磁悬浮支撑技术

1、 第一部分：磁悬浮支撑技术的原理及其特点 1.1磁悬浮技术的原理及起源 1.2磁悬浮技术的类型 1.3磁悬浮支撑技术的特点 第二部分：磁悬浮技术的应用 2.1磁悬浮轴承 2.2磁悬浮列车 第三部分：磁悬浮支撑技术的发展趋势及不足 第四部分：磁悬浮技术的发展展望 参考文献 悬浮悬浮：磁悬浮、电悬浮、气悬浮 磁悬浮基于磁拉（斥）力而悬浮，如图所示。磁悬浮基于磁拉（斥）力而悬浮，如图所示。 , x F 0 x U 222 0 2 00 222 () AdRU F dxAxx 1.1 磁悬浮技术的原理及起源 , x F 0 x U g 222 0 2 0 222() UwdRg F dxgw xx u

2、磁悬浮的起源：磁悬浮技术是起源于德国，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1934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、 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。 磁悬浮技术类型磁悬浮技术类型 1.1.主动磁悬浮技术主动磁悬浮技术 2.2.被动磁悬浮技术被动磁悬浮技术 3.3.混合磁悬浮技术混合磁悬浮技术 4.4.超导磁悬浮技术超导磁悬浮技术 u磁悬浮系统的组成：磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机 械接触地悬浮起来，该装置由传感器、

3、控制器、电磁铁和功 率放大器等部分组成。 1.2 磁悬浮技术的类型 采用闭环主动控制方式使悬浮体的姿态、动静态采用闭环主动控制方式使悬浮体的姿态、动静态 特性等达到期望要求。即：连续地或断续地测量特性等达到期望要求。即：连续地或断续地测量 悬浮体的位置，通过伺服装置迅速地控制场力，悬浮体的位置，通过伺服装置迅速地控制场力， 使悬浮体相对其要求位置的偏移不超过应许的范使悬浮体相对其要求位置的偏移不超过应许的范 围。主动悬浮又叫有源悬浮，如图围。主动悬浮又叫有源悬浮，如图1 1所示。所示。 图 主动磁悬浮系统 主动磁悬浮技术 u有源磁悬浮系统 它是由悬浮体、传感器、控制器和执 行器 4 部分组成。

4、其中，执行器包括电磁铁和功率放大 器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一 个向下的扰动，它将会偏离其参考位置。这时，传感器 检测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理 器将检测的位移变换成控制信号；功率放大器将这一控 制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电 磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。因此， 不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上，它始终能处于 稳定的平衡状态。 磁悬浮技术的特点：由于磁悬浮不存在机械接触，因 此具有下列优点：一是完全无磨损、无污染，可在真 空和腐蚀性介质中长期使用；二是完全无机械摩擦， 功耗小、噪声低、效率高，不需润滑和密封，可用于 高速工

5、程，解决高速机械设计中润滑和能耗的问题； 另外，磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制 工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机机 电一体化高新技术。电一体化高新技术。 1.3 磁悬浮支撑技术的特点 先看一下传统的轴承 球轴承 外外 圈圈 内圈内圈 球球 圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承 2.1 磁悬浮轴承 滚 动 体 共同点就是内外 圈之间必须要有介 质-滚动体、保持 架 2.1.1 磁悬浮轴承原理 (1)单自由度单自由度磁磁 力轴承工作原理力轴承工作原理 在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传 感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移 变换

6、成控制信号。然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制 电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此， 不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。 F 转子转子 电磁力电磁力 间隙间隙 = 0.5 mm= 0.5 mm 电磁体电磁体 八磁极径向轴承示意图八磁极径向轴承示意图 (2)二自由度磁力轴承工作原理 l测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算后送人功 率放大器产生控制电流Ix和Iy，来驱动径向磁轴承电磁 铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力，当转子在外力 Wo作用下向左下方移动时，传感器将这一信号告诉控 制器(未画出)，控制器增大控制电流Ix和Iy，使

7、得上面 和右面吸力大于下面和左面吸力，转子向右上方移动， 平衡时转子悬浮在径向磁轴承中间。 l转子分别由X和Y方向的两对电 磁铁来吸引，传感器用来测量转 子的位置变化； (3)五自由度磁轴承 一根转子在空间有六个自由度， 除了旋转自由度由电机控制外， 其余五个自由度由磁轴承控制， 称为五自由度磁轴承一转子系统； 其中转子所受的径向载荷(包括转子重量)由两个径向磁轴承 来支承，轴向载荷由一对推力磁轴承来承受，在水平、垂直 和轴向分别安装有五个传感器来测量转子在空间五个自由度 上的位置变化，测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算 后送人功率放大器产生控制电流来驱动电磁铁以获得维持转 子稳定悬浮的电

8、磁力。 与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比， 结合本章开头普通轴承的图片和他们的共同点，可知 磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速， 具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润 滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净 等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并 非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承 形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁 悬浮+汽化轴承等等。 配有数控式磁轴承的铣床主轴，用于高速铣削，转速 40000r/min,切削功率40kw。 径向磁径向磁 力轴承力轴承 径向磁径向磁 力轴承力轴承 电机电机 轴向磁轴向磁 力轴承力轴承

9、2.1.2磁悬浮轴承的应用 磁悬浮轴承-转子 主要采用基于真空磁 悬浮的飞轮储能技术， 在真空环境中，利用 飞轮旋转所储存的动 能，持续转化成电力。 为关键负载提供不间 断的电力保障，实现 了从化学储能到机械 储能的转变。 飞轮储能系统飞轮储能系统 用磁轴承取 代传统的滚 动轴承是多 电发动机的 关键技术之 一。 新一代航空发动机多电发动机 2.2.1 磁悬浮列车的分类 1、按电磁铁的种类 磁悬浮列车根据所采用的电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型 两大类。 u(1)常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体,用气隙传感器来 调节列车与线路之间的悬浮间隙大小,在一般情况下

10、,其悬浮间隙大小在 10mm左右,这种磁悬浮列车的运行速度通常在300500 km /h范围内,适 合于城际及市郊的交通运输。德国主要采用这种系统。 u(2)超导排斥型 超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术来实现列车与线路之 间悬浮运行的,其悬浮间隙大小一般在100mm左右,这种磁悬浮列车低速 时并不悬浮,当速度达到100 km /h时才悬浮起来。它的最高运行速度可以 达到1 000 km /h,当然其建造技术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得 多。日本主要采用这种系统，与本国的这种地质条件有一定关系。 2.2磁悬浮列车 有电磁吸引式悬浮(electromagnetic suspens

11、ion, EMS)和永磁力 悬浮(permanent repulsive suspension, PRS)及感应斥力悬浮 (electrodynamics suspension,EDS)。 3、按列车的驱动方式 (1)长转子、短定子异步直线电机驱动 这种电机的“定子”安装在车辆的底部,“转子”线圈安装在 轨道上。它适合于低速运行。 (2)长定子、短转子同步直线电机驱动 此方式是将电机的“转子”线圈装在车辆上,“定子”线圈装 在轨道上。它适合于高速运行。 2、按悬浮方式： 2.2.2 磁悬浮列车的原理 (1)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)和铺设在线路

12、导轨上的 磁铁，在磁场作用下产生 的吸引力使车辆浮起，如 下图所示，车辆和轨面之 间的间隙与吸引力的大小 成反比 (2)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), 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。 1侧梁壁 2辅助导向轮走行路

13、面 3辅助支撑轮走行路面 4内装8字形线圈 5直线电动机定子线圈 利用侧墙安装悬浮兼 导向性线圈是电磁力 特别强大的这种超导 磁悬浮列车的一大特 点，这样做可以降低 车体高度 由于采用了超导磁铁，磁场很强，因此车辆悬浮高度 也较高，可达到100mm左右。该列车成本较高，但是 悬 浮 控 制 更 加 稳 定 ， 运 行 速 度 也 较 高 ， 可 达 500600km/h。这种类型的列车以日本的MLX低温超导 型磁悬浮列车为代表. 2.2.3 导向原理 磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。现按常导磁吸式 和超导磁斥式两种情况简述如下。 (1)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

14、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。 (2)超导磁斥式的导向系统 在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。 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。 利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。 2.2.4推进原理 (1)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。

15、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。其中TR型快速动车和上海引进的 Transrapid 06号磁悬浮列车,以及日本的HSST型磁悬浮列车 都采用这种形式。 (2)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。 中国上海磁悬浮列车 上海磁悬浮列车专线

16、西起上海轨道交通2号线的龙阳路站，东至上 海浦东国际机场，专线全长29863公里。由中德两国合作开发的 世界第一条磁悬浮商运线2001年3月1日在浦东挖下第一铲，2002年 12月31日全线试运行，2003年1月4日正式开始商业运营，全程只需 8分钟。是世界第一条商业运营的磁悬浮专线。 与传统铁路相比,磁悬浮列车有以下优点： (1)适于高速运行； (2)稳定安全； (3)污染小,易维护； (4)能充分利用能源、获得较高的运输效率； (5)磁悬浮列车车辆使用寿命可达35年，而普通有轨列车 只有20至25年。磁悬浮列车的路轨寿命是80年，普通路轨 道60年； 2.2.5 磁悬浮列车的优点 3.1

17、磁悬浮支承技术发展趋势 五高：高速、高精、高温、 高可靠、高智能 10万rpm,微米级精度 铣床铣头 外观图 铣床铣头切削图 高速、高精 HoneywellJTAGGII MagneticSuspend NASAHigh-TemperatureMBfor GasTurbineEngines NASA磁悬浮航空发动机磁悬浮航空发动机 耐550度以上高温 减振降噪 实时监测 高可靠性 高温 HeartWare离心式血泵 高可靠 磁悬浮减震器 Spring Accelerometer MSI Displacement Sensor A/D C o n t r o l l e r D/A Force

18、SensorsBase + - D/A Power Amplifier Power Amplifier Differential Output F m me ec ch ha an ni ic ca al l c co om mp po on ne en nt ts se el le ec ct tr ro on ni ic c c co om mp po on ne en nt ts s 磁悬浮减振降噪 高智能 (1)材料研究(高强、高温、高磁饱和的磁性材料) 磁悬浮轴承突破磁饱和、磁滞、涡流损耗、离心力等特 性的限制。 有效减小磁轴承的体积、能耗，而大大提高承载能力。 磁化特性好，抗拉弹性

19、模量低，如DT6。 磁化特性差，抗拉弹性模量高，如高 强度钢。 3.2 存在的问题存在的问题 (2)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功 能的，断电后磁悬浮的安全保障措施。尤其是磁悬浮列 车停电后的制动问题仍然是要解决的问题，同时其高速 稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验； (3)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低。因此磁悬浮列车对 线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导 技术更高； (4)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术 更大，冷却系统重，其造价也相对较高，整个系统也 复杂，而且强磁场对人体与环境都有影响； （5）造价昂贵 这是制约磁悬浮技术发展的又一个瓶颈，

20、另外，建成之后高昂的票价也是问题，无法汇集到广大的 平常百姓。如上海磁悬浮单程是50，贵宾席是100 磁悬浮线路的规划单位造价 生产和科学技术的发展促进了磁悬浮技术研究 的不断深入，同时，磁悬浮技术的发展又不断 解决了工程应用中的许多疑难杂症。磁悬浮技 术由于无接触、无摩擦磨损、无需润滑和密封 等优点，使其在许多工程领域获得了广泛的应 用。随着超导磁体的发现，技术问题的不断解 决，磁悬浮技术必将具有更为美好的发展前景。 未来我们的生活将受惠于磁悬浮技术！ 参考文献 1张士勇.磁悬浮技术的应用现状与展望J.工业仪表与自动化，2003年第三期. 2徐晓美，朱思洪.磁悬浮技术及其工程应用J.农机化研

21、究，2005年11月. 3毛宝华，黄荣等.磁悬浮技术在中国的应用前景分析J.交通运输信息与工程， 2008年2月. 4彭晓平.磁悬浮列车的原理及技术基础探讨J.内江科技，2006年第八期. 5张金平，张奕黄.磁悬浮列车的原理及现状J.交通科技，2002年第6期. 6陆一娣.磁悬浮列车的原理及应用J.现代物理知识，21卷第6期. 7张刚等.磁悬浮轴承技术的发展与应用,中国轴承论坛第四届研讨会论文集 8张刚，张建生等.航空发动机用磁悬浮轴承试验台的稳定性分析J.中国工程机械 年会，2002年. 9张刚，张建生等.燃气涡轮发动机磁悬浮轴承试验台的稳定性研究J.燃气涡轮试 验与研究,2003年5月第16期. 10张刚、汪希平.试验用航空发动机磁悬浮轴承样机的稳定性分析J.航空发动机， 2002年第2期. 11张钢,虞烈,谢友柏,等.电磁轴承的发展与研究J.轴承,1997,(10):13-17. 12陈明明.磁悬浮轴承 支承参数的辨识方法研究.硕士学位论文，2013年. 13邵丙衡，陶生桂，倪光正.论磁悬浮列车的类型、核心技术与选型J.机电车传 动，1998年第3期. 13Mark Fairbert.Design Consideration for an Active Magnetic Bearing Used in Aerospace Environmental Cont