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