磁悬浮技术的原理(扬大).

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。2220200222()AdRUFdxAxx,xF0xU,xF0xUg222020222()UwdRgFdxgwxx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22212120220102()()IIFFFNAgggg磁悬浮轴承的工作原理磁悬浮轴承工作原理图2221202200()()()()IiIiFFFNAgxgx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xgANL021xgANL022电磁式被动型磁悬浮工作原理图xgANL021xgANL022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xgANL021xgANL02220211)()(xgANiF20222)()(xgANiF22212122200()()iiFFFNAgxgx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xU00AUURx22020122UAFAx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20022222002()UgUNFAxigxgxUUii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T＜Tc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。T＞Tc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。T＜Tc，H＜Hc保持超导态；H＞Hc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1512345678917161413121110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431km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