浅谈磁悬浮技术

浅谈磁悬浮技术

一、磁悬浮技术的原理

磁浮技术原理并不深奥，它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮技术的应用也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统，它利用超导体电磁铁形成的磁场与线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使物体悬浮的；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的系统，它利用吸引力与物体的重力平衡，从而使物体进行悬浮。

1.1 磁悬浮的种类

根据实现悬浮的物质，一般可以分为：常导悬浮、超导悬浮和永磁体悬浮三种。所谓常导、超导和永磁体悬浮，分别是指形成悬浮力需要利用常温导体制造的电磁铁、超导材料制造的电磁铁和永磁铁产生的磁场。表1-1表示两个物体之间的受力关系和悬浮方式。

表1-1 磁悬浮按照相互作用的物体间的关系分类

1.2 磁悬浮技术原理及其应用

1.2.1根据磁悬浮原理，实际应用中常见以下四种形式：

①使用永久磁铁悬浮

永久磁铁是使用硬磁材料充磁后所具有的很强的剩磁效应制造的。由于无论采用斥力还是吸引力方式实现悬浮，永磁体在使用中都是不消耗能源的，因此在节能要求高的场合有特殊的优势。其缺点是永磁体产生的磁场难以控制，因此需要和常导电磁铁组合使用。而且强永磁体制作成本高，普通材料又难以产生足够的磁感应强度，因此工作受到限制。 ②使用超导电磁铁悬浮

超导悬浮是在空心超导线圈中通入强电流，从而产生强磁场实现悬浮。超导悬浮有吸引力悬浮和斥力悬浮两种形式。利用吸引力悬浮式，由于电流难以控制，所以常与常导方式结合使用。利用斥力悬浮时，是让超导体与另一个导体产生相对运动，利用在另一导体中产生的感应电流来获得斥力。超导电磁铁悬浮常用于磁悬浮列车。超导电磁铁悬浮的优点是系统是自稳定的，无需主动控制，也无需沉重的铁芯，线圈能量损耗少。但是，超导悬浮系统需要复杂的液氮冷却系统。

③利用高频感应的电涡流悬浮

高频感应线圈产生的高频交变磁场可以再金属中感应出电涡流，这样的涡流也同样会产生磁场，而且必定与原来磁场方向相反，于是可以利用这一原理实现斥力悬浮。这种方法的优点是可以对任何导电体可以实现静止悬浮，不要求悬浮体是导磁体。这种方法已经应用于高纯度、高熔点金属的熔炼，由于感应悬浮方法的悬浮力决定于感应电流的大小，而且一般采用常导线圈，能耗较大，应用面较窄。

④用可控直流常导电磁铁悬浮

常导磁悬浮是利用通入直流电流的常导线圈所产生的磁场，对铁磁材料产生的吸引力来实现悬浮。由于这种悬浮方式本质上是不稳定的，因此需要对悬浮气隙进行闭环控制，调节线圈的电流来控制吸引力的大小，从而实现被悬浮物体的稳定悬浮。为提高磁感应强度，通常将线圈绕在铁磁材料的铁芯上。这种方式要求引入主动控制系统来维持稳定悬浮，被悬浮物必须是导磁体。

1.2.2磁悬浮技术的应用领域及其广泛，主要在以下一些工业和民用领域应用:

①磁悬浮列车

②磁悬浮轴承

③磁悬浮冶炼

④磁悬浮防振装置

⑤磁悬浮搬运

1.3 磁悬浮技术特点

磁悬浮技术主要有以下突出优点：

① 无接触。由于不和被悬浮体没有接触，因此无摩擦、无机械磨损、低能耗、低噪声和低维护费。

② 由于不需要支撑介质，所以可在真空，超净和高温、低温等各种特殊条件下应用，而且可以长期工作无需润滑和维护。

③ 可以实现主动控制，所以能够在各种需要减振、支撑硬度能够改变的系统中得到应用，也易于实现计算机控制，进而实现运动、监控及自动检测和诊断，自动化程度高。

④ 受力分布均匀，因此磁悬浮支撑力是均匀分布在整个磁极面上，大大减轻了应力，可以降低系统制造成本，提高寿命可可靠性。

二、磁悬浮技术的发展现状

2.1磁悬浮列车的发展状况

目前，在世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。美国和前苏联分别在上世纪70年代和80年代放弃了研究计划，但美国最近又开始了研究计划。英国从1973年才开始研究磁悬浮列车，却是最早将磁悬浮列车投入商业运营的国家之一。l984年4月，从伯明翰机场到火车站之间600 m长的磁悬浮运输系统正式运营，旅客乘坐磁悬浮列车从机场到火车站仅需90 S。但1995年，在运行了11年之后，被停止运营，对磁悬浮列车研究最为成熟的是德国和日本。

2.1.1 德国的磁悬浮列车

德国从1968年开始研究磁悬浮列车，刚开始时，常导型和超导型并重，于1977年分别研制出常导型和超导型试验列车。但后来经过分析比较，决定集中力量只发展常导型磁悬浮列车。表l所示为1971年至1999年建造的磁悬浮列车。目前德国在常导磁悬浮列车研究上的技术已经成熟。

2.1.2 日本的磁悬浮列车

日本从1962年开始研究常导型磁悬浮列车，后来由于超导技术的发展，日本从70年代

开始转向研究超导型磁悬浮列车。1972年12月在宫崎磁悬浮铁路试验线上，时速达到了204 km／h。1979年12月又进一步提高到517km／h。1982年l1月，磁悬浮列车的载人试验获得成功。1995年载人磁悬浮列车试验时的时速高达411 km／b．。1997年12月在山梨县的试验线上创造出时速为550 km／h的世界最高记录。最高时速与试验线的长度有关，德国的试验线两端是环形的，直线部分只有约7 km，日本的试验线是直线且很长，故能达到较高的时速。

2.1.3 中国的磁悬浮列车

中国在上世纪80年代初开始对低速常导型磁悬浮列车进行研究。1994年10月，西南交通大学建成了首条磁悬浮铁路试验线，并同时开展了磁悬浮列车的载人试验，成功地进行了4个座位，自重4 t，悬浮高度为8mm，时速为30km/h的磁悬浮列车试验，于1996年1月通过铁道部组织的专家鉴定。然后，在铁科院环形试验线轨距2 m，长36 m，设计时速为100 km 的室内磁悬浮试验线路上成功地对长为6.5 m，宽为3 m，自重4 t，内设15个座位，设计时速为100 km/h的低速常导6 t单转向架磁悬浮试验车进行了试验，于1998年11月通过了铁道部科技成果鉴定，填补了中国在磁悬浮列车技术领域的空白，从而使我国对磁悬浮列车的研究跨人了先进国家的行列。

2.2磁悬浮轴承的发展状况

磁悬浮轴承技术是国际上60年代中期开始研究的一项新的现代轴承技术。人类对它研究的成功，标志着对传统轴承技术的革命。对于磁悬浮轴承技术的发展历史最早可以追溯到古代。人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象。中国在1086年以前就发明了指南针，这是人类最早利用磁技术的产品。

1820年丹麦物理学家H c奥斯特发现了电流的磁感应现象，法国的J B毕奥和F萨伐尔得出了直流电流元的磁力定律，D F阿拉戈发明了电磁铁，1825年英国人P巴洛、w斯特金制作了吸持力为其自重(200 g)20倍的电磁铁。然而，利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想一直是人类的一个古老的梦，其中实现起来并不容易。早在1842年，恩休(Eamshow)证明：单靠永久磁铁本身不能使一个铁磁体在空间所有6个自由度上都保持自由、稳定的悬浮状态，因为在受力与距离平方成反比的恒定力场中，一个物体是找不到稳定的平衡位置的，所以，在磁悬浮轴承中，如果一个转子完全处于由永久磁铁或恒定直流电磁铁所形成的静态磁力场中，其稳定悬浮是不能实现的。为了使铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现。也就是说，要实现稳定悬浮，至少要对被悬浮转子的某一个自由度实行主动控制。这一设想由肯珀(Kemper)在1937年申请了第一个磁悬浮技术的专利，并构成了之后开展的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。1938年肯珀采用电感式传感器和电子管放大器做了一个可控电磁铁，对一个重量为2 100 N的物体成功地实现了稳定磁悬浮。这就是磁悬浮列车的雏形。在同一时期内，美国费吉尼亚(Virginia)大学的比姆斯(Beams)和霍姆斯(Holmes)采用电磁悬浮技术悬浮小钢球，通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度，所达到的旋转速度高达1．8 X 106 r／min(300 kHz)，这可能是世界上采用磁悬浮技术支承旋转物体最早的应用实例。

伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，国际上从20世纪60年代中期开始对磁悬浮支承技术的研究进入了一个全新的时期，在英国、日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究，德国的MBB公司1977年研制的磁悬浮列车KOMET在其试验轨道上所达到的时速高达360 km／h。据说他们现在卖给我们上海的磁悬浮列车已是他们第六、第七代磁悬浮列车，时速可达500 km／h。

在航天方面，法国于1972年成功地研制出了世界上第一套完整的电磁悬浮系统并用于通讯卫星导向飞轮的支承上。美国在1983年11月搭载于航天飞机上的欧洲空间实验舱里采用了电磁轴承真空泵。日本在1986年6月用H一1火箭进行的磁悬浮飞轮的空问实验也获

得了满意的效果。

在民用工业方面，1976年法国SEP公司和SKF公司联合成立了$2M公司，发展成为世界上最大的电磁轴承生产销售商，专门开发航天和工业应用的各种电磁轴承。1983年S2M公司在第五届欧洲机床展览会上展示了磁悬浮电主轴部件。随后在1984年S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁轴承公司，在日本生产、销售涡轮分子泵和磁悬浮机床电主轴等，同年日本另一家NTN东洋公司也推出了高速磁悬浮铣削头。

在学术研究方面，从1988年至今相继召开了九届国际磁轴承会议，从已发表的文献资料可以看出，其研究内容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机科学等学科。而在工业应用方面，磁悬浮轴承不仅应用于宇航部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如斯特林制冷机(红外夜视)、热汽机(潜艇)、斯特林热泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机、真空泵等，所达到的技术指标范围为：

(1)转速：(0—8)X105 r／rain

(2)直径：14～600 nlrll

(3)单个轴承承载力：(0．3—5)×104 N

(4)使用温度范围：一253—450℃

(5)刚度：105～108 N／m

这说明磁悬浮轴承已作为比较成熟的工业产品推向了用户市场。

1986年6月， 日本在H一1型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间试验。最近几年，美国对磁悬浮轴承在先进发动机上应用的可行性作了系统的研究，研究的结果表明：使用磁悬浮轴承可以将发动机的重量减轻16％ 并提高5％ 的效率。1994年，美国普惠公司在计划研究的XTC一65发动机的核心机是使用了磁悬浮轴承，其验证机已通过了100小时的试验。2002年， 日本、澳洲研制的超音速8—10M的飞机上，采用磁悬浮轴承对减轻发动机重量，提高速度具有十分重要作用。

2.3 电磁轴承的发展状况

电磁轴承的研究最早可追溯到1937年，Holmes和Beams利用交流谐振电路实现了对钢球的悬浮。早期的电磁轴承由于硬件的限制，刚度和阻尼等性能指标都远达不到期望值。近20年来，随着电力电子、计算机技术及控制理论等学科的发展，电磁轴承技术也得到了飞速的发展 。目前，瑞士、美国、日本等国家研制的电磁轴承性能指标已经很高，并且已成功应用于透平机械、离心机、真空泵、机床主轴等旋转机械中，电磁轴承技术在航空航天、计算机制造、医疗卫生及电子束平版印刷等领域中也得到了广泛的应用。国内对磁悬浮技术的研究始于70年代末，目前西安交通大学、西安理工大学、上海大学、北京航空航天大学等单位的相关研究都取得了阶段性成果，但由于电磁轴承系统涉及的学科领域广、系统较复杂等原因，国内对电磁轴承系统的研究大多处于实验室阶段。从1988年开始，国际上每两年召开一次国际电磁轴承会议，至今已举行了九届。每届会议的成果，往往代表了电磁轴承技术的发展水平和最新研究动向。

2.4 永磁轴承的发展状况

2.4.1 国外研究现状

对IEEE／IEE Electronic Library(IEL)数据库，2007年(包括2007年)之前的检索结果进行了统计分析。其中，将单极式无轴承电机(Bearingless Homo—Polar Motor)归为无轴承同步磁阻电机，将交替极无轴承永磁电机(BearinglessConsequent-Pole Permanent Magnet Motor)、无轴承无刷直流电机(Bearinghss Brushless DC Motor)、无轴承永磁薄片电机(Bearingless Disk—Type PermanentMagnet Motor、Bearingless Slice Motor或Bearingless Hollow-Shaft Drive)和混合转子结构无轴承电机(Bearingless Motor with Hybrid Rotor Struc．ture)归为无轴承永磁同

步电机。且不包括综合性质的文献(7条)及其它内容的文献(4条)。

2.4.2 国内研究现状

进入CNKI期刊全文数据库，截至2008年4月13日，对中国期刊全文数据库一世纪期刊按题名检索“无轴承”的结果共9条(均无效，不是利用电磁力实现转子悬浮的及与已有文献重复的均视为无效，以下同)；对中国重要报纸全文数据库按题名检索“无轴承”的结果共1条(为无轴承电机综述)；对中国博士学位论文全文数据库按关键词“无轴承”检索的结果共6条(含电磁轴承l条)；对中国硕士学位论文全文数据库按关键词“无轴承”检索的结果共37条(无效l条，含电磁轴承l条)；对中国期刊全文数据库与中国重要会议论文全文数据库按关键词“无轴承”检索的结果共147条，有效123条。

三、磁悬浮技术应用现状及前景预测

3.1 磁悬浮技术应用状况

3.1.1 磁悬浮轴承

磁悬浮轴承与磁悬浮列车是目前国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品；而在国外，目前磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。我国从20 世纪80 年代开始研究磁悬浮轴承技术，现已取得了一定的研究成果。传统的磁悬浮轴承需要5 个或10 个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。由于受结构的限制，传感器不能装在磁悬浮轴承的中间，使系统的控制方程相互耦合，导致控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价格较高，导致磁悬浮轴承的售价很高，这大大限制了它在工业上的推广应用。因此，如何降低磁悬浮轴承的价格，一直是国际上的热点研究课题。近几年，结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果，诞生了一个全新的研究方向，即无传感器的磁悬浮轴承。它不需要设专门的位移传感器，转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承将使转子的轴向尺寸变小、系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高；这样磁悬浮轴承的控制器将便于设计，价格也会显著下降。

3.1.2 磁悬浮列车

对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。按悬浮方式，磁悬浮列车可被分为常导磁吸型和超导排斥型两类。以德国高速常导磁悬浮列车TransRapid 为代表的常导磁吸型利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理，由车上常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的导磁体，使列车浮起。以日本MagLev 为代表的超导排斥型磁悬浮列车，利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车浮起，其悬浮气隙较大，技术相当复杂，并需屏蔽发散的电磁场。目前，在世界磁悬浮列车技术领域中，日本和德国占据领先地位。我国磁悬浮列车研究始于20世纪80 年代，虽然起步晚，但发展很快。上海的磁悬浮列车项目是世界上第一条投入商业化运营的高速磁浮线路，并于2002 年12 月31 日成功实现了单线通车试运行。

3.1.3 磁悬浮工作台

随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。磁悬浮工作台的关键技术之一是电磁铁的结构和参数。由于只能使用电磁铁的吸引力，因此在工作台的上方必须有电磁铁以平衡重力。一方面，在一定程度上会影响工作台台面上工件的安放，这一问题只能通过将电磁铁的尺寸设计得尽量小而得到解决；另一方面，电磁铁会有明显的静态功耗（铜损），由此而产生的热量对精密系统的指标通常会造成严重的影响。要降低静

态功耗，则设计又需要将电磁铁及其绕组的尺寸尽量加大。这两个相互矛盾的要求是磁悬浮工作台设计的主要问题之一。针对此问题，西安交通大学的毛军红、李黎川等人提出了采用三磁极电磁铁的超精密磁悬浮工作台。通过与常规的采用双磁极电磁铁的磁悬浮工作台的比较显示，采用三磁极电磁铁的超精密磁悬浮工作台可使静态功耗（或发热量）降低50%，且具有更合理的空间结构。

3.1.4 磁悬浮隔振器

由于磁悬浮隔振器的磁场力大小与两个极板之间的距离呈非线性关系，从而使得磁悬浮隔振具有良好的非线性隔振性能。中国科学院力学研究所的崔瑞意、申仲翰等人研制了一种磁悬浮隔振装置。该隔振装置的外观大致呈圆柱形，圆柱的中心部分装有磁性材料，上、下两端可分别与振体和基础相联接。在设计过程中，应考虑摩擦、运动轨迹的约及稳定性等诸方面的因素。

国防科技大学的龙志强、尹力明等人共同设计研究了一种磁悬浮隔振系统。在建立隔振系统动力学模型的基础上，分析了隔振系统的基本特性，并提出了应用加速度反馈来压低系统频带的方法。韩国的Y-B Kim、W-G Hwang 等研究了一种使用电磁减振器的主动振动控制悬架系统。通过对缩小模型的试验分析表明，此电磁减振系统在各种激励输入下均具有良好的减振效果；但由于不能获得足够大的放大器电流以及散热问题，使得其实际应用受到了限制。日本的藤田悦则、川崎诚司等提出了一种磁悬浮减振机构并获得国家专利。此减振机构利用至少两个永久磁铁构成排斥型磁性弹簧，通过适当选择一个永久磁铁相对于另一个的运动轨迹，使磁性弹簧内的存储磁能近似一定，从而设定弹簧常数值近似为零。

此外，磁悬浮技术在半导体制造业，钢铁制造业和汽车制造业等大规模工业中也已开始应用。可以预期，随着磁悬浮技术的不断普及，更多的应用产品将会不断地出现。

3.2 磁悬浮技术前景预测

随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，国内外对磁悬浮技术的研究均取得了很大的进展。但不论是在理论上，还是在产品化的过程中，此技术都还存在着很多的难题。其中，磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统。磁悬浮轴承所需解决的难题则主要表现在控制系统和满足转子轴系动力特性上。

超导磁悬浮轴承的体积很小，却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。日本科学家发现MgB2 在近40k 时的超导电性，而且研究表明MgB2 具有许多高温超导体所不具备的优点：能承受更高的电流密度，其相干长度长、磁性各向异性小。这些都意味着MgB2 在不久的将来将能成为具有真正应用价值的超导体，超导磁悬浮产品的研究有望随之而产生较大的进展。

随着计算机技术、自动控制技术和电子集成技术的发展，磁悬浮列车的技术性能将得到进一步的完善。超导材料和超低温技术的发展使建造磁悬浮列车的成本可能大幅下降。作为一种安全、快速、舒适的“绿色交通工具”，随着国际社会对人类赖以生存的地球的环保意识的不断加强，磁悬浮列车必将得到不断的普及。

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，磁悬浮技术必将具有更为美好的发展前景。

四、磁悬浮技术存在的问题

尽管磁悬浮技术有上述的许多优点，但磁悬浮系统本质上是个不稳定系统，因此，如何实现稳定控制是对磁悬浮控制的基本要求。

主要存在一些不足：

(1)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。

(2)磁悬浮列车在单跨和双跨梁上运行时不同的耦合振动问题应引起注意。根据德国在不同类型的磁悬浮列车上的试验说明当车速不同时，为了取得较好的振动频率响应，减少梁的振幅，当时速为400 km／h时，单跨和双跨梁都可 ，而当时速小于400 km／h时，双跨粱的频率响应特性较好，当时速大于400 km／h时，单跨粱的频率响应特性较好。

(3)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低。因此磁悬浮列车在行驶时尤其是高速行驶时对线路的平整度、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。

五、参考文献

[1] 徐晓美，朱思洪．磁悬浮技术及其工程应用[J]．农机化研究，2005

[2] 史筱红，潘冬花．磁悬浮列车的发展及现状[J]．科技论坛，2006

[3] 李晨光，齐蓉，林辉．电磁轴承技术及其发展趋势[J]．工业仪表与自动化装置，2006