（控制科学与工程专业论文）基于halbach结构的永磁电动悬浮技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在超高速运动领域，常规实验手段的弊端越来越凸显，电动悬浮由于其悬浮 动态自稳特性，使得其在此领域具有得天独厚的优势和广阔的应用前景。 论文以基于h a l b a c h 永磁电动悬浮的高速电动悬浮火箭撬滑轨系统为研究内 容，在对h a l b a c h 永磁电动悬浮的基本原理、磁体优化和稳定性分析的基础上构建 了一个电动悬浮实验装置，论文主要完成了以下工作： 1 采用简化形式的磁场分布和线圈轨道形式，本文对h a l b a c h 永磁电动悬浮 系统基本原理进行了分析，重点讨论了非理想磁场分布对系统浮阻力、浮重比等 特性的影响。 2 为了使磁体的利用率达到最大，需要对电动悬浮的永磁体进行结构优化。 以浮重比为指标，本文对h a l b a c h 结构永磁阵列的几何尺寸进行了优化设计，这是 h a l b a c h 结构永磁电动悬浮系统设计的一个必要步骤。 3 动态稳定性对电动悬浮系统的设计是十分关键的，本文对其欠阻尼特性进 行了探讨，并在此基础上提出了两种主动阻尼引入机制。 4 在理论分析和仿真比较的基础上构建了一个基于金属转盘轨道的h a l b a c h 永磁电动悬浮实验平台，并进行了相关静、动态实验，对永磁电动悬浮系统的基 本特性进行了验证。 通过对永磁电动悬浮系统进行理论和实验分析表明，永磁电动悬浮技术在高 速运动领域具有较好的实用性，但一定的主动阻尼措施对系统的动态特性是十分 必要的，还需要进一步进行理论和实验验证。 关键字：h a l b a c h ，永磁体阵列，电动悬浮，稳定性分析，结构优化，阻尼 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eu l t r a - h i g hs p e e dm o t i o nd o m a i n ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ep r o b l e m se x p o s e d i nt h ec o n v e n t i o n a lt e s tm e a s u r e s ，a n dd u et oi t ss e l f - s t a b l ea b i l i t y ，e d st e c h n o l o g y ( s h o r tf o re l e c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) i se n j o y i n gag o o da d v a n t a g ea n dh a sa n e x t e n s i v ep r o s p e c ti nt h ea r e a w 池h i g h - s p e e dr o c k e tl a u n c hs l e ds y s t e mb a s e do nh a l b a c hp e r m a n e n te d s t e c h n o l o g yb e i n gt h er e s e a r c ho b j e c t ，a n do nt h eb a s i so ft h ef u n d a m e n t a lt h e o r y a n a l y s i s ，m a g n e to p t i m i z a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ep e r m a n e n tm a g n e te d s s y s t e m ，ap e r m a n e n tm a g n e te d se x p e r i m e n tp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d t h ef o l l o w i n g w o r k sa r ep e r f o r m e d ： 1 a d o p t i n gt h es i m p l i f i e dm a g n e tf i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h ee d s s y s t e mb a s e do nt h ec o i lt r a c ki sc h e c k e d a n dt h ee f f e c to ft h en o n - i d e mf i e l d d i s t r i b u t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl e v i t a t i o n - d r a gr a t i oa n dl e v i t a t i o n - w e i g h t r a t i oi se s p e c i a l l yc h e c k e d 2 f o rt h eb e s tu s eo ft h em a g n e t s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t si nt h ee d ss y s t e m n e e dt ob es t r u c t u r a l l yo p t i m i z e d w i t hl e v i t a t i o n w e i g hr a t i ob e i n gt h eo p t i m a li n d e x ， t h eg e o m e t r i c a lo p t i m a ld e s i g no ft h eh a l b a c hp e r m a n e n tm a g n e t si sp e r f o r m e d 3 t h ed y n a m i c s t a b i l i t y i so f g r e a ti m p o r t a n c e f o r t h e d e s i g n o ft h e e l e c t r o d y n a m i cs y s t e m t h ep a p e rp a i da ne m p h a s i so nt h ed a m p i n go ft h ee d ss y s t e m a n dp u tf o r w a r dt w od a m p i n gi n t r o d u c i n gm e t h o d s 4 o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n s ，ah a l b a c hp e r m a n e n t m a g n e te d sp l a t f o n ni s c o n s t r u c t e dw i t ham e t a l l i cd i s cb e i n gt h et r a c k t h e c o r r e s p o n d i n gs t a t i ca n dd y n a m i ct e s t sa r ep e r f o r m e da n dt h em a i nc h a r a c t e r so ft h e p e r m a n e n tm a g n e te d ss y s t e ma r ev a r i f i e d l t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i si n d i c a t e st h a t ，t h ep e r m a n e n te d s t e c h n o l o g yh a sag o o da p p l i c a b i l i t yi nt h eh i g hs p e e dm o t i o na r e a ，b u tac e r t a i na c t i v e d a m p i n gm e a s u r ei si m p o r t a n tf o rt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h es y s t e ma n dn e e d st ob e t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yv a l i d a t e d k e yw o r d s ：h a l b a c h ，p e r m a n e n tm a g n e ta r r a y ，e d s ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，d a m p i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学何论文 表目录 表a 1 悬浮高度1 0 m m 7 7 表a - 2 悬浮高度2 0 m m 7 7 表a 3 悬浮高度3 0 m m 7 7 表a 4 悬浮高度为3 0 m m 时的数据7 8 表a - 5 悬浮高度为2 0 r a m 时的数据7 8 表a 6 悬浮高度为1 0 m m 时的数据7 8 表a 7 悬浮高度为1 0 m m 时的数据( 宽4 0 m m ) 7 9 表a 8 悬浮高度为2 0 m m 时的数据( 宽4 0 m m ) 7 9 表a 9 悬浮高度为3 0 m m 时的数据( 宽4 0 m m ) 7 9 表a 1 0 悬浮高度为1 0 m m 时的数据( 宽1 0 0 m m ) 8 0 表a 1l 悬浮高度为2 0 m m 时的数据( 宽1 0 0 m m ) 8 0 表a 1 2 悬浮高度为1 0 m m 时的数据( 宽1 0 0 m m ) 8 0 表a 1 3 不同磁体波长数时的磁场数据记录8 0 表a 1 41 7 模块加强面下方的磁场数据记录8 l 表b 1 浮阻力记录( 悬浮高度为2 0 m m ，阵列为1 型) 8 4 表b 一2 浮阻力记录( 悬浮高度为2 5 m m ，阵列为1 型) 8 4 表b 3 浮阻力记录( 悬浮高度为2 8 m m ，阵列为1 型) 8 4 表b 4 浮阻力记录( 悬浮高度为3 5 m m ，阵列为l 型) 8 5 表b 5 浮阻力记录( 悬浮高度为4 0 m m ，阵列为1 型) 8 5 表b 6 浮阻力记录( 悬浮高度为2 8 m m ，阵列为2 型) 8 5 表b 7 浮阻力记录( 速度为1 7 5 0 r m i n ，阵列为2 型) 。8 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图 图 图 图 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 9 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图目录 1 9 7 9 年m i y a z a k i 试验线的测试车达到5 1 7 k m 的时速3 m l x 系列列车及y m t l 试验线轨道3 g a 列车转向架及轨道结构图4 g a 低速磁浮列车i n d u c t r a c k 悬浮即推进结构4 m a g p l a n e 磁浮列车模型和悬浮导向示意图5 i n d u c t r a c k 验证模型和高速发射助推模型7 h h s t t 系统结构剖面示意图8 电动悬浮原理示意图9 框型线圈轨道电动悬浮系统9 梯形线圈轨道电动悬浮系统。9 环形h a l b a c h 永磁结构1 2 p a r e t o 优化结果和效率曲线1 2 非等宽和梯形h a l b a c h 永磁结构1 3 非等宽四模块h a l b a c h 永磁结构的磁场分量1 3 窗框型轨道线圈15 轨道线圈等效电路一l 6 i n d u c t r a c k 系统浮阻力与磁体相对速度的关系1 8 梯形轨道线圈2 0 磁场畸变系数随悬浮间隙的变化2 4 理想h a l b a c h 结构磁体2 6 长方体永磁体坐标系2 8 四模块h a l b a c h 结构永磁阵列2 9 四模块h a l b a c h 结构永磁阵列水平垂直分量2 9 八模块h a l b a c h 结构永磁阵列3 0 八模块h a l b a c h 结构永磁阵列水平垂直分量。3 0 四模块h a l b a c h 结构永磁阵列磁化电流分布3 0 不同宽度h a l b a c h 永磁结构的磁场分量3 2 有限宽度h a l b a c h 永磁结构的磁场分量( 实线为水平分量) 3 2 不同磁体厚度时的磁感应强度3 4 不同磁体厚度时的指标y 3 4 不同磁体厚度时的指标鼍3 5 不同磁体厚度时的指标 1 。3 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 不同磁体厚度时的指标2 3 6 不同磁体宽度时的磁感应强度3 6 不同磁体宽度时的指标丫3 7 不同磁体宽度时的指标三3 7 不同磁体宽度时的指标( 1 3 8 不同磁体宽度时的指标 2 3 8 悬浮高度为1 0 m m ，不同宽度比时的磁感应强度3 9 悬浮高度为2 0 m m ，不同宽度比时的磁感应强度3 9 悬浮高度为3 0 m m ，不同宽度比时的磁感应强度4 0 不同宽度比时的磁感应强度比值4 0 不同波长数时的磁感应强度4 l 系统的悬浮间隙和垂直速度。4 5 系统的悬浮间隙和垂直速度。4 6 h a l b a c h 结构电磁铁4 7 电磁式阻尼补偿系统闭环结构框图。4 8 系统的悬浮间隙和垂直速度4 8 e d s & l s m 混合悬浮系统4 9 e d s & l s m 混合悬浮系统受力分析4 9 p m l s m 系统坐标系5l e d s & l s m 混合悬浮系统控制原理图。5 2 三种不同的实验轨道形式一5 3 圆盘和磁体阵列的尺寸设计5 4 磁体阵列几何尺寸一5 5 永磁体阵列5 5 永磁体阵列加强面下方的磁场5 5 电机设计的浮阻力曲线5 6 电机设计的转矩曲线5 7 电机设计的功率曲线5 7 浮力和阻力测量装置5 9 永磁电动悬浮实验平台5 9 浮阻力随速度的变化曲线6 1 理论和实测浮阻力随速度的变化曲线6 l 修正后理论浮阻力和实测浮阻力随速度的变化曲线6 2 不同悬浮高度下浮阻力随速度的变化曲线6 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 浮阻力随磁体悬浮高度的变化曲线6 3 浮阻比随速度的变化曲线6 3 永磁电动悬浮系统动态数据采集器6 4 浮阻力传感器的动态测量值及浮阻力的动态变化6 4 稳态过程中浮阻力的动态变化即阻力的放大图6 5 起浮和降落过程中浮阻力的动态变化6 5 降落过程中浮阻力的动态变化6 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基王坚垒! 曼垒鱼垫箜掏鲍丞壁垒邈墨进撞盔丛窥 学位论文作者签名： 盈垄墨 日期：如驴9 年，月彩日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 基士旦垒! 坠垒里垒结掏鲍丞壁垦动墨翌撞盔盟壅 学位论文作者签名：盏至：圣日期：文。口9 年j f 月日 作者指导教师签名：二么苯粗 日期： 2 9 年 ij 月26 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 磁悬浮技术诞生在二十世纪初期，但多是出现在一些科学幻想或者专利设计 中，并没有实际的工程技术应用。直到六十年代，随着低温超导技术的发展，布 鲁克林国家实验室的p o w e l l 和d a n b y 首次提出了零磁通悬浮概念，并积极推动将 超导磁悬浮作为将来的大众交通运输方式之一【l 】。在7 0 年代早期，世界范围内都 掀起了一股发展磁悬浮技术的热潮，如德国【2 ，3 1 、美国 4 1 、日本【5 1 、加拿大【6 ，刀以及 英副8 】等。到了7 0 年代后期，由于超导技术、功率电子技术、超低温冷却技术的 不成熟，以及由于超导电动悬浮本身的技术复杂性，这个热潮冷却下来，除了日 本还在继续外，电动悬浮研究项目在世界范围内都停止了。在日本，尽管经济在 8 0 年代经历了很严重的衰退，但是日本铁路技术研究中心( r a i lt e c h n o l o g y r e s e a r c hi n s t i t u t e 简称为r t r i ) 成功地发展了一种高速运输技术，但是仍旧存在 费用和性能方面的问题。 近十几年来磁悬浮技术的发展又呈现出十分活跃的态势，以德m t g j 和日本【l o l l 】 研究成功的磁悬浮列车为代表的磁浮技术已经具备有商业运行能力，其良好的运 行性能受到了世界上许多国家的青睐。无论是高速电磁悬浮列车还是低速电磁悬 浮列车都显示出了优秀的运行效能，日本的高速超导电动悬浮列车技术也在向成 熟的商业化迈进。同时低速永磁电动型磁悬浮列车技术在美国也得到了令人瞩目 的发展，目前正在开展试验线测试工作，为将来的商业化做铺垫。 随着磁悬浮技术的发展，其应用领域也在不断延伸，特别是在军事领域方面 磁悬浮技术表现出了出色的性能，受到很多国家政府和军事人士的广泛关注。目 前许多国家已经对此开展了一系列研究，这对很多现有的军事研究技术来说，将 会是一个巨大的改进和革新，也将大大提高研发水平和研究成果。但是由于大多 数军事领域的应用以超高速为主，从目前所掌握的电磁型磁悬浮技术来看，其有 限的悬浮间隙，以及本质上的不稳定性而对主动控制的需要，都成为了制约其在 军事领域应用的瓶颈。而电动悬浮相比于电磁悬浮，则具有悬浮间隙大、系统自 稳定、控制简单等诸多优点，这使得其在军事领域的应用具有得天独厚的优势， 许多现有的军事磁悬浮系统也多以电动悬浮为技术基础。 我国自上个世纪8 0 年代开始了对磁悬浮技术的研究，到目前为止已经成熟地 掌握了电磁型中低速城市磁浮列车的关键技术，并且具备了高速磁浮列车的研发 实力。在电磁型高速磁浮列车领域也开展了大量的研刭1 2 l3 1 ，取得了显著的进步。 但我国在电动型磁悬浮方面的研究相对较少，只有西南交通大学【1 4 ，”】在超导电动 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 悬浮和中科院电工所i l 昏2 3j 在永磁电动悬浮领域做了一些基础性的研究，距离实际 应用还任重道远。 电动悬浮的应用领域很多，最主要的有交通领域和超高速军事应用领域。作 为未来一种有很大前景的大众交通运输方式，电动型磁悬浮列车要经历从小型实 验到试验线，再到商业运营的研发过程，需要大量的研发投入，才能促进相关理 论的成熟和掌握。同样，随着常规实验手段的弊端越来越凸显，而由于磁悬浮技 术的明显的优点，其在军事领域的应用也成为一种必然趋势，美国等相关国家早 已开展了大量的研究 2 4 , 2 5 】。相对于磁浮列车，军事磁悬浮项目的规模则要小很多， 不需要像磁浮列车那样长的研发步骤，但是其超高速的应用背景，使得其相关技 术研究变得十分复杂和紧迫。 本项目提如一种电动与电磁混合控制型磁浮系统，这套系统主要以永磁电动 悬浮为主，在超高速情况下系统是自稳的，同时辅助以电磁力的主动控制以实现 阻尼系统的振动，使得系统性能更加优越。 1 2 国内外电动悬浮系统的研究现状 电动悬浮的实现重要有超导、电磁和永磁电动悬浮几种，其中超导电动悬浮 由于其较强的磁场适合电动悬浮大间隙情况下的磁场要求，是目前应用最广的电 动悬浮方式：而电磁悬浮由于对电流等的要求较高，以及在大间隙情况下很低的 效率，一般只在小型验证分析系统中出现；永磁电动悬浮起初也只是用于小型试 验系统，到了近几十年随着高剩磁永磁材料以及合适结构的出现，永磁电动悬浮 技术受到了较为广泛的重视，并在向成熟的应用技术迈进。 1 2 1 电动悬浮在交通领域的应用 1 日本的m l x 超导悬浮试验线 日本对超高速大众交通系统的研究始于1 9 6 2 年【2 6 1 ，由于超导磁悬浮的高速能 力和技术实现的高可能性，日本国家铁路省最终确定发展超导磁浮列车。经过一 些基础测试后，在日本西部的m i y a z a k i 建了一条7 千米的试验线，并于1 9 7 9 年创 造了时速5 1 7 千米的世界记录( 见图1 1 ) 。之后实验轨道从倒t 型轨道改造为更 为实用的u 型轨，并于1 9 8 1 年开始载人实验。在从1 9 7 7 年到1 9 9 6 年的二十年间， 试验线对四种车型进行了大量测试，其间铁路技术研究所( r t r i ) 接替日本铁路 省继续进行试验线的测试，大大推动了超导磁浮技术的进步。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 囝11 1 9 7 9 年m i y a z a k i 试验线的测试车达到5 1 7 k m 的时建 由于m i y a z a k i 试验线缺乏隧道、坡度、弯遭等路况，在政府资助下，在 y a m a n a s h i 建立了一条新的实验线( y a m a n a s h i m a g l e v t e s t l i n e 简称为y m t l ) ， 其总长1 8 4 1 0 n ，部分为双向车道，含转弯半径为8 k m 的弯道和最高4 0 的坡度 而近8 7 的轨道都为隧道，最长的露天轨道为1 5 k m ，测试中心和变电站。 从1 9 9 7 年开始，相关测试开始在y m t l 进行，前三年主要为验证性测试，主 要验证其作为超高速大众交通系统的技术可行性；在接下来的五年里，主要对系 统的可靠性等进行了评估，以及提高了费效比和气动特性。八年中对超导磁浮技 术进行了全面的测试评估，其间还创造了展高5 8 1 7 千米的时速，以及1 0 2 63 k m h 的最高相对速度。2 0 0 5 年，日本土地、基建与交通部评价m l x 磁浮系统为：“所 有用于交通服务业的必需的超导磁浮技术已经建立”，这标志着其超导磁浮列车 图1 2m l x 系列列车及y m t l 试验线轨道 2 美国的i n d u c t r a c k 低速城市磁浮列车 长期以来由于永磁体的较差的浮重效率，超导磁体一直被认为是电动悬浮 系统的唯一可选磁场源。但是，随着8 0 年代铷铁硼永磁体以及生产技术的提高， 永磁电动悬浮在技术上成为可能。 以p o w e l l 和d a n b y 的磁浮专利”为标志，美国从二十世纪六十年代末期开始 对磁浮列车进行研究。在1 9 6 5 年“高速地面交通法案”的推动下7 0 年代美国联 第3 页 国防科学技术大学研究生疏硕士学位论文 邦铁路局( f r a ) 资助了一系列相关研究，促进了直线感应电机的发展并应用 在早期的磁浮系统设计和部分现有系统中。但是直到7 0 年代中期，没有任何一个 磁浮系统建立，相关研究也被中止。 直到1 9 9 0 年，国家磁浮启动计划的实施标志着磁浮技术的重要性再次被人们 认识。在9 0 年代中期对磁浮的重视又渐渐退去而使相关项目失去了资金支持。新 世纪初，美国政府划拨3 5 0 0 万美元资助低速磁浮项目。但未收到应有的商业化应 用效果。美国联邦交通局委托通用原子能公司( g a ) 存其城市磁悬浮交通技术发 展项目中采用了劳伦斯里弗莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a i l a b o r a t o r y 简称为l l n l ) 的i n d u c a c k 技术，并在宾夕法尼亚州加利福尼亚大学 中建立一条2 0 0 米的试验线1 2 7 - 3 “。 l n d u t r a e k 系统采用永磁电动斥力型悬浮原理。其通过h a l b a c h 永磁体阵列p ” 在车体下方产生单边正弦磁场，通过与i n d u e t r a c k 轨道线圈的相对运动产生电动悬 浮力使车体悬浮；同时通过存推进永磁体阵列上方放置l s m 线圈，与h a l b a c h 磁 体生成的磁场作用产生车体所需推进力：推进磁体阵列与轨道铁栀之问的吸引力， 在提供一部分浮力同时，还可以在车体偏离中心位置时，产生定的回复力。其 转向架及轨道结构示意图和实物如图l3 、l4 所示。 图13g a 列车转向架及轨道结构图 图i4o a 低速磁浮列车h d u c t r a c k 悬浮即推进结构 第4 页 国防科学挂术大学研究生院硕士学惶论文 3 美国的m a g p l a n e 高速磁浮列车 m a g p l a n e 3 2 1 类似g a 的城市低速磁浮项目，也是采用永磁体实现e d s 悬浮， 采用l s m 电机推进：不同的是m a g p l a n e 利用弧形导体板轨道来同时提供悬浮和 导向力，采用大型的永久磁铁实现1 0 厘米的悬浮间隙，而g a 的磁浮项目设定的 悬浮高度为25 厘米。其车体模型和悬浮、导向示意如图1 5 所示。 圈1 5m a g p l a n e 磁浮列车模型和悬浮导向示意图 m a g p l a n e 采用1 0 0 m m 的悬浮间隙，这样车轨耦合振动的矛盾相对较小但它 的永久磁铁很大，占空车重量的半以上，存在大块永磁材料安装困难的问题， 永久磁铁吸附磁性杂物的清除技术尚需进一步研究。此外，e d s 悬浮采用整体铝 板，涡流损耗大。这是m a g p l a n e 发展所面临的尚需解决的问题。 在货运方面，一种基于h a l b a c h 永磁电动悬浮的m a g p l a n em a g p i p e 系统被提 出用来在矿井等场所代替卡车和铁路轨以降低能耗和运行成本 3 3 1 。 4 中科院电工所的永磁电动式磁悬浮系统 王厚生i t 6 - 1 8 1 从研究导体板涡流分布出发，在总结相关研究成果的基础e 给 出了一个新的兰维涡流分布数学模型，应用m a x w e l l 电磁场方程，通过数学推导 和分析，提出轨道导体板分层结构。并设计制造了自己的实验装置，通过实验研 究证明了分层结构的轨道导体板相对于传统的整体导体板，在不影响悬浮力大小 的情况下有效地降低了电磁阻力，有效地提高了系统的浮阻力比。同时还对分层 结构所涉及的相关问题、其它形式的导体板结构、车载h a l b a c h 永磁体的磁场分布 和电磁阻尼方法等进行了一定理论和实验研究。最后还提出了一种新型的水磁电 动式导体板磁恳浮列车设计，这种新型列车的电磁道岔结构相对于m a g p l a n e 更 简单可行。 李春生 1 9 。丑1 等通过改变h a l b a c h 结构磁体的磁块长度、宽度和磁化矢量方向， 以磁体利用率为优化指标，对h a l b a c h 磁体进行了优化设计，并通过建造几组不同 的磁体进行了相关实验验证；在对电动磁悬浮进行理论分析的基础上，其构建了 一个实验装置对系统浮阻力特性和系统相关结构参数的关系进行了分析探讨。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 电动悬浮在航天发射领域的应用 由于航天空间投送能力受到发射成本的巨大限制，政府和人们越来越关注能 够降低发射成本的各种技术。低成本可重复使用单级入轨航天运载器已经成为世 界航天发射领域迫切追求的目标。近十几年来，多种新型发射概念被提出和研究： l a u r e n c ee b l o w t 3 4 j 介绍了航天磁浮助推发射概念m a g l i f i e r 的一些关键技术，对其 可行性进行了初步评估；l d e lm o n t e 掣3 5 】在对磁浮技术进行比较的基础上，主要 对l l n l 的i n d u c t a c k 系统应用到航天助推发射的验证实验进行了介绍，对m a g l i f i e r 磁浮助推概念进行了评估；j h s c h u l t z 等 3 6 】对应用于m a g l i f i e r 概念的超导磁体对 系统浮阻力特性的影响进行了定量计算，得到超导磁体可产生高达1 5 0 的浮重比， 并指出进一步的优化方向；j o h n r h u l l 等1 3 7 】以超导电动悬浮为基础，对一种真空 环形航天发射管道进行了设计，指出了对于吸引力悬浮方式和剪切力悬浮方式两 种管道，要在0 - 1 0 k m s 全速度范围内实现径向、垂向、偏航、俯仰和滚转的稳定， 需要构建四个体载线圈；磁悬浮航天助推发射在欧洲也有相应的关注，j u e r g e n a c k e r m a n 等1 3 剐对欧洲空间局在下一代发射器方面的计划进行了大概介绍；j o h nm k n a p m a n 所进行的理论研究表明建立一个可达到初级火箭的发射高度的磁浮发射 系统是可能的；n j p o w e l l 等【3 9 j 以超导电动悬浮为基础，详细介绍了一种基于真空 管道的空间磁浮发射概念g e n 计划，其i 期和i i 期分别为载物和载人发射计划， 二者由于加速度的不同而需要的轨道长度以及发射地点的选择都是不同的；但多 限于理论分析和概念研究，就目前的相关技术来讲，尤其是储能供能技术的落后， 大部分的概念工程实现难度很大，距离实际应用还比较遥远。 而一种可行性比较高的航天助推发射概念，磁悬浮助推发射得到了较大的发 展进步。磁悬浮助推发射是将磁悬浮轨道技术应用于航天发射，为运载器提供一 个较大的推力和高的起飞初速，以携带更多有效载荷入轨的一种新型航天发射技 术。该种形式的航天发射原理是：将运载器定位于承载滑撬上，承载滑撬结构类 似于磁悬浮列车结构，滑撬运行过程中与轨道相互作用悬浮，直线电机驱动滑撬 加速运动，当滑撬速度接近设定的分离速度时，运载器发动机点火并与滑撬分离 爬升入轨。磁浮发射助推系统的几个关键技术为：高强磁场、降低载荷的合成材 料、气动阻力的克服、悬浮方式的比较和选择、稳定性的分析及控制、经济性、 功率供给系统等。目前已有的一些验证系统有n a s a 委托l l n l 实验室基于 h a l b a c h 结构永磁阵列构建的i n d u c t r a c k 航天助推发射项目 4 0 - 4 2 1 ，国内北京航空航 天大学杨文将等就高温超导磁浮助推发射概念，对其动力供应系统、动力转换装 置、驱动直线电机、承载滑撬磁悬浮轨道以及悬浮导向系统等进行了初步介绍【4 3 】， 并就现有常规功能系统的不足，对脉冲磁流体功能方案进行了介绍m l ，在此基础 上构建了一个小型高温超导航天助推发射系统，对系统的浮力特性等进行了分析 第6 页 国防科学 支术太学研究生院硕士学位论文 线电机作动力，已建轨道长1 04 米【4 ”。下面主要介绍一下n a s a 的i n d u c l r o c k 航 天助推发射系统。 目前，由于超导磁体较强的碰场，航天发射已有了碰悬浮助推发射的方案， 多基于超导电动悬浮，但是随着高强永磁体的出现以及永磁电动悬浮不需要复 杂的冷却和控制系统，永磁电动悬浮也势将能较好地应用在磁悬浮助推发射计划 上，并成为一种主导。上世纪9 0 年代末，l l n l 在n a s a 资助下已经进行了小型 发射助推实验系统的设计m l ，取得了一定的成果。其1 9 9 8 年和1 9 9 9 年分别建造 的两个模型如图16 所示。 囝箜 图1 6i n d u c t r a c k 验证模型和高速发射助推模型 n a s a 资助此项目是为了考察在倾斜磁浮轨道上把火箭加速到0 8 马赫的可行 性，以节省发射燃料( 约4 0 ) 和大大减少发射重量从而使单级加速入轨的实 现变为可能上述模型可以在1 0 0 m 的轨道上加速1 0 k g 的载荷到0 4 马赫。 1z 3 电动悬浮在高速地面实验领域的应用 1 超高速弹目交会实验 导弹在设计过程中特别关心在导弹和目标接近在一定范围内所呈现的散射辐 射特性，这包括导弹和目标的不同的姿态和不同的相对距离所呈现的散射辐射特 性- 更重要的是在不同速度情况下导弹的散射辐射特性对目标的影响，因此在弹 目交会模拟实验系统中关键是如何模拟弹目交互的速度。目前常用的弹目交会系 统主要以地面轨道车来模拟导弹，通过包括火箭和电机在内的不同形式的推进方 式使轨道车达到一定速度来模拟导弹和目标交会的过程，该种形式的模拟系统最 大的问题是在实验过程中轨道和车之间摩擦影响会产生较大的振动，这对弹日交 会实验的实验数据测试和车载仪器存在有巨大的安全隐患。本项目将提出混合控 制型磁悬浮系统的车辆与轨道无摩擦接触，在车辆较高的运行速度下可以通过电 磁力和电动力的协调控制来阻尼车辆的振动，实现车辆的稳定，很好地解决了目 前轮轨弹目交会实验系统存在的问题，更加精确地模拟了实际中导弹与目标交会 第7 页 闰防科学技术太学研究生院硕上学位论立 时的状态，在与之相关的军事研究领域中可以发挥重大作用。 2 导弹发动机推力实验 导弹的速度、射程以及在姿态调整基础上形成的精度都离不开发动机的功劳。 导弹发动机推力是目前导弹发动机研究的重点，导弹发动机的推力方式通常采用 冲压式喷气式，普通的冲压式喷气发动机能使导弹达到4 马赫的速度，目前美国 正在研发速度达到6 马赫以上的巡航导弹发动机，实际情况下导弹在发射过程中 只受到了空气阻力的作用，要模拟导弹在推力实验中下能够达到的速度，必须选 用一种真实模拟导弹受力的实验系统。本项目提出的磁浮系统使载体在超高速下 表现出较好的稳定性，能够真实模拟导弹的飞行情况。另外，该种悬浮方式的载 体在受到的磁阻力在一定速度下趋于稳定，在超高速情况下阻力远远小于导弹的 推力，对推力实验影响小，能真实反映导弹的实际受力情况， 3 美国的h o l l o m a n 高速测试轨道的磁浮化改造 h o l l o m a n 高速测试轨道( h o l l o m a n h i g hs p e e d t e s t t r a c k 简称h h s t t ) 是美 国空军为了模拟高速运动物体( 如飞机、导弹等) ，而在地面建立的一个高速滑 撬系统，其长约达l5 千米，在使用滑块支撑的测试实验中已经选到了高达7 马赫 的速度。在上世纪九十年代末，美国空军委托l l n l 实验室以及波音公舌j 开始对 轨道进行磁浮化改造，到0 8 年已经铺设了长约7 1 0 米的超导悬浮轨道在轨道上 将重达4 2 4 k g 的载重加速到了6 7 3 k n g h 的速度，其结构示意如图l7 所示。 图i7h h s t t 系统结构剖面示意图 1 3 永磁电动悬浮系统的相关理论综述 电动悬浮系统是通过一个移动的磁场源以及其在感应轨道上产生的涡流之间 的作用来产生悬浮力的，这与电磁悬浮是完全小同的，最简单和典型的就是通电 线圈或者磁体在导体板上方移动，从而在导体板中产生相应的涡流涡流产生的 感应磁场与线圈或者磁体磁场作用，r 在垂真方向产生悬浮力，同时也产生阻碍源 第8 面 国防科学技术大学研究生院硕j 学位论文 圉18 电动悬浮原理示意图 对e d s 电动悬浮系统的建模最早见于对a r a g o 的旋转金属盘系统的电流板模 型，其磁场源为固定在盘上方的一个永磁体即l 。但电动悬浮的发展一直比较缓慢， 这缘于对摹础理论的研究不够成熟，对电动悬浮系统的分析直以来就没有精确 的统一的模型。电动悬浮是一种涉及磁场分析、超导、3 d 涡流分布以及火箭科学 等的复杂技术。应用与运输的磁悬浮模型多是通过电机理论发展的，这就导致了 过分简化和隐藏了可能的问题。 电动悬浮系统通常有连续型和离敞型两种轨道，前者由连续的导体扳构成， 后者则由离散的非连续的线圈组成，线圈固定在轨道上，其中两种典型结构为窗 框型轨道和梯形轨道，分别如图19 和图11 0 。 图l9 框型线圈轨道电动悬浮系统 图j1 0 梯蟛线圈轨道电动悬浮系统 在零磁通系统中，也有两种方式：种是在源场中的中心位置的磁通抵消， 这样对浮力没有任何影响，同时提高了系统的刚度h 0 】：另一种是在轨道的中心位 置的磁通抵消1 5 “，p o w e l l 和d a n b y 的最初设计采用了后者。这两种系统都与常规 碰通系统不周在常规磁通系统中没有磁通抵消的中心位置。轨道和磁通类型的 不同同样应用于导向系统，这就产生了报多中可能的系统构造方式。 在应用麦克斯韦方程组时，离散轨道与连续轨道在轨道电阻率的空间分布方 面是不同的，连续型轨道的电阻率在推进方向是不变的，而离散型轨道的电阻率 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 则是周期性的，其间隔与离散轨道相同。从某种意义上来说，连续型轨道可以看 作是离散轨道的无穷划分。 1 3 1 电动悬浮系统建模理论综述 1 连续型轨道 连续型轨道最初是按麦克斯韦的薄板理论建模的，其对概念的理解是很方便 的，但是其并不适宜进行定量分析，文献【5 2 】有详细的总结。文献【5 0 l 给出了一个经 典的“准定量计算 方法，但是忽略了场源在横向空间的波长数。这相当于假设 场源在推进方向上的波长远远小于场的宽度，而这假设通常是不成立的。 当场源是超导体的时候，由于冷却装置的屏蔽，通常忽略轨道感应磁场产生 的电动势，但是这并不是完全合理的【5 引。若在设置中忽略位移电流，麦克斯韦方 程组就简化为一个场分布方程，其决定了电动悬浮系统中的轨道电流。文献【5 4 】探 索了用2 d 傅里叶公式进行几何优化的方法，其假设轨道无限宽，从而没有垂向电