磁力应用领域

关于磁力应用领域的报告(一)现有的磁力应用工程1.磁力起重设备过去使用一种电磁式起重机，用电磁铁做吸盘，吸起大量钢铁，到了指定地点后断电，电磁力消失，这些钢铁就被堆放起来。这种起重机在吸、举和移动过程中要消耗掉大量电能，很不经济。近来发展起电脉冲永磁起重机。在吸盘上有一个充磁、退磁的充放电系统。当吸盘放到待运的钢铁上时，对永磁回路系统进行脉冲充磁，永磁体达到高工作点，产生强大的吸引力，把成吨的钢铁牢牢的吸住。当到达指定的堆放位置时，对永磁回路系统施加一个适当大小的反脉冲，使永磁体退到低工作点，吸力大大减弱，这成吨的钢铁就被堆放在指定位置了。永磁起重技术，是永磁材料应用的新领域之一，也是起重技术发展中的一个新方向。永磁起重装置的基本特征是:在起重作业过程中，不需要通电流，靠强大的永磁体的磁力把钢铁等铁磁性物件吸吊起来。因此，相对于传统的电磁式起重而言，永磁起重的最大优点，是节省能源。因为不存在因停电而发生事故的问题，所以永磁起重装置的另一个优点是安全可靠。又由于不需要防断电装置，因此有利于降低成本。一般而言，永磁起重装置的体积和重量，要比同级的电磁式的装置小而轻。永磁起重技术，显示出美好的前景，然而目前它尚处于发展阶段，还有不少问题，需要进一步研究。2.电磁离合器(1)摩擦式摩擦式是把相对着的一个或两个以上的摩擦面压在一起，靠摩擦力来传递转矩，在摩擦力的加压或释放方法方面有电磁力加压、弹簧释放和弹簧加压、电磁力释放两种。一般前者占压倒多数，后者在停电时也处于动作状态，适用于非常停止等用途。电磁摩擦离合器与其它离合器相比，具有结构简单，外型小，使用上的限制少等特点，作为一般产业等用途目前是用量最多的。(2)牙嵌式靠在主动侧和从动侧的转矩传递面上的齿和齿的啮合来传动转矩的离合器，称作电磁牙嵌式离合器。由于转矩是靠齿的啮合而机械的进行传递，和摩擦式相比体积小，传递转矩大。(3)气隙式粉末离合器使用磁性粉末作为动力传递的媒体，动作部分有同心圆筒形和盘形，前者占压倒多数。在特性方面的特征有传递的转矩和主动侧与被动侧的转速滑差大小无关，传递转矩和励磁电流大致成比例等。3.除铁器除铁器是一种用于清除块状或粉状物料中杂铁的除铁装置。按磁力来源不同，可分为电磁除铁器和永磁除铁器。电磁除铁器实质上是一种直流电磁铁，其励磁线圈在通电过程中产生强磁场，将非磁性物料中的铁件吸起。永磁除铁器是以高矫顽力、高剩磁的稀土磁性材料钕铁硼和铁氧体组成磁源，以形成强力磁场，用于吸除铁磁性杂物。较早的除铁器就是把电磁铁悬挂在胶带输送机的上方，当输送的物料中有铁器通过时就被吸出来附集在电磁铁表面上。其缺点是：要把这些铁器清除下来必须切断电源之后才能自动脱落；另外，电磁铁运行消耗功率比较大，有铁时吸铁，无铁时等待，这样一部分电能就白白浪费了。后来通过改进，将原来的固定吊挂改为可在轨道上自由行走，往返于胶带输送机上方和外侧卸料区，并在胶带输送机上电磁铁工作区来料方向一定距离处安装铁器探测仪，组成除铁器自动控制系统。当胶带输送机停机及无铁时，除铁器断电停在位于胶带输送机一侧的卸料区;当胶带输送机输送的物料中有铁器通过时，探测仪会发出信号让除铁器自动行走到胶带输送机的上方工作区，且延时自动送电工作。此时铁件准确到达就立即被电磁铁吸上来，随后除铁器自动离开工作区返回，到达卸料区后自动断电卸料，如此反复动作合理除铁。这套装置仍不完善，只适于少量断续出现铁器的清除，不能满足所有用户的需要。4.磁选机在选矿生产线中，磁选机是不可或缺的设备，配合给矿机、提升机、传送机、粉碎机等可组成完整的选矿生产线。经过洗净和分级的矿物混合料在传送到磁选机上时，由于各种矿物的比磁化系数不同，经由磁力和机械力将混合料中的磁性物质分离开来。较早的应用是电磁选矿机，后来，以强磁永磁铁为基础的稀土磁力辊分选机(REMS)干式磁选的发展与电磁选矿机相比提高了分选效果和处理能力，并降低了基建费用和生产成本。在减少机器所需占地面积方面，这种方法也是有利的。强磁选机的原理如图1所示。移动胶带上的干矿物给到磁力辊上，磁力、重力和离心力等通过移动式分离器近侧的磁性矿物的偏转完成分选作业。磁性矿物的磁性越高，其流动就越趋向于跟随在磁力辊表面周围，非磁性矿物在它离开常规胶带输送机端部时将早先抛落。5.电磁轴承电磁轴承（MagneticBearing，简称MB），又称为磁悬浮轴承，是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触的一种新型、高性能轴承。它的工作原理就是通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，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。磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统，它由机械系统和控制系统组成。机械系统由转子和定子组成(径向轴承结构如图2，推力轴承结构如图3)，通常它们都是由铁磁叠片构成的。转子叠片装在轴径上，定子叠片上开有槽，并缠绕着线圈以提供磁力。控制系统指控制转子位置的电气系统，简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成(如图4)。传感器是检测元件，其中，位置传感器用于检测转子的偏移情况，速度传感器用于检测转子的运动速度;控制器是整个磁悬浮轴承的核心，其性能决定了磁悬浮轴承的好坏，其作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算，使得转子有高精度的定位，在外力的干扰作用下能通过迅速而恰当的电流变化使转子回到基准位置;功率放大器则向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。6.磁悬浮磁悬浮列车是一种全新的列车。它依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性将车辆托起，使整个列车悬浮在线路上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进的最新颖的第五代交通运输工具。一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高。磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引．直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上．初级通以交流，列车就沿导轨前进．列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来．悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km／h．悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降．悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车．7.磁共振成像技术磁共振成像(MRI)是当前最先进的医学成像设备，是二十世纪医学成像最重要的进展之一，也是世界上最先进的大型医学诊断设备。它在医疗诊断方面一个最突出的特点是对软组织的显像特别清晰，迄今为止，没有一种现存的影像诊断设备能与磁共振成像MRI设备相比拟，尤其是在提供脑、脊髓、骨骼肌肉的精美结构和解剖细节方面更没有比MRI成像更有效的设备，这是由于磁共振成像的原理完全不同于CT成像，超声成像和同位素成像。它是基于一种新型的成像原理。通常CT成像是依靠X线照射人体而被人体组织所吸收，人们依靠X线穿过人体不同的断层组织而发生衰减的数值大小将其转化成相应的灰度，从而获取不同断层的灰度像。MRI的成像原理与CT成像原理完全不同，它是依靠在强大的静磁场和射频脉冲作用之后，人体内部的大量氢质子释放出来的无线电信号，被体外的接收线圈所接收，人们将被接收的无线电信号再转化成相应的灰度，从而获取人体不同断层的灰度像。对于不同断层的空间位置及其每个断层上每个提供不同灰度像素的氢质子的空间位置，则由梯度磁场Gx,Gy,Gz来完成。这样一来，磁共振成像即建立于分子量级的基础之上，换句话说，MRI成像的清晰度远远超过了CT图像。因而MRI成像设备在近二十年来得到了广泛应用与发展。8.磁场下的结晶技术磁场下的结晶技术主要就是指的用电磁力抑制金属流动中的涡流，使结晶过程更顺利。熔化的金属从一个容器(如铁水包)倒入另一容器(如中间铁水包)时，经常产生涡流现象。涡流的产生容易将杂质带入金属中，使其质量变劣。利用电磁力来抑制这种涡流现象，其中电磁力的施加方法有两种：一种是加水平方向的磁场，另一种是加垂直方向的磁场。当采用水平方向磁场抑制涡流时，磁场越强的部位应调节在涡流产生的地方。这样，对涡流的抑制效果越好。当采用垂直方向磁场抑制涡流时，抑制的效果不仅与磁场的方向有关，而且与涡流引起的金属凸出或凹入位置有关，以及涡流是否在水平面上旋转有关。实验结果已表明，水平方向的磁场抑制作用比垂直方向的磁场抑制作用要好。因为在后一情况下，金属的凸出或凹入是随机的，很难控制磁场来满足有效抑制的条件。9.磁力探伤磁力探伤是在不损坏原材料和制品的前提下，利用材料的铁磁性能以检验钢铁等铁磁性材料的表面或接近表面的微小缺陷，如裂纹、夹杂物、白点、折叠、缩孔、结疤等。进行磁力检验时，首先要将试件磁化。一般来说，无缺陷的材料，其磁性分布是均匀的，任何部位的导磁都相同。因此，各个部位的磁通量也很均匀，磁力线通过的方向不会发生变化。反之，如果材料的均匀度受到某些缺陷(如裂缝、孔洞、非磁性夹杂物或其他不均匀组织)的破坏，就在该缺陷处的导磁率偏低时，则通过该处的磁力线就受到歪曲而偏离原来方向。这样，就会形成局部“漏磁磁场”，而这些漏磁部位便产生弱小磁极。此时，如果把磁粉喷撒在试样表面上，则有缺陷的漏磁处就会吸收磁粉，表明吸收磁粉处就是缺陷。在表皮下的缺陷所引起的磁漏则较弱，其痕迹也较模糊。离表皮过深的缺陷不易发现。(二)磁力应用领域的新动向1.电磁轴承前景广阔电磁轴承具备许多突出优点，因此它受到了国内外学术界、工业界的普遍关注。但目前磁悬浮轴承的实际应用中还存在着以下问题:(1)造价高。目前实现稳定磁悬浮的轴承系统多较为复杂，造价比传统轴承高，仅应用于某些特殊需要的场合。(2}磁悬浮轴承的刚度和承载能力使大规模应用还有一定难度。磁悬浮轴承刚度的大小取决于系统结构和组成现在多采用可控电磁铁来实现系统的稳定，提供的刚度和阻尼都比较小，承载能力比同等条件下的传统轴承小，这也制约了磁悬浮轴承的应用范围。目前国内对电磁轴承的研究分散在个别单项研究上，研究模型主要针对简单转子系统，因此距投人实用还有一段距离。从总体上看，目前国内外对于电磁轴承的研究具有以下几个发展趋势。(1)在系统建模时，不再是基于简单悬浮物体的解耦控制，而是更多地考虑了整个系统各状态间的耦合效应，包括轴向与径向、径向与径向之间的耦合以及陀螺效应等。这反映了人们对电磁轴承认识的进一步深化。(2)在理论分析时，不象以往的研究者那样，多在系统的控制策略以及其实现方面埋头苦干，而是更重视系统的转子动力学分析，从而改进控制方法。有时需要进一步考虑非线性的影响，用非线性理论对电磁轴承转子系统的平衡点和周期解以及稳定性进行判别，进而研究在系统参数变化时系统稳态解的结构变异，即解的分岔问题，并研究在任意给定的初始条件下或系统受扰后，系统响应的长期发展结果，即研究非线性系统解的全局性态，再结合数字控制手段使系统参数和性能进一步优化、提高。这说明转子动力学和其他相关领域的研究成果被自觉地运用到电磁轴承的研究中，对电磁轴承的发展起到了促进作用。(3)基于全局的优化设计，除了要让电磁轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，还应从系统的角度考虑电磁轴承的稳定性、可靠性和经济性。这为电磁轴承的产品化创造了一个更广阔的应用前景。(4)越来越多的采用数字控制。为了达到更高的性能要求，计算机在电磁轴承系统中扮演的角色越来越重要，控制器的数字化、集成化和计算机化使电磁轴承的硬件系统趋于结构化、模块化，这有利于电磁轴承的标准化、系列化和商品化。而相应发展的软件越来越多地采用了基