHEUSINGBASICALLYOFSUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSIONISSTARTEDWITH,INTRODUCETHEBASICPHYSICALPROPERTYOFTHESUPERCONDUCTOR,THENTHECONTROLMETHOD,COURSEANDPRINCIPLETOINTRODUCESUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSIONDEEPLYPROGRESSIVELYCOMPAREDWITHSUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSION,THEAPPLICATIONTHATELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSIONISMUCHMOREEXTENSIVE,BECAUSETHEREALIZATIONCOURSETHATELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSIONISMUCHSIMPLERMAGNETICSUSPENSIONTHATELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSIONANDCANBEDIVIDEDINTOTHEMAGNETICSUSPENSIONWHICHUSETHEELECTROMAGNETANDQUOTEDTHENONELECTRICMAGNETICMAGNETTOMBARTHITEPERMANENTMAGNET,ORDINARYMAGNET,ETCBUTBECAUSETHEELECTROMAGNETISMORECONVENIENTANDUTILIZESCONTROLLING,ITISMOREEXTENSIVETOUSETHEMAGNETICSUSPENSIONOFTHEELECTROMAGNETTHERESEARCHINELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSIONOFTHISTEXTISTOPROCEEDWITHAINSTANCE,ANALYSETHATACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFELECTROMAGNETTYPEMAGNETICSUSPENSION,THUSSTUDYELECTROMAGNETICTYPEMAGNETICSUSPENSIONCONTROLMETHOD,COURSEANDPRINCIPLEFURTHERATTHEENDOFTHISTEXT,IUTILIZEKNOWLEDGESTUDIEDINTHEUNIVERSITY,COMBINETHERESEARCHFOCALPOINTOFTHISTEXTDEMONSTRATETHECONTROLQUESTIONOFTHEEXPERIMENTALPROVISION,HASMADEASIMPLEELECTRICMAGNETICSUSPENSIONDEVICEINMAGNETICSUSPENSIONTHEPRINCIPLEOFTHEDEVICEISTOMAKEUSEOFCONTROLONELECTROMAGNETELECTRICCURRENTTOREALIZEMOVINGREPEATEDLYBACKANDFORTHINTHESKYOFANIRONPLATETHATTHISSUSPENDS,REACHTHERESULTOFSUSPENDINGONTHEVISIONTHISISITCONTROLSQUAREDIFFERENTPRINCIPLETOSUSPENDWITHREALELECTROMAGNET,SIMPLEMEANSTHISCANACHIEVETHETHESAMEGOALTOOTHISINSTANCEHASGIVENUSONETOENLIGHTENTHESIMPLEDEMONSTRATIONEXPERIMENTALPROVISIONCANSTATETHEOPERATIONPRINCIPLEOFNEWANDHIGHTECHNOLOGY,SUCHASMAGLEVTRAIN,ETCTOO,MAGNETICSUSPENSIONISNOTOUTOFREACHKEYWORDELECTROMAGNETICMAGNETICSUSPENSION,SUPERCONDUCTIVEMAGNETICSUSPENSION,THECONTROLOFMAGNETICSUSPENSION,DEMONSTRATETHEEXPERIMENTALPROVISION,THEMAGLEVTRAIN第一章绪论11问题提出在很久以前我就知道了磁悬浮，磁悬浮具有许多的令人惊奇的特性。而如今，磁悬浮的应用已经出现我们的日常生活中，并且离我们越来越近。最有代表的磁悬浮应用就是磁悬浮列车了，另外，还有磁悬浮的地球仪，陀螺等。但是在普通高校的实验室里，关于磁悬浮方面的演示实验装置并不多。为了让更多的人了解磁悬浮，认识磁悬浮，这也是本文的目的所在，设计一个磁悬浮的演示实验装置，对磁悬浮知识的理解是必不可少的。本文的重点就是对磁悬浮的控制。怎样设计一个成功的磁悬浮装置，关键的问题还是在控制上。所以本文着重介绍的就是关与磁悬浮控制方面的知识。下面就简单介绍一下磁悬浮技术应用最为广泛的磁悬浮列车的控制系统。磁悬浮列车一般分为两种，采用排斥力型的超导磁悬浮列车和采用吸引力型的常导磁悬浮列车。这两种列车的设计方式都很独特，其重点就是怎样通过各种控制手段使列车更安全、稳定，这也是本文所要讨论的重点如何通过利用磁悬浮的自身特点段或各种手段去控制磁悬浮系统。磁悬浮列车的受力有三个方向悬浮力（垂直），导向（水平左右）和推进力（水平前后）。怎样通过对三个力的控制，使磁悬浮系统正常平稳的运行就是本文所要讨论的问题。本文的讨论都分为两个部分，超导和常导磁悬浮。研究磁悬浮的目的就是为了更简易的去控制它，所以本文的最后就设计了一个简单的磁悬浮装置，通过一个简单的手段来实现悬浮。用一些简单的方法也能够实现悬浮，所以对我们来说，磁悬浮并不是高不可攀的。吴华注意本课题的提出是为了开设磁悬浮演示实验，“问题的提出”部分应注意到磁悬浮列车已经得到应用，应当有相应的物理演示实验装置。12磁悬浮的应用小装置举例常导磁悬浮具有磁悬浮的一般性质悬浮实现非接触，从而减少摩擦。可以达到更高的速度或者持续更长的时间。无噪声，无污染也是起一大优点，所以如今，磁悬浮更多的应用在交通工具上，比如磁悬浮列车。另外，在其他的应用发面，磁悬浮主要应用在一些小装置，小玩具上。1）磁悬浮地球仪的工作原理由电磁场原理知，电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与永磁力的合力与地球仪重力相平衡时,地球仪就可以悬浮在空中而处于平衡状态,但是这个平衡状态是一种不稳定平衡，这是由于电磁铁与地球仪之间的电磁力大小与它们之间的距离成反比，只要平衡状态稍微受到扰动，就会导致球掉下来或被电磁铁吸上去，因此必须对系统实现闭环控制。为了达到这个目的，在绕组的上下方均安置了磁感应传感器，用以测量地球仪与电磁铁之间的距离变化，当地球受到扰动下降，球与电磁铁之间的距离增大，传感器所测得的强度减弱，其得到的反馈电压减小，经闭环调节与功率放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，合成电磁力增大，球被吸回平衡位置，反之亦然。为了使地球仪稳定地在空中悬浮，同时还能围绕垂直中心轴旋转，增加了一个辅助线圈，在辅助线圈下也安置了传感器。当检测到辅助永磁体时，给辅助线圈增加一个反向磁场，给地球仪一个切向动力，这样，地球仪每转一转，磁推力只需很小，因为地球仪悬在空气中，其旋转阻力是很小的。从上述工作原理分析可知，主线圈用于控制悬浮，而辅线圈用于控制旋转，该控制系统要实现对地球仪的稳定悬浮，其核心是设计一个具有良好调节作用、对外界干扰周围的振动、风、电压波动等抑制能力强、对被控对象参数的变化有较低灵敏度的磁场闭环调节器。2）磁悬浮电动牙刷的工作原理这种牙刷能够利用高速音波振动除去牙垢，每分钟振动达到次。工作原理是通过不断切换驱动部位电磁铁的极和极每秒约切换次，利用吸引力和排斥力使牙刷高速振动，达到除垢的效果。13磁悬浮列车简介磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年HERMANNKEMPER先生就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入70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、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。德国开发的磁悬浮列车TRANSRAPID于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEVMAGNETICALLYLEVITATEDTRAINS于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车TRANSRAPID为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营的建造阶段。第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400500公里/小时，超导磁悬浮可达500600公里/小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的13。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33。131德国的常导磁悬浮列车常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。132日本的超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。133中国磁悬浮列车的研究状况目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过铁科院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。继1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为65米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。上海磁悬浮列车为常导磁悬浮列车。在电磁力作用下，列车将悬浮在距离轨道约1厘米处运行，而实现这一功能的主要部件之一就是轨道梁，它既是承载列车的承重结构，又是浮起列车运行的导向结构。上海磁悬浮列车系统全线总共有1400多根轨道梁，每根长约50米，重达350吨。为了安装电磁设备，梁上要打28万个孔，每个孔的位置误差不得超过002毫米，不到一根头发丝的粗细。由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造的，我国自行研制、设计、施工总投资达3000万元的第一条磁悬浮列车线路青城山磁悬浮列车线路，已经于今年在青城山正式启动。整个线路轨道由水泥横梁连接而成，全长419925米。磁悬浮列车长115米、宽26米、高33米，呈流线形，采用常导吸力式磁悬浮技术。与上海的磁悬浮列车相比，两者除了悬浮原理基本一致外，完全是两种不同类型的磁浮技术。时速不同上海采用的是德国磁浮技术用于城际交通，这决定了它的技术研究方向是高速度上海磁浮列车的运行时速达430公里。而青城山磁浮列车的最高时速是100公里，主要运用于城市内部轨道交通。增加我校校庆前在青城山的工作14磁悬浮列车悬浮方式磁悬浮列车主要由车体与导轨两大部分构成。车上装有超导磁体、可控制直流电磁铁、车载电源、直流电动机的初级或次极。导轨用来引导车辆的纵方向，导轨的形状有U形、T型、L型等多种式样，其表面和侧面安装了产生悬浮力、导向力和牵引力的导体或线圈。磁浮列车受电磁作用产生的悬浮力使车体与地面脱离，直线电动机非接触的牵引力产生了很大的直线速度。这些特殊的技术导致了特有的性能并提出了一系列性能指标与技术的参数。按抬车力形成的原理，可将一系悬挂的悬浮方式分为电动悬浮（EDS）、电磁悬浮（EMS）及永磁悬浮（PMS）三种，表11中作了性能比较141电动悬浮（EDS，磁斥式）超导磁体安装在车厢底部，一旦建立电流，即可在零电阻状态下保持永久通车，当车载超导磁体随车辆行走使地面导轨产生电流，由于超导磁体对感应磁场具有排斥作用，从而将磁力线压缩在超导磁体与地面导体的气隙里，形成了“磁垫”，产生了抬车力。低速时抬车力小，故车辆加辅助轮，高速时车体可达100300MM的悬浮高度，代表车型有日本研制的MLU001、MLU002、MLU002N及MLX01型。142电磁悬浮（EMS，磁吸式）转向架两侧可控制电磁铁与磁性导轨相吸以提升车体，励磁电流与气隙成正比，使用中气隙稳定在812MM，最多为20MM（如真空管道列车）。气隙闭环后采用计算机集散控制概念中的“磁轮”，使之在行走和停车时保持设计悬浮高度。代表车型有德国TRANSRAPID、日本HSST，韩国KOMAG。德国TRANSRAPID磁悬浮列车（图中为轨道）与日本HSST磁悬浮列车143永磁悬浮（PMS，磁吸式）早期采用的悬浮方式，用永久磁铁的吸力或斥力提升车体，大多利用吸力。永磁体采用钐钴磁纲或钕铁硼永久磁铁，因矫顽力大故能耗少，但简单的控制手段难以保证良好的平稳性。代表车型有德国MBAHN。目前的磁悬浮列车主要分成德国和日本两派。按抬车力形成的原理，可将悬挂的悬浮方式分为电动悬浮（EDS）、电磁悬浮（EMS）和永磁悬浮（PMS）三种，表11中列出了性能和比较。表11磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。悬浮系统目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS），以及在早期采用的永磁悬浮（PMS），但由于简单的控制手段难以保证良好的平稳性，已经淘汰，在此故不作细论。图4给出了两种系统的结构差别。电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营的建造阶段。第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400500公里/小时，超导磁悬浮可达500600公里/小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的13。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33。15本文研究的主要内容、目标与方法本文的研究方法是由浅入深地介绍超导/常导磁悬浮系统的工作原理及控制原理。对磁悬浮工作原理的研究过程，也就是我对磁悬浮系统认识的逐渐深入过程。结合这些基本原理，再根据我所学的知识，我设计了一个简单的模型，用来实现悬浮现象，同时也对比真实的磁悬浮系统，进一步的对磁悬浮系统的控制原理进行解释。本文研究的主要内容就是磁悬浮系统中的各种控制手段和方法。第二章常导磁悬浮的物理模型在常导磁悬浮中，应用最为广泛，也最为人所知的也就是磁悬浮列车了。所以在以下的常导磁悬浮研究部分，我就以最常见的常导吸力式磁悬浮列车做为模型，研究和分析磁悬浮的控制原理和方法。21常导磁悬浮列车的物理模型悬浮技术是低速磁浮的关键技术之一,悬浮能力的大小直接决定了客运能力,而悬浮能力则取决于悬浮系统的设计。从日本对低速磁浮的研究文献中,得到了悬浮磁铁和轨道的近似模型,如图21所示1励磁线圈2磁极铁芯3轨道铁芯4感应导体板图21悬浮系统的近似物理模型悬浮系统的基本原理就是利用电磁铁对铁磁物质有吸引作用这一性质,通过对励磁线圈通电励磁在磁极铁芯跟轨道之间产生悬浮力。211悬浮力的公式推导计算悬浮力的公式为式中,F为悬浮力B为气隙磁通密度P为磁极宽度L为磁极长度U0为空气磁导率；根据磁势，磁通，磁阻和气隙磁通密度的相互关系,可得悬浮力的近似计算公式式中,为单个气隙长度为励磁线圈安匝数，由于空气磁导率是一个定值,从式2可以看出,悬浮力主要取决于磁极的物理参数励磁线圈安匝数以及气隙长度。212磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力在设计悬浮系统的时候,磁极和导轨部分都做成形,目的是使系统在提供悬浮力的同时,利用磁极左右摆动时产生的反方向的横向力让磁极回到中心位置,从而起到侧向导向的作用。磁极侧向偏移时悬浮力和导向力的近似计算公式式中,为磁极侧向偏移时的悬浮力为侧向偏移量为磁极侧向偏移时的导向力为经验系数,一般取0809。213磁浮列车的驱动原理磁悬浮与线性驱动是磁浮列车两大技术特点，现在从驱动角度来分析选型。用线性电机取代轮轨机车中的旋转电机，纵向（列车运行方向）牵引力不受轮轨黏着力限制，这决定了磁浮列车具有牵引力大、爬坡能力强、起动快和速度高等一系列优点。磁浮列车采用的线性电机有两种不同型式，它们的主要技术特征见下表。长定子线性同步电机驱动德国TR和日本MLU磁浮列车都采用长定子线性同步电机驱动，即电机定子三相交流绕组是铺设在地面线路两侧，动力电源VVVF（变频变压变流器系统）也是在地面变电所内，列车运行控制要在地面运行控制中心完成，对同步电机的同步控制精度也很高，需要对列车的速度和位置进行精确测控，目前国内还没有这方面的技术。长定子方案，由于沿线铺设电机定子绕组，其造价必然很高。采用地面同步电机控制优点是功率大，功率因数高，适用于高速磁浮列车。图22示意地表示了德国TR型磁浮列车长定子线性电机从传统旋转电机展开，设于地面定子铁心槽内的情况。图22长定子同步电机示意图短定子线性异步电机驱动日本HSST磁浮列车采用短定子线性异步电机，线性异步电机定子三相绕组布置在车上两侧，而异步电机转子结构简单，由4MM左右的铝板铺设在线路与车上定子位置相应的两侧。所以，短定子磁浮线路的造价远低于长定子磁浮线路。由于电机绕组在车上，所以动力电源（VVVF）也必须装在车内，从地面供电轨（DC1500V）取得电能，地面与磁浮列车之间必须安装受流器。所以严格地说，这种短定子直线电机磁浮列车不是完全无机械接触的。有受流器这点就决定了这种磁浮列车不能用于很高速度，因为高速时受流性能恶化，从目前的技术水平来说，超过200KM/H的受流性能很难保证。从运行控制方面来说，短定子磁浮列车控制是在车上完成的，相对比较容易。但是，对磁浮列车线性异步电机控制时，必须使线性异步电机的法向力（垂向力）的影响降至最小。线性异步电机牵引力FX和法向力FZ与滑差频率FZ的关系曲线见图B。该图表明，法向力FZ的极性在FO前后是变化的，在FFO时，FZ表现为斥力；在FFO时，则表现为吸力，这种变化对磁浮系统来说是有害的。因为设计磁悬浮系统时，除了要克服车辆重力以及在运动中所产生的动力作用外，还必须考虑这种由电机产生的法向干扰力，而且电机的法向力很大，它和电机牵引力有同样的数量级。为了避免这种干扰力，在设计电机和控制系统时，必须使磁浮列车电机工作在频率FO附近，即FZ0。这就要求对磁浮列车的速度进行精确测量，而直线运动速度精确测量是项专门技术。图23直线电机法向力与滑频的关系214参数图21所示物理模型的基本参数单个励磁线圈得匝数N为360单个气隙长度D为10磁极宽度P为28磁极长度L为1250。ANSYS磁场分析ANSYS是一个有限元分析软件,能够用于力学、热学、流体、电磁场等场域的分析,本文中主要是在二维电磁场中分析受力关系。磁极无侧向偏移时的磁场分析根据图21所示的物理模型以及给定的参数,建立有限元分析模型,给励磁线圈加上10080A的电流,可以获得图24所示的磁力线分布图以及图25所示的气隙磁通密度曲线。215悬浮力损失的原因分析（1）磁极侧向偏移在运行过程中,由于受空气阻力的影响,列车会产生侧向的摆动,这就使得悬浮磁极和导轨之间产生侧向偏移。在励磁线圈安匝数保持不变的情况下,悬浮力大小随着侧移而下降。与此同时，侧移后磁极和导轨之间产生导向力,将磁极拉回到中心位置。表21给出了磁极极面宽度为28，线圈励磁电流为10080A时,由于磁极侧移引起的悬浮力和导向力的变化。（2）列车通过弯道当列车通过弯道的时候，由于磁铁模块不能弯曲，所以就会出现磁极极面跟导轨极面不重合的现象。这种不重合可以近似认为是磁极的侧移。同上所述，这种情况下也会产生悬浮力的损失。图26给出了列车通过弯道时磁极和导轨的相对位置示意图图中只画了一个极，其中矩形表示的是磁极模块，断裂环形表示的是导轨极面，阴影部分表示两者不重合的区域。图中的基本参数如下导轨极面宽度P128磁极极面宽度P228磁极模块长度L24。216悬浮力的补偿（1）磁极铁芯和导轨的极面同时加宽图27和图28给出了相同的励磁安匝数下，在磁极宽度分别为28MM、32MM、36MM时，由于磁极侧向偏移导致的悬浮力和导向力变化。从图中可以得知，要保持极宽28MM且无侧移时的悬浮力，当磁极宽度为32MM时，侧移量可达30，而磁极宽度为36MM时，偏移量可达40。也就是说，在增加磁极宽度的情况下，无需增加励磁就可以大大改善悬浮力。与此同时，磁极加宽使得导向力也有所增加，只是幅度不是很大。（2）加宽导轨内侧极面由于磁极铁芯和导轨极面的同时加宽会大量增加成本，在这种情况下只考虑增加导轨内侧极面的宽度。通过分析，得到的结果如图29和图210。从图中可以看出，单侧极面柱宽度每增加144/28，在磁极侧移时，悬浮力的增加约为300NM约为无侧移时的29的定值，而导向力则几乎保持不变，总的效果不是十分明显图29悬浮力的变化（3）增大线圈励磁在设计参数已定的情况下，要增加悬浮力，则只能增大线圈的励磁电流。在这里对列车通过弯道处时由于磁极铁芯跟导轨极面不重合情况下悬浮力的损失及电流补偿进行分析。考虑到图26中两块不重合区域的对称性，分析时只取半个磁极模块12M的长度，并把这12M分成6段，对每段的磁极偏移造成的悬浮力损失加权平均，得到整个模块总的悬浮力损失。选取3个特定的弯道半径进行分析计算，并将计算得到的结果整理如表2。从表2中可以看出，弯道半径越小，引起的磁极与导轨的偏差就越大，悬浮力的损失也越多，需要补偿的电流也就越大。23结果比较图211和图212给出了ANSYS的分析结果和近似公式计算结果的图形对比。从中可以看出，两者的差别很小。23常导磁悬浮系统设计总的来说，影响悬浮力的因素有下面4个物理参数、励磁电流、磁极侧向偏移、涡流。物理参数的选取取决于两个条件一是机械强度二是温升。日本HSST系统用的是极宽为28MM的磁极，但悬浮能力有限，主要是温升限制了励磁电流的大小。可以得到温升的计算公式式中，为温升I为励磁电流R为线圈电阻为散热系数SR为散热面积。将设计参数代入式11可得也就是说，如果允许温升为80，则最大允许励磁电流为1754A。要改善温升，一方面可以采用高温升等级的耐热材料另一方面，可以采用电阻率低的材料作为线圈材料，或改善线圈的散热条件。至于涡流，在对整车的悬浮模块进行分析时，涡流的影响不是很大。为了更有效地减小涡流的影响，可以采用薄钢板代替整块钢或是高电阻的磁钢。实际上，在列车速度超过100KM/H时，对设计影响更大的是牵引异步电机的效率和功率因数。总而言之，对于悬浮系统的优化设计，应该考虑悬浮能力、建设成本和运行环境等多方面的因素。此外，还应在保证悬浮能力和温升不超过限值的前提下，进行成本的优化设计。第三章超导磁悬浮的物理模型31超导体基本现象在19世纪末液化气体的实验技术获得了显著进展，曾一度被视为“永久气体”的空气1895年被液化了，L898年杜瓦DEWAR第一次把氢气变成液体氢，液化点为20K。在利用液体空气和液氢的基础上，当时在实验中已能实现14K的低温。1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯的指导下，经过长期努力后实现了氮气的液化。当时，他们测定在一个大气压下氦的液化点是425K，使莱登实验室获得了当时所能达到的最低温度。很久以来人们已经知道，金属的电阻率随温度的降低而减小，所以昂尼斯决定研究一下在他们所达到的新低温区内金属电阻变化的规律。昂尼斯根据杜瓦的经验预期，随着温度的降低，电阻率会平缓地趋于零。然而，对金属铂所作的实验却发现，铂的电阻趋于不为零的剩余电阻值，比值与铂中所合的杂质量有关。由于利用真空蒸馏易于得到纯汞，他们使进一少选择汞作实验，结果发现在42K附近汞的电阻确实为零。然而出乎意料的是，当温度下降时，汞的电阻先是平缓地减小，而在42K附近电阻突然降为零。图31的横坐标是湿度，纵坐标是该温度下汞的电阻与摄氏零度时汞的电阻之比。由图可见，在42K附近，汞的电阻比由大约为1/500下降到小于百万分之一。图中标出了电阻的突变。昂尼斯指出在42K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际上为零。他把这种显示出超导电性质的物质状态定名为超导态。此后，他们又发现其它许多金属也有超导电现象，例如，铝约在38K开始变为超导态。我们用超导体一词表示当冷却到一定湿度以下时能表现出超导电性的材料。图31在超导转变温度附近汞电阻随温度的变化当超导体显示超导电性时，就说它处于超导态，否则说它处于正常态。现在我们知道，有些在正常态时具有很大电阻率的不纯的金属是超导体，而铂、铜、金、银等在直到目前所能达到的最低温度下尚未表现出是超导体。我们称超导体开始失去电阻时的温度为超导转变温度或临界温度，以TC表示。测量超导转交温度主要有电测法和磁测法两种。磁测法是利用超导体的磁性质来测，电测法是利用零电阻效应。将恒定电流通入被测样品，把灵敏伏特计连到样品两端，通过测量电压来测量电阻，根据样品电阻下降为零，可测定TC。实际上，由正常态向超导态的过汲是在一个温度间隔内完成的，我们称这个温度间隔为转变宽度。转变宽度因材料性质不同而不同。图32表示锡的转变，由线1、2、3分别表示纯锡单品、纯锡多品及不纯的锡多品从正常态过渡到超导态时电阻的变化的情况。可以看出，经过充分退火的单晶样品，其转变宽度很小，但在多星体或合有机械应变和杂质的样品小，转变宽度增大。通常把样品电阻下降到正常态电阻值一半时所处的温度定为TC。图32超导转变温度的宽度随样品的性质不同而不同自然会产生这样一个问题在超导态下电阻真是完全消失了吗为研究这个问题，昂尼斯作了更灵敏的实验超导环中的持续屯流实验。大家知道，若将一金属环放在变化着的磁场下，则环内就会产生感应电动势。如果以L表示环的自感，R表示其电阻，则有0DILT积分后得到/0RILTIE其中表示电流衰减时间。对于正常金属来说，很小，环内电流很快衰/减为零。然而对于超导环，情况完全不同。昂尼斯先把超导环置于磁场中，然后使它冷却转变为超导态，再将磁场撤掉，这时在超导态的环中感生一电流。实验发现，此电流衰减极小。由此得知，对于超导态的铅而言，如果它有电阻的话，其电阻率将小于。其后柯林斯曾使一超导环中的电流持续了约两年160半之久，而末发现电流有明显变化。奎思等人作了类似的实验，他指出超导态铅的电阻率小于CM。作为比较，钝铜在低温下的电阻率约为253910M。由此看来，认为超导态金属具有零电阻是合适的。应该指出，只是在直流电情况下才有零电阻现象。如果电流随时间而变化，那就会有功率耗散，但在低频下功率损耗很小。当频率高于HZ时，其电阻将达到正常金属的电10阻值。超导电性的原因何在大家知道，在理想的完全规则排列完整晶体的原子周期场小，电子处于确定的动量态，电子通过完整晶体时在原方向上的动量不会有任何损失，就是说，在完整晶体中流动的电流不受到电阻。不过，对晶体周期性的任何破坏都会引起电阻。例如，由于原于在不断地作热振动，它经常偏离平衡位置，从而对周期场产生了微扰，这就导致电子散射而出现电阻。晶体中无规分布的缺陷如外来杂质原于、空位等边都会造成心子散射而引起电阻。从这种机理来看，实际品体总是要有电阻的，的为任何真实的样品都不可能没有一点杂质。这样看来，前面谈到的有些具有很大电阻率的不纯金属也能进入超导态就更令人费解。自1911年昂尼斯发现超导电性以来，超导电性起因问题一直为人们所关注，直到本世纪五十年代才由三化美国物理学家巴丁、床珀和施瑞弗解决了。他们把超导电性归因于一个全新的机制，即导电电子凝聚为电子对。（1）临界磁场我们考虑一圆柱形超导体，其长度比直径大得多，可近似地把它视为无限长。降低温度到超导转变温度TC以下，再加一与圆柱体铀线平行的外磁场。实验