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1、磁悬浮技术的原理及应用现状,曾 励,扬州大学机械工程学院,主要报告内容,一、磁悬浮系统的组成原理,二、磁悬浮技术的应用现状,三、磁悬浮技术的发展趋势,一、磁悬浮系统的组成原理,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。,磁悬浮技术类型：1.主动磁悬浮技术 2.被动磁悬浮技术 3.混合磁悬浮技术 4.超导磁悬浮技术,1.主动磁悬浮技术 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围。伺服控制悬浮又叫有源悬浮，如图1所示。,主动磁悬浮系统,磁悬浮
2、轴承的工作原理,磁悬浮轴承工作原理图,悬浮力：,2.被动磁悬浮技术 不另外提供控制能源，靠自身磁场能量支承悬浮体。又叫无源悬浮。1）电磁式：通过调整自身激磁电路本身参数来实现固有稳定的悬浮。2）永磁式：利用永磁体提供磁场能量悬浮物体。无源悬浮仅在偏离要求位置一定的范围内稳定。,图2 电磁式被动型磁悬浮组成图,1）电磁式被动型磁悬浮技术,电磁式被动型磁悬浮工作原理图,电磁式被动型磁悬浮电流电感关系图,电磁式被动磁悬浮轴承的工作原理,右侧 左侧,电感变化,电磁力变化,电磁合力,永磁被动悬浮力计算,2）永磁式被动磁悬浮,永磁磁悬浮直流电机,永磁磁悬浮轴承结构,径向悬浮力与径向偏移量的关系,轴向悬浮力
3、与轴向位移的关系,3.混合磁悬浮系统 为了提高无源悬浮的刚度，或者，因为无源悬浮仅在偏离要求位置一定的范围内稳定的，可以将伺服控制叠加在无源悬浮上，即有源和无源混合组成主动控制的混合磁悬浮系统。,混合型主动磁悬浮工作原理图,混合磁悬浮轴承结构,永磁电磁混合磁悬浮系统,4.超导式磁悬浮技术,（1）超导的基本特性 1）零电阻效应 TTc 导体为超导态，导体处于无电阻状态 Tc 超导的临界转变温度，Tc见表所示，常用的铋系2223，临界最高温度为110K。TTc 导体为正常态许多金属和合金在低温情况下都会出现超导现象。低温超导：冷却温度低于30K，一般用液氦冷却，成本高；高温超导：冷却温度在30K以
4、上，可用液氮冷却，成本低。,2）完全抗磁性 完全抗磁性即迈斯纳效应：导体过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，超导体内磁感应强度变为零。,抗磁性的磁悬浮原理：,3）临界磁场Hc 超导态除决定温度外，还与外磁场有关。TTc，HHc 保持超导态；HHc 超导态转变为正常态（2）超导产生悬浮力的方式 1）基于迈斯纳效应完全抗磁性的低温超导斥力悬浮 2）基于部分抗磁性和钉扎性的高温超导斥力悬浮 3）基于钉扎力的高温超导吸力悬浮,（3）超导式磁悬浮系统组成,超导绕组与常导绕组组合可实现“零功率”悬浮,二、磁悬浮技术的应用,1.磁悬浮轴承技术,磁悬浮轴承支承的主轴系统,飞
5、轮贮能系统结构,磁悬浮轴承主轴结构,无轴承电机基本结构 示意图,2.无轴承电机技术,飞轮贮能系统结构比较,无轴承密封泵,无轴承人工血泵,两自由度无轴承电机,两自由度无轴承电机,多自由度无轴承电机,3.磁悬浮列车技术,4.磁悬浮飞机,3）具有飞机的特点，如列车两侧有“牙翼”，有点像飞机翅膀，尾部还有起平衡作用的“尾翼”，其自动控制系统、方向舵、车厢、卫星定位系统等设备都是按飞机标准设计的，具有无噪音、无污染、速度快、节约能源等优点。,特点：1）运行中离开轨道比磁悬浮列车更高，距离有8至15厘米，如同在轨道上“飞行”；2）时速非常高，可达550公里/小时；,5.其它应用技术,此外，磁悬浮技术的应用
6、还有磁悬浮主轴系统、磁悬浮飞轮、磁悬浮减振器、磁悬浮电梯、磁悬浮风机（泵）、磁悬浮发电、磁悬浮关节、磁悬浮直线电机.。,三、磁悬浮技术发展现状,1）磁悬浮列车1842年英国物理学家恩休首先提出磁悬浮概念；1922年德国工程师赫尔曼.肯佩尔提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车专利；20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。,1969年，德国牵引机车公司研制出小型磁悬浮列车系统模型，并在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。1994年2月，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在一段74km长的试验线上，创造了时速43
7、1km的日本最高记录。,1.国内外的研究现状,1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速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。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建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300km的试验。标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术。2001年，西南交通大学研制的高温超导磁悬浮列车样机实验成功。,国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991年，美国航空航天
8、管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。,2）磁悬浮轴承,3）无轴承电机,自1991年以来，瑞士、日本、美国、德国等国家先后提出和研制了不同类型的无轴承电机。相继提出了内外置永磁型、感应型、磁阻型、同步磁阻型、永磁同步型等磁轴承。并进行了一些测量比较，提出了控制结构；,国内对磁轴承的研究起步较晚，同外国相比有一定的差距。目前，西安交通大学、南京航空航天大学已成功研制了无轴承电机的样机，但到目前为止，对磁悬浮技术的利用还只停留在实验室的研究阶段，在轴承刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。,1）超导磁悬浮技术,2.磁悬浮的发展趋势,2）磁悬浮控制技术,3）磁悬浮应用技术,
