大创项目立项申报书(磁悬浮jiaoju )

大学生创新创业训练计划
项目立项申报书
推荐学院：机械工程学院
项目名称：基于磁悬浮原理的综合实验教具研究
项目申报类别：创新训练类项目
所属一级学科名称：机械设计制造及其自动化
申请人：
所在学院及年级：
指导教师：
学院和职称：
填表日期：
教务处制
二、拟申报项目情况
（一）项目介绍
本项目为磁悬浮综合实验教具的研究。

当前主要目标为克服理论障碍，制作一款具备基本磁悬浮性能，能够综合展现磁悬浮与轨道交通相关知识的实验教具模型。

本项目从实际出发，结合相关理论以及现有的科研资料，设计并制造结构简单的、确实可行的、能够展现磁悬浮基本原理的综合实验教具的实物模型。

而更长远的目标是在模型达到理想目标的情况下建立更加方便、灵敏、实用性更强的模型。

并在国内相关期刊上发表该研究的相关论文。

在基本理论与技术完全成熟后，本项目会寻求与国内相关企业的合作，尝试进行实验教具的生产和推广，并最终投入实用。

研发背景及现状：
早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理。

此后，该技术在全世界得到了不同程度的发展。

而我国西南交通大学磁悬浮列车与磁浮技术研究所也在2000年研制成功了世界首辆高温超导载人磁悬浮实验车。

而电磁悬浮这一新颖的工程学概念愈发的受到社会和相关专家的关注，越来越多的高等院校开始着手培养相关人才。

而由于磁悬浮是一个新兴产业，国内相关的专业教材与实验装置少之又少，本项目的产生能够在一定程度上解决该问题。

本项目所涉及的磁悬浮技术一般指磁悬浮轨道交通技术。

磁悬浮轨道交通除运用了一般轨道交通的卡槽导向和机电工程学技术外，更为主要的是引入了电磁悬浮技术。

磁悬浮轨道交通系统与普通轨道交通系统在结构上比较类似，不同点在于磁悬浮列车将车轮更换为与轨道相对应的、装有磁极的支架和10mm的空气间隙（如图一所示），使列车受到的摩擦阻力极小，进而使列车能够轻易地达到较大的速度，并且在能源消耗上达到最小。

磁悬浮技术原理具体包括：1.通过自然磁体或电磁铁同极之间的斥力或异极之间的引力来克服车厢的自身重力，使车厢在竖直方向上达到悬浮于空间的条件。

2.通过使车厢底部的受力大面积均匀进而使车厢在水平的左右方向上基本无力作用，或使车厢在水平的左右方向上受到等大反向的两个分力的作用，以此来维持车厢在左右方向上的平衡。

这样，与第一条协同作用，即可使车厢总体保持空间悬浮状态。

3.在前进方向上同样运用磁体间的相互作用力（如图二所示）或使用其他普通轨道交通系统的推进动力使得车厢总体上受到向前的拉力作用，完成列车前进。

而单就空间悬浮技术来讲，按产生悬
浮力的方式分，分为两种。

其一即由可调节的电源产生的大小可调节的磁场力提供悬浮条件，称为有源磁悬浮，这种磁悬浮所有的硬件设施都是相对固定的，运行过程中通过改变电流进而改变磁场力而使列车始终能够维持悬浮条件。

其二即是由固定电源或永磁体提供悬浮条件的，称为无源磁悬浮，这种磁悬浮的磁场力大小是相对固定的，通过位置变化或特殊的结构满足力学平衡条件，进而使列车始终维持悬浮条件。

图一磁悬浮列车基本结构图二磁场提供牵引力的情形
空间悬浮技术按应用方式分，一般可分为三种（如图三），即EMS方式、PRS方式和EDS方式。

图三磁悬浮应用的三种方式
接下来简单介绍一下这三种应用方式：1. 电磁吸引控制悬浮方式，即EMS (Electromagnetic Suspension)方式，电磁吸引控制悬浮方式 ,如图三( a)。

这种方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸引力 ,几乎绝大部分磁悬浮技术采用该方式。

虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力 ,但通过控制电磁铁电流的大小 ,可以将悬浮气隙保持在一定的数值上。

这种应用方式属于有源磁悬浮。

在此基础上,也有众多的研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控型永久磁铁的方案 ,并深入地进行了研究和开发工作。

该方案可以大幅度地降低励磁损耗 ,甚至在额定悬浮高度时几乎不需要能量 ,是一种非常值得注目的新技术。

2. 永久磁铁斥力悬浮方式，即PRS (Permanent Repulsive Suspension)方式，如图三（b）。

它利用永久磁铁同极间的斥力 ,一般产生的斥力为 1kg / cm2,所以被称为永久磁铁斥力悬浮方式。

当然,根据所用的磁性材料的不同 ,其产生的斥力相应变化。

但是,由于横向移位的不稳定因素,需要从力学角度安排磁铁的位置。

这种应用方式属于无源磁悬浮。

近年来,开始出现了一些采用 PRS方式的产品 ,例如日本1999年 4月公开的专利中,就有关于PRS配置方案的内容。

随着稀土材料的普及 , PRS方式将会被更多地应用于各个领域。

3.感应斥力方式，即EDS( Electrodynamics Suspension)方式，如图三（c）。

此方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间产生的斥力 ,简称感应斥力方式。

为了得到斥力 ,励磁线圈和短路线圈之间必须有相对运动。

这也是一种无源磁悬浮。

这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。

但是 ,在低速时由于得不到足够的悬浮力 ,因而需要有车轮来支撑停止或低速时的车身，也就是说列车在起步阶段上是通过常规轨道交通系统的推进方式加速的。

从原理上而言 ,EDS很少被应用于低速传动机构。

除使列车车厢悬浮于空间的磁悬浮系统硬件外，在实际的磁悬浮应用中还存在着对磁悬浮状态进行控制的软件系统。

我们先阐述相对简单的无源磁悬浮控制理论。

对于PRS方式，由于是永磁体提供悬浮的支持力，再配合特殊的结构，能够满足列车在任何条件下的稳定悬浮，这样就只需要考虑列车的推进状态即可，这样就转化为了常规轨道交通系统控制问题，这里不再深入探讨。

对于EDS方式，EDS方式的斥力来自相对运动 ,相对运动的速度越快斥力就越大。

而EDS方式的支持斥力是均匀分布的，故只需考虑列车前进速度即可。

另一方面 ,斥力又随悬浮气隙变化 ,气隙越大斥力就越小。

因此 ,在相对运动达到一定速度以上时 ,斥力与重力会自然地平衡在某个气
隙上。

这样，EDS的控制方式也与PRS基本类似。

有源磁悬浮的控制理论相对复杂。

即对于EMS 方式，列车的上下运动与电流、磁场符合一组方程，即：
式中M——列车质量 W——悬浮气隙长度i——励磁电流ki——电磁铁吸引力系数fd——外力e——外加电压 R——励磁绕组电阻 L——励磁绕组电感
由方程可以得知，吸引力与距离有关，而距离与加速度有关，而加速度又与受力有关，即该过程存在着正反馈（如图四），因而吸引力是一种不稳定的力。

控制器需要按照负反馈伺服控制原理（如图五） ,根据悬浮气隙的大小调整电磁铁的绕组电流 ,以改变电磁吸引力大小，进而维持一定的悬浮气隙。

根据磁悬浮控制原理可建立它的控制系统。

控制系统基本分为两大类，即数字控制系统与模拟控制系统。

数字控制系统的控制过程为：首先传感器通过模数变换器(A/D Converter)将气隙长度、电流等信息采样至DSP或高速CPU。

CPU按照预先设计的控制方案进行运算处理后,将电压或电流指令信号通过数模变换器(D/A Converter)输出至功率放大驱动元件,在励磁绕组中产生励磁电流 ,从而得到所希望的悬浮力。

当然悬浮力会影响到气隙的变化 ,这样又开始了下一个重复的过程（如图六）。

数字控制系统简单讲就是通过计算机控制无源磁悬浮的列车速度或控制有源磁悬浮的电磁铁电流来稳定磁悬浮列车的运行。

模拟式控制方式尽管同样需要传感器、控制部分和驱动元件 ,但由于其整个控制流程为模拟方式 ,因此不需要 A /D、D /A变换器。

与此同时,控制部分由模拟运算电路所构成,运算电路的设计通常采用以PID为代表的古典控制理论 ,辅以校正、滤波等补偿回路。

与数字式控制相比,由于模拟式的控制部分为硬件构成 ,容易被技术人员理解掌握和调试 ,并且相对价格比较低,容易实现商品化、系列化,从而在实际生产中得到了广泛的应用。

在实际应用方面，我国国产的磁悬浮技术其实并未真正达到大规模商业化的水平，但国外技术的引入为我国磁悬浮技术发展提供了参考。

2001年德国的Transrapid公司在中国上海浦东国图四方程中存在的正反馈示意图图五负反馈伺服控制原理
图六数字控制系统示意框图
际机场至地铁龙阳路站兴建磁悬浮列车系统，2002年12月31日全线试运行，该线全长30公里，列车最高时速达430公里，由起点至终点站只需八分钟。

2003年1月4日正式开始商业运营。

是世界第一条商业运营的磁悬浮专线，这为我国发展磁悬浮列车积累了经验。

随后，半自主化的磁浮列车开始投入商用，2003年，四川成都青山磁悬浮列车线完工，该磁悬浮试验轨道长420米，主要针对观光游客，票价低于出租轿车费。

现在，我们已经完全具备了自主研制磁浮列车的能力。

2005年5月，中国自行研制的“中华06号”吊轨永磁悬浮列车于大连亮相，速度可达每小时400公里，这是我国首次使用永磁体研制磁浮列车。

2006年4月30日，中国第一辆具有自主知识产权的中低速磁悬浮列车，在四川成都青城山一个试验基地成功经过室外实地运行联合试验。

利用常导电磁悬浮推动。

在国际上，德国和日本的磁悬浮技术发展的比较先进。

早在上世纪八十年代，日本就已经建造成功了名古屋东部丘陵TKL(Tobu Kyuryo Line)磁悬浮商业化线路，该线路使用的是EDS悬浮方式，途经城区、丘陵等地带。

（如图七）
磁悬浮技术的应用催生了我国高等院校磁悬浮相关专业的发展。

西南交通大学的电磁悬浮与超导工程专业、同济大学的磁浮车辆工程专业、国防科技大学的磁悬浮控制专业等都是发展比较好的专业。

但这些专业可以说也是处于摸索阶段，正处于成长阶段，有些学科甚至没有标准的教材，更没有专业的实验教具。

我团队在此基础上，设计制造能够展示磁悬浮基本原理和相关知识的、操作方便的、能满足教学需求的磁悬浮专业实验装置。

项目工作原理：
我团队在前期以设计业内研究较少、控制上较为便捷的PRS悬浮方式的实验装置为主。

推进形式使用螺旋桨推进。

我团队设计的磁悬浮综合实验装置主体由轨道和实验车厢两部分组成。

两者之间形状相互切合并且在永磁体的斥力作用下互相不接触。

首先，轨道切面为“工”字形，上中下分别加装三层强力永磁体。

（如图八左图）
轨道整体固结于半空中的固定支架上。

中层永磁体用于与车厢上的对应永磁体产生斥力，支撑整个车厢的重量，使车厢悬浮于轨道。

上层永磁体用于与车厢上相应的磁体产生斥力，限制车图七依次为中国、德国和日本的磁悬浮列车
图八实验装置导轨截面图、立体图
厢的上下浮动，以减少磁场分布不均带来的车厢颠簸等影响。

下层永磁体与车厢相应位置的磁体产生水平向两侧的斥力，使车厢在水平方向上不会左右晃动，同时使车厢可随轨道完成转向、直行等运行状态。

其次，实验车厢部分由放置电池和控制电板的主体和加装有与轨道对应的三层永磁体的悬浮支架以及推进螺旋桨组成（如图九）。

实验车厢的前进、后退、刹车等动作均由车厢前后两个推进螺旋桨配合完成。

螺旋桨动力为电机，车厢表面加装有太阳能电板。

（图九小孔处为螺旋桨加装处）
实验装置选用的永磁体为直径15mm，厚度4mm的表面镀镍钕磁铁，相连平铺组成。

控制系统采用模拟控制，以功放电路操纵电机运动，设计由遥控器通过电磁波信号功放电路，教师可使用遥控器操纵实验车厢前进或后退完成实验演示，并在演示过程中可讲解实验原理，操作简单，方便快捷。

本实验教具所使用材料对人体完全无害，且实验过程几乎无危险性。

计划进度安排：
2019.04-2019.06查阅资料，研究PRS方式相关理论，设计实验装置结构，分析相关技术要求，及法律法规。

2019.07-2019.09进行计算机辅助设计，绘制三维图，并进行初步的零部件调试。

2019.10-2019.12开始实际组装与实际相符的模型，并进一步完善各个使用系统。

2020.04-2020.06研究EDS方式结构，进行实验装置的升级设计。

根据设计制作相关零件，检测零件性能。

2020.07-2020.09对以上过程进行分析整理，总结经验，寻找问题加以改进。

2020.10-2020.12改进升级设计，进行结构融合设计，记录研究过程信息与数据。

2021.01-2021.03根据各项资料与数据撰写论文，寻求在相关期刊发表的机会。

项目方案设想：
研究方案设想为以下几条：1.团队成员深入讨论研究磁悬浮的PRS应用方式及其控制方法。

设计理论上合理的初代实验装置模型。

图九实验装置车厢截面图、立体图
四、申请资助金额和经费预算。