1、第一部分：磁懸浮支撐技術(shù)的原理及其特點(diǎn) 1.1磁懸浮技術(shù)的原理及起源 1.2磁懸浮技術(shù)的類型 1.3磁懸浮支撐技術(shù)的特點(diǎn)第二部分：磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用 2.1磁懸浮軸承 2.2磁懸浮列車 第三部分：磁懸浮支撐技術(shù)的發(fā)展趨勢及不足第四部分：磁懸浮技術(shù)的發(fā)展展望 參考文獻(xiàn)懸浮懸浮：磁懸浮、電懸浮、氣懸浮磁懸浮基于磁拉（斥）力而懸浮，如圖所示。磁懸浮基于磁拉（斥）力而懸浮，如圖所示。, x F0 xU2220200222 ()AdRUFdxAxx 1.1 磁懸浮技術(shù)的原理及起源, x F0 xUg222020222()UwdRgFdxgw xx u磁懸浮的起源：磁懸浮技術(shù)是起源于德國，早在1922年德國

2、工程師赫爾曼肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。1970年代以后，隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達(dá)國家相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。磁懸浮技術(shù)類型磁懸浮技術(shù)類型 1.1.主動磁懸浮技術(shù)主動磁懸浮技術(shù) 2.2.被動磁懸浮技術(shù)被動磁懸浮技術(shù) 3.3.混合磁懸浮技術(shù)混合磁懸浮技術(shù) 4.4.超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)u磁懸浮系統(tǒng)的組成：磁懸浮技術(shù)是利用電磁力將物體無機(jī)械接觸地懸浮起來，該裝置由傳感器、控制器、電磁鐵和功率放大器等部分組成。1.2 磁懸浮技術(shù)的類型采用閉環(huán)主動

3、控制方式使懸浮體的姿態(tài)、動靜態(tài)采用閉環(huán)主動控制方式使懸浮體的姿態(tài)、動靜態(tài)特性等達(dá)到期望要求。即：連續(xù)地或斷續(xù)地測量特性等達(dá)到期望要求。即：連續(xù)地或斷續(xù)地測量懸浮體的位置，通過伺服裝置迅速地控制場力，懸浮體的位置，通過伺服裝置迅速地控制場力，使懸浮體相對其要求位置的偏移不超過應(yīng)許的范使懸浮體相對其要求位置的偏移不超過應(yīng)許的范圍。主動懸浮又叫有源懸浮，如圖圍。主動懸浮又叫有源懸浮，如圖1 1所示。所示。圖 主動磁懸浮系統(tǒng)主動磁懸浮技術(shù)u有源磁懸浮系統(tǒng) 它是由懸浮體、傳感器、控制器和執(zhí)行器 4 部分組成。其中，執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。現(xiàn)假設(shè)在某參考位置上，由于懸浮體受到一個向下的擾動，它

4、將會偏離其參考位置。這時，傳感器檢測出懸浮體偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號；功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生電磁力，從而驅(qū)動懸浮體返回到原來的平衡位置。因此，不論懸浮體受到的擾動是向下還是向上，它始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。磁懸浮技術(shù)的特點(diǎn)：由于磁懸浮不存在機(jī)械接觸，因此具有下列優(yōu)點(diǎn)：一是完全無磨損、無污染，可在真空和腐蝕性介質(zhì)中長期使用；二是完全無機(jī)械摩擦，功耗小、噪聲低、效率高，不需潤滑和密封，可用于高速工程，解決高速機(jī)械設(shè)計(jì)中潤滑和能耗的問題；另外，磁懸浮技術(shù)原理是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機(jī)械學(xué)、動力學(xué)為一體

5、的典型的機(jī)機(jī)電一體化高新技術(shù)。電一體化高新技術(shù)。1.3 磁懸浮支撐技術(shù)的特點(diǎn)先看一下傳統(tǒng)的軸承球軸承外外圈圈內(nèi)圈內(nèi)圈球球圓柱滾子軸承圓柱滾子軸承2.1 磁懸浮軸承滾動體共同點(diǎn)就是內(nèi)外圈之間必須要有介質(zhì)-滾動體、保持架2.1.1 磁懸浮軸承原理(1)單自由度單自由度磁磁力軸承工作原理力軸承工作原理在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號。然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定

6、的平衡狀態(tài)。F轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電磁力電磁力間隙間隙= 0.5 mm= 0.5 mm電磁體電磁體八磁極徑向軸承示意圖八磁極徑向軸承示意圖(2)二自由度磁力軸承工作原理l測量信號被送入控制器，經(jīng)模擬或數(shù)字運(yùn)算后送人功率放大器產(chǎn)生控制電流Ix和Iy，來驅(qū)動徑向磁軸承電磁鐵以獲得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的電磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)子在外力Wo作用下向左下方移動時，傳感器將這一信號告訴控制器(未畫出)，控制器增大控制電流Ix和Iy，使得上面和右面吸力大于下面和左面吸力，轉(zhuǎn)子向右上方移動，平衡時轉(zhuǎn)子懸浮在徑向磁軸承中間。l轉(zhuǎn)子分別由X和Y方向的兩對電磁鐵來吸引，傳感器用來測量轉(zhuǎn)子的位置變化；(3)五自由度磁軸承一根轉(zhuǎn)子在空間有六個自由

7、度，除了旋轉(zhuǎn)自由度由電機(jī)控制外，其余五個自由度由磁軸承控制，稱為五自由度磁軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；其中轉(zhuǎn)子所受的徑向載荷(包括轉(zhuǎn)子重量)由兩個徑向磁軸承來支承，軸向載荷由一對推力磁軸承來承受，在水平、垂直和軸向分別安裝有五個傳感器來測量轉(zhuǎn)子在空間五個自由度上的位置變化，測量信號被送入控制器，經(jīng)模擬或數(shù)字運(yùn)算后送人功率放大器產(chǎn)生控制電流來驅(qū)動電磁鐵以獲得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的電磁力。與傳統(tǒng)的滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，結(jié)合本章開頭普通軸承的圖片和他們的共同點(diǎn)，可知磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速、真空、超

8、凈等特殊環(huán)境中。磁懸浮事實(shí)上只是一種輔助功能，并非是獨(dú)立的軸承形式，具體應(yīng)用還得配合其它的軸承形式，例如磁懸浮+滾珠軸承、磁懸浮+含油軸承、磁懸浮+汽化軸承等等。配有數(shù)控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉(zhuǎn)速40000r/min,切削功率40kw。徑向磁徑向磁力軸承力軸承徑向磁徑向磁力軸承力軸承電機(jī)電機(jī)軸向磁軸向磁力軸承力軸承2.1.2磁懸浮軸承的應(yīng)用磁懸浮軸承-轉(zhuǎn)子主要采用基于真空磁懸浮的飛輪儲能技術(shù)，在真空環(huán)境中，利用飛輪旋轉(zhuǎn)所儲存的動能，持續(xù)轉(zhuǎn)化成電力。為關(guān)鍵負(fù)載提供不間斷的電力保障，實(shí)現(xiàn)了從化學(xué)儲能到機(jī)械儲能的轉(zhuǎn)變。飛輪儲能系統(tǒng)飛輪儲能系統(tǒng)用磁軸承取代傳統(tǒng)的滾動軸承是多電發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技

9、術(shù)之一。新一代航空發(fā)動機(jī)多電發(fā)動機(jī)2.2.1 磁懸浮列車的分類1、按電磁鐵的種類磁懸浮列車根據(jù)所采用的電磁鐵種類可以分為常導(dǎo)吸引型和超導(dǎo)排斥型兩大類。u(1)常導(dǎo)吸引型常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車是以常導(dǎo)磁鐵和導(dǎo)軌作為導(dǎo)磁體,用氣隙傳感器來調(diào)節(jié)列車與線路之間的懸浮間隙大小,在一般情況下,其懸浮間隙大小在10mm左右,這種磁懸浮列車的運(yùn)行速度通常在300500 km /h范圍內(nèi),適合于城際及市郊的交通運(yùn)輸。德國主要采用這種系統(tǒng)。u(2)超導(dǎo)排斥型超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車是利用超導(dǎo)磁鐵和低溫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)列車與線路之間懸浮運(yùn)行的,其懸浮間隙大小一般在100mm左右,這種磁懸浮列車低速時并不懸浮,當(dāng)速度達(dá)到100

10、km /h時才懸浮起來。它的最高運(yùn)行速度可以達(dá)到1 000 km /h,當(dāng)然其建造技術(shù)和成本要比常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車高得多。日本主要采用這種系統(tǒng)，與本國的這種地質(zhì)條件有一定關(guān)系。2.2磁懸浮列車有電磁吸引式懸浮(electromagnetic suspension, EMS)和永磁力懸浮(permanent repulsive suspension, PRS)及感應(yīng)斥力懸浮(electrodynamics suspension,EDS)。3、按列車的驅(qū)動方式(1)長轉(zhuǎn)子、短定子異步直線電機(jī)驅(qū)動這種電機(jī)的“定子”安裝在車輛的底部,“轉(zhuǎn)子”線圈安裝在軌道上。它適合于低速運(yùn)行。(2)長定子、短轉(zhuǎn)子同

11、步直線電機(jī)驅(qū)動此方式是將電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”線圈裝在車輛上,“定子”線圈裝在軌道上。它適合于高速運(yùn)行。2、按懸浮方式：2.2.2 磁懸浮列車的原理(1)常導(dǎo)磁吸式(EMS) 利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設(shè)在線路導(dǎo)軌上的磁鐵，在磁場作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起，如下圖所示，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比(2)超導(dǎo)磁斥式(EDS)此種形式在車輛底部安裝超導(dǎo)磁體(放在液態(tài)氦儲存槽內(nèi)),在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈。列車運(yùn)行時,給車上線圈(超導(dǎo)磁體)通電流,產(chǎn)生強(qiáng)磁場,地上線圈(鋁環(huán))與之相切割,在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與車輛上超導(dǎo)磁體的磁場方向相反,兩個

12、磁場產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車輛重量時,車輛就浮起來。因此,超導(dǎo)磁斥式就是利用置于車輛上的超導(dǎo)磁體,與鋪設(shè)在軌道上的無源線圈之間的相對運(yùn)動來產(chǎn)生懸浮力將車體抬起來的。1側(cè)梁壁 2輔助導(dǎo)向輪走行路面 3輔助支撐輪走行路面 4內(nèi)裝8字形線圈 5直線電動機(jī)定子線圈利用側(cè)墻安裝懸浮兼導(dǎo)向性線圈是電磁力特別強(qiáng)大的這種超導(dǎo)磁懸浮列車的一大特點(diǎn)，這樣做可以降低車體高度由于采用了超導(dǎo)磁鐵，磁場很強(qiáng)，因此車輛懸浮高度也較高，可達(dá)到100mm左右。該列車成本較高，但是懸 浮 控 制 更 加 穩(wěn) 定 ， 運(yùn) 行 速 度 也 較 高 ， 可 達(dá)500600km/h。這種類型的列車以日本的MLX低溫超導(dǎo)型磁懸浮列車為代

13、表.2.2.3 導(dǎo)向原理磁懸浮列車?yán)秒姶帕Φ淖饔眠M(jìn)行導(dǎo)向。現(xiàn)按常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)磁斥式兩種情況簡述如下。(1)常導(dǎo)磁吸式的導(dǎo)向系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)類似,是在車輛側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向的電磁鐵。車體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當(dāng)車輛左右偏移時,車上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用,使車輛恢復(fù)到正常位置。控制系統(tǒng)通過對導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控制來保持這一側(cè)向間隙,從而達(dá)到控制列車運(yùn)行方向的目的。(2)超導(dǎo)磁斥式的導(dǎo)向系統(tǒng)在車輛上安裝機(jī)械導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)列車導(dǎo)向。在車輛上安裝專用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵,使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力,該力與列車的側(cè)向作用力相平衡,使列車保持正確的運(yùn)行方向。利用磁力進(jìn)

14、行導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系統(tǒng)。2.2.4推進(jìn)原理(1)常導(dǎo)磁吸式磁懸浮采用短定子異步直線電機(jī)。在車上安裝三相電樞繞組,軌道上安裝感應(yīng)軌。采用車上供電方式。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡單,容易維護(hù),造價低,適用于中低速城市運(yùn)輸及近郊運(yùn)輸以及作為短程旅游線系統(tǒng);主要缺點(diǎn)是功率偏低,不利于高速運(yùn)行。其中TR型快速動車和上海引進(jìn)的Transrapid 06號磁懸浮列車,以及日本的HSST型磁懸浮列車都采用這種形式。(2)超導(dǎo)磁斥式磁懸浮采用長定子同步直線電機(jī)。其超導(dǎo)電磁體安裝在車輛上,在軌道沿線設(shè)置無源閉合線圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導(dǎo)電磁線圈的采用,為直線同步電機(jī)的激磁線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)提供了方便條件。

15、它們可以共存于同一個冷卻系統(tǒng),或者同一線圈同時起到懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)的作用。中國上海磁懸浮列車上海磁懸浮列車專線西起上海軌道交通2號線的龍陽路站，東至上海浦東國際機(jī)場，專線全長29863公里。由中德兩國合作開發(fā)的世界第一條磁懸浮商運(yùn)線2001年3月1日在浦東挖下第一鏟，2002年12月31日全線試運(yùn)行，2003年1月4日正式開始商業(yè)運(yùn)營，全程只需8分鐘。是世界第一條商業(yè)運(yùn)營的磁懸浮專線。與傳統(tǒng)鐵路相比,磁懸浮列車有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)適于高速運(yùn)行；(2)穩(wěn)定安全；(3)污染小,易維護(hù)；(4)能充分利用能源、獲得較高的運(yùn)輸效率；(5)磁懸浮列車車輛使用壽命可達(dá)35年，而普通有軌列車只有20至25年。磁

16、懸浮列車的路軌壽命是80年，普通路軌道60年；2.2.5 磁懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)3.1 磁懸浮支承技術(shù)發(fā)展趨勢 五高：高速、高精、高溫、 高可靠、高智能10萬rpm,微米級精度銑床銑頭 外觀圖銑床銑頭切削圖 高速、高精HoneywellJTAGGIIMagneticSuspendNASAHigh-TemperatureMBforGasTurbineEnginesNASA磁懸浮航空發(fā)動機(jī)磁懸浮航空發(fā)動機(jī)耐550度以上高溫減振降噪實(shí)時監(jiān)測高可靠性高溫HeartWare離心式血泵高可靠磁懸浮減震器SpringAccelerometerMSIDisplacementSensorA/DControllerD/

17、AForceSensorsBase+-D/APowerAmplifierPowerAmplifierDifferentialOutputFm me ec ch ha an ni ic ca al l c co om mp po on ne en nt ts se el le ec ct tr ro on ni ic c c co om mp po on ne en nt ts s磁懸浮減振降噪高智能(1)材料研究(高強(qiáng)、高溫、高磁飽和的磁性材料) 磁懸浮軸承突破磁飽和、磁滯、渦流損耗、離心力等特性的限制。 有效減小磁軸承的體積、能耗，而大大提高承載能力。磁化特性好，抗拉彈性模量低，如DT6。磁

18、化特性差，抗拉彈性模量高，如高強(qiáng)度鋼。3.2 存在的問題存在的問題(2)由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施。尤其是磁懸浮列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題，同時其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運(yùn)行考驗(yàn)；(3)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低。因此磁懸浮列車對線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高；(4)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，其造價也相對較高，整個系統(tǒng)也復(fù)雜，而且強(qiáng)磁場對人體與環(huán)境都有影響；（5）造價昂貴 這是制約磁懸浮技術(shù)發(fā)展的又一個瓶頸，另外，建成之后高昂的票價也是問題，無法匯集到廣大的

19、平常百姓。如上海磁懸浮單程是50，貴賓席是100磁懸浮線路的規(guī)劃單位造價生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了磁懸浮技術(shù)研究的不斷深入，同時，磁懸浮技術(shù)的發(fā)展又不斷解決了工程應(yīng)用中的許多疑難雜癥。磁懸浮技術(shù)由于無接觸、無摩擦磨損、無需潤滑和密封等優(yōu)點(diǎn)，使其在許多工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著超導(dǎo)磁體的發(fā)現(xiàn)，技術(shù)問題的不斷解決，磁懸浮技術(shù)必將具有更為美好的發(fā)展前景。 未來我們的生活將受惠于磁懸浮技術(shù)！參考文獻(xiàn)1張士勇.磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望J.工業(yè)儀表與自動化，2003年第三期.2徐曉美，朱思洪.磁懸浮技術(shù)及其工程應(yīng)用J.農(nóng)機(jī)化研究，2005年11月.3毛寶華，黃榮等.磁懸浮技術(shù)在中國的應(yīng)用前景分析J.

20、交通運(yùn)輸信息與工程，2008年2月.4彭曉平.磁懸浮列車的原理及技術(shù)基礎(chǔ)探討J.內(nèi)江科技，2006年第八期.5張金平，張奕黃.磁懸浮列車的原理及現(xiàn)狀J.交通科技，2002年第6期.6陸一娣.磁懸浮列車的原理及應(yīng)用J.現(xiàn)代物理知識，21卷第6期.7張剛等.磁懸浮軸承技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,中國軸承論壇第四屆研討會論文集8張剛，張建生等.航空發(fā)動機(jī)用磁懸浮軸承試驗(yàn)臺的穩(wěn)定性分析J.中國工程機(jī)械年會，2002年.9張剛，張建生等.燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)磁懸浮軸承試驗(yàn)臺的穩(wěn)定性研究J.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究,2003年5月第16期.10張剛、汪希平.試驗(yàn)用航空發(fā)動機(jī)磁懸浮軸承樣機(jī)的穩(wěn)定性分析J.航空發(fā)動機(jī)，2002年第2期.11張鋼,虞烈,謝友柏,等.電磁軸承的發(fā)展與研究J.軸承,1997,(10):13-17.12陳明明.磁懸浮軸承 支承參數(shù)的辨識方法研究.碩士學(xué)位論文，2013年.13邵丙衡，陶生桂，倪光正.論磁懸浮列車的類型、核心技術(shù)與選型J.機(jī)電車傳動，1998年第3期.13Mark Fairbert.Design Consideration for an Active Magnetic Bearing Used in Aerospace Environmental Control SystemsA.Proc.of 7th Int.Sym