磁悬浮技术的来源

1、磁悬浮技术的来源 在1842年，英国物理学家Earnshaw就提出了磁悬浮的概念，利用磁力使物体处于无接触 悬浮状态，单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮 状态，应当采用可控电磁铁。这一思想成为了之后开展的磁悬浮列车和电磁轴承研究的主导 思想。磁悬浮技术的发展磁悬浮技术的研究开始于二十世纪二十年代，它的研究源自于德国，但是早期由于现代控制 理论，电磁学，电子技术发展的缓慢，导致对其研究的进展相当缓慢，20世纪60年代以来， 随着技术的发展，特别是固体技术的发展，国际上开始大规模研究磁悬浮技术，发展最成熟 的是磁悬浮列车和磁悬浮轴承。磁悬浮列车根据悬浮原理的不同

2、分为常导型和超导型两大类 前者以德国高速常导磁浮列车Transrapid为代表，后者以日本磁悬浮列车为代表磁悬浮轴 承大体分为传统的磁悬浮轴承（需要位置传感器）和无传感器的磁悬浮轴承。1969年，德国 牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型在1km轨道上时速达165km。1994 年，日本研制的电动磁悬浮列车在74km长的轨道上时速达431km。1999年，日本的超导 磁悬浮列车时速达到552km。德国经过20年的努力，技术上已趋成熟，已具有建造运营线 路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建的第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为 248km，预计2003年正式投入营运。但由于资

3、金计划问题,2002年宣布停止了这一计划。我国 磁悬浮列车研究工作起步较迟,1989年3月,国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车 。1995年,我国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学成立并且成功实施了稳定悬浮、导 向、驱动控制、载人运行等时速为300km的试验。西南交通大学这条实验线的建成，标志着 我国营经掌握了制造磁悬浮列车的技术，上海铺设的磁悬浮铁路,使我国将成为世界上第一个 具有磁悬浮运营铁路的国家。磁悬浮平台随着现代信息产业高速发展，高精密加工的需求越来越多，例如半导体产业，微电子技术， 生物细胞等都需要高精密定位平台，它们的研究需要超精密运动控制性能和超洁净生产环境 等，因此

4、，传统的工作平台面临巨大的挑战，传统的工作台部件间的运动副摩擦会导致定位 精度低，响应速度缓慢，从而不能顾及工作台运动性能的高精度与运行速度，如果利用气浮 支撑定位平台，如荷兰开发的气浮结构定位平台，采用气压伺服系统与压电驱动器相结合的 伺服定位系统，虽然消除了摩擦，但是由于其结构庞大复杂，支撑刚度小，以致平台承载能 力和抗冲击能力较低，使得承载能力和抗冲击能力降低，并限制了定位精度的提高，所以这 些定位平台都难以满足下一代超精密加工的要求，此外，摩擦非线性也是限制精度的一个重 要原因，为了解决这一系列的问题，磁悬浮平台的研究在国内外掀起了高潮，它是一种无接 触支撑的技术，在电机绕组产生的励磁

5、磁场与永磁体产生的永磁磁场相互作用下，关键部件 既可产生悬浮力又可提供电磁驱动力，其中悬浮力使运动部件相对支承部件始终保持处于无 接触悬浮状态，电磁驱动力用以驱动运动部件精确定位的超精密定位系统，这样系统的机械 结构变得简单，有精度要求的部件大为减少，因此，磁悬浮定位平台可实现多自由度，大范 围的超精密运动且相对运动表面间没有接触，彻底消除了爬行现象，也没有因磨损和接触疲 劳所产生的精度下降和寿命问题，完美的解决了摩擦非线性的问题，具有无需润滑，无声， 易控，高效，结构简单等特点，尤其适用于真空工作环境。磁悬浮平台研发动态磁悬浮工作台是通过电磁原理将工作台稳定的悬浮于半空中，国内外许多研究者对

6、此进行了 深入的研究并且设计了很多不同结构的磁悬浮工作台。按照磁悬浮定位平台的运动维度可分为：一维，二维和三维的磁悬浮平台，其中一维磁悬浮 平台多是应用在直线电机中，其动子部件采用磁轴承式结构或是导轨式结构实现磁浮支撑， 其中导轨式有U型和V型，二维磁悬浮定位平台（也称为磁悬浮平面电机）的运用较为广 泛，采用z向磁浮支撑加平面电机可实现平面定位运动（x y和Rz）;三维磁悬浮平台可实现 空间（6个自由度）定位运动根据悬浮力和驱动力是否由同一部件提供，磁悬浮定位平台可分为两类：一类是悬浮力和驱 动力由同一部件提供，故结构简单，但该结构未能完全实现悬浮力和推力间的解耦，悬浮控 制和水平推力控制之间

7、相互影响，使各自由度的驱动装置之间产生耦合和诸多不确定性，这 就使控制较复杂，例如图1是1995年，美国麻省理工学院设计了世界上第一个由四台直线 电机驱动的磁悬浮定位平台，它采用Halbach永磁体阵列方式，与定子线圈既产生水平驱动 力，同时也产生悬浮力，最大行程可达50mmX50mm，通过对每台直线电机的控制以及它 们之间的协调控制，可以实现六自由度精密运动。还有荷兰埃因霍温大学的学者们设计的 TU型六自由度磁浮定位平台，其定子为U形结构，T形动子在U形空间中运动，T形动子 上缠有线圈，用以产生水平推力，悬浮力由定子上的3个悬浮线圈产生具体结构如图2所 示。另一类是采用两个部件分别来实现悬浮

8、和驱动，既有平面运动部件，又有悬浮运动部件 这种结构实现了悬浮力和推力间的解耦，控制较为简单，但由于电磁线圈铁芯与永磁体之间 的吸引力，使得系统具有明显的非线性，从而影响定位平台的运动稳定性与定位精度，这种 结构有韩国忠州大学KWANG等设计的悬浮定位平台（如图3），还有美国德克萨斯州A& M州立大学机械工程系的学者们研制的六轴三角形结构的磁悬浮定位平台（如图4），xy平 面运动范围为100 m，z方向有10 m运动范围，运动精度可达0.01 m。1997年，美国SvGL，Intel，USAL，荷兰ASML等著名公司合作，采用了纳米级精度的磁 悬浮精密平台成功研制出一台波长为13nm的极紫外光

9、刻机，荷兰Delft大学设计了一个由 三台直线电机驱动的最大行程为160nmX160nm的磁悬浮定位平台，它运用了基于神经网 络观测器的前馈补偿控制，从而来实现精密定位。同时，Delft大学的Auer和Beek设计了 一种结构紧凑的悬浮驱动单元，通过实验证明了：铁磁性平台悬浮和移动是可以实现的。从支撑原理上看，磁悬浮定位平台也可分为排斥式和吸引式，根据电机加载电流的不同，磁 悬浮定位平台可分为直流型和交流型直流型优点是可控性好但效率低，交流型优点是效率 高但控制复杂目前国内外基本上是采用Halbach阵列的交流驱动和单向磁场的直流驱动这 两种方式，如韩国延世大学的平面电机 以及巴西南大河州联邦

10、大学的平面电机 从相关文献可知，国外在磁悬浮定位平台方面的研究具有一定的基础，取得了一些成果，但 实用技术仍然不成熟。国内，对于磁悬浮定位平台的研究才刚刚起步，中南大学、西安交通大学、中科院长春光 学精密机械与物理研究所等单位进行了有关直线行程磁悬浮定位平台的研究。中南大学的段 吉安教授等设计了一种新型磁悬浮直线运动平台。西安交通大学的数字控制及装备技术研 究所设计了一种推斥型磁悬浮定位平台结构。该平台的悬浮与驱动部分互相独立，控制上 采用基于混合灵敏度鲁棒控制理论的鲁棒控制器。中国科学院长春光学精密机械与物理研 究所的宋文荣等设计了直线电机驱动的磁悬浮精密定位平台，采用PID控制。国防科技大 学的龙志强和郝阿明等对所设计的磁悬浮定位平台分析了磁悬浮隔振