磁懸浮技術原理及其應用

紀 源

（南京金陵中學，南京 210007）

磁懸浮技術原理及其應用

紀 源

（南京金陵中學，南京 210007）

磁懸浮技術是一門多學科交叉，并具有良好發展前景的學科。隨著電子通信、系統控制、電氣工程、電磁學和材料力學的研究進一步深入，磁懸浮技術目前來說已經廣泛的應用與各個領域內，如航空航天、精密儀器、軌道交通等。本文針對磁懸浮技術，提出了該技術的原理及特點，并根據其特點分析了其在工業及工程上的應用，并相應地作出了展望。

電磁學；磁懸浮技術；應用

1 引言

自古以來，使物體在空中處于無接觸懸浮狀態一直是人類無法企及的夢想。但隨著電子通信、系統控制、電氣工程、電磁學和材料力學的研究進一步深入，人類利用磁懸浮技術已經實現了這一夢想。磁懸浮技術是集電磁學、電子技術、控制工程、信號處理、機械學、動力學為一體的典型的機電一體化高新技術。目前來說，人類利用磁懸浮技術已經實現了許多應用，如磁懸浮軸承、磁懸浮列車、磁懸浮工作臺等。本文針對磁懸浮技術，提出了該技術的原理及特點，并根據其特點分析了它在工業及工程上的應用，并進行了展望。

2 磁懸浮原理及其特點

圖1 磁懸浮工作原理示意圖

磁懸浮技術是一種依靠電磁力將物體無機械接觸地懸浮起來的技術，其簡要裝置示意圖如圖1所示。該裝置由五部分組成：傳感器、電磁鐵、控制器、功率放大器和磁浮體。其工作原理為，通過給電磁鐵提供交變電流，使電磁鐵中線圈產生磁通量的變化，從而使電磁鐵周邊產生磁場，通過控制器，使懸浮體受到的磁力與其重力相等，從而使懸浮體在空中懸浮。并且，假設因為某種原因，懸浮體在平衡位置處出現了微小的擾動，偏離了平衡位置。此時，由位置傳感器檢測出懸浮體偏離的位移大小，并將該數據通過控制器的微處理器轉換為控制信號，再通過功率放大器將該控制信號轉換為控制電流，根據位移的方向和大小確定控制電流的大小，經過多次迭代微調，從而迫使懸浮體返回原來的平衡位置。由該原理可以看出，無論懸浮體的擾動位移方向是朝下還是朝上，它均能通過控制系統處于平衡狀態[1]。磁力彈簧是磁懸浮系統中最重要的原件，根據產生磁力的方式，可分為電磁彈簧和永磁彈簧。電磁彈簧是由密集線圈產生電磁場而提供磁力，永磁彈簧通常僅由永久磁鐵來提供磁力，而永久磁鐵常選取稀土類磁性材料。通常來說，由于懸浮體不與外界有直接接觸，因此優點明顯：一是磨損很小，并且在真空和腐蝕性介質中可以長期使用；二是機械摩擦力幾乎等于零，僅有少量的轉動空氣摩阻力，因此功耗較低，噪聲小，且不需要潤滑劑，從而適用于機械工程中的高速轉動工程。因為磁懸浮體對于外界干擾有著很好的穩定性，同時，傳感器也可實時記錄數據，用于故障的診斷與運營過程中的監測。

3 磁懸浮技術應用

3.1 磁懸浮軸承

目前來說，國內外對于磁懸浮技術方面，研究比較火熱的主要有兩個方向，磁懸浮軸承與磁懸浮列車。而磁懸浮軸承的研究又是先于磁懸浮列車的，我國從1980年開始研究磁懸浮軸承技術，目前成果頗豐。與傳統的滾動軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承的轉子和定子間不存在機械接觸，轉子可以運行到很高的轉速，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優點[2]。但磁懸浮軸承為了實現自我穩定需要檢測轉子的位移，一般來說需要5～10個傳感器，而加入傳感器之后，磁懸浮軸承系統的尺寸必然要增加，從而導致結構復雜、成本高等問題。同時，傳感器本身價格昂貴，不可避免的會提高磁懸浮軸承的售價，這極大地約束了它在實際工程中的應用。因此，近幾年，在降低傳感器成本方面，許多學者進行了相關研究，其中，結合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領域的最新研究成果，誕生了一個全新的研究方向，即無傳感器的磁懸浮軸承。該軸承無需位移傳感器，根據電磁線圈上反饋的電流和電壓信號可以反求轉子位移，從而反過來調整電流電壓信號。該類軸承可以極大地減小軸承的尺寸與降低成本。

3.2 磁懸浮列車

磁懸浮列車和磁懸浮軸承一樣，從20世紀80年代起至今，一直在不停地發展。它的原理是，利用電磁的吸力或斥力，將列車懸浮在空中，并可以進行導向，列車行進時，只受到空氣的阻力，而不會受到列車與地面軌道間的摩擦力，從而可以提高列車的能源使用效率和提高速度[3]。通常來說，按照懸浮方式，磁懸浮列車也可以被劃分為兩種類型：常導磁吸型和超導排斥型。對于常導磁吸型懸浮列車來說，其原理是利用普通直流電電磁鐵磁吸力，由車上的常導電流產生電磁引力，吸引軌道下的磁導體，使列車浮起。而對于超導排斥型磁懸浮列車來說，利用超導磁體產生的強磁場在列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用，產生電動斥力將列車浮起，但其懸浮氣隙較大，技術相當復雜，并需屏蔽發散的電磁場，這是一個技術難點。對于我國來說，雖然從改革開放以來，對磁懸浮的研究才剛剛起步，但是發展迅速，如上海的磁懸浮列車是世界上第一條投入實際交通使用的高速磁懸浮線路。

3.3 磁懸浮工作臺

隨著人類社會的進步，各個行業對設備精度的要求越來越高，因此，對于長行程和精密運動控制慢慢興起，至今，正處于高速發展的階段。而現有的研究證據表示，對于精密設備精度來說，最主要的影響因素是摩擦力的非線性。摩擦力的大小決定了精密設備的精密程度，控制設備間摩擦力越小，精度越高。而這恰恰符合磁懸浮技術的特征，無接觸摩擦力。所以磁懸浮是一種實現長行程、精密運動控制的較為理想的方式[4]。對于磁懸浮工作臺來說，其中關鍵技術之一是電磁鐵的結構和參數。在工作臺上方，通常會設置電磁鐵用以平衡構件重力，一方面，這在一定程度上會影響工作臺面上既有構件的放置；另一方面，由于電磁鐵的線圈通常由銅導線繞制，而銅導線在運行過程中，有銅損效應，會釋放熱量，而熱量會對精密系統的指標造成非常嚴重的影響。如何控制電磁鐵的尺寸和解決銅損問題是磁懸浮工作平臺發展的關鍵。西安交通大學的毛軍紅[5]等人提出了采用三磁極電磁鐵的超精密磁懸浮工作臺。通過與常規的采用雙磁極電磁鐵的磁懸浮工作臺的比較顯示，采用三磁極電磁鐵的超精密磁懸浮工作臺可使靜態功耗（或發熱量）降低50%，且具有更合理的空間結構。

4 結束語

隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉子動力學的發展，國內外對磁懸浮技術的研究均取得了很大的進展。但不論是在理論上，還是在產品化的過程中，此技術都還存在著很多的難題。生產和科學技術的發展促進了磁懸浮技術研究的不斷深入，同時，磁懸浮技術的發展又不斷解決了工程應用中的許多疑難雜癥。磁懸浮技術由于無接觸、無摩擦磨損、無需潤滑和密封等優點，使其在許多工程領域獲得了廣泛的應用。隨著超導磁體的發現，磁懸浮技術必將具有更為美好的發展前景。

[1] 張士勇．磁懸浮技術的應用現狀與展望[J]．工業儀表與自動化裝置，2003,(3):63-65

[2] 喬曉利．磁懸浮電主軸系統動態分析及振動控制技術綜述[J]．河北科技大學學報，2016,(05):441-448

[3] 朱彥錦．磁懸浮列車技術的分析與展望[J]．技術與市場，2016,(05):187+189

[4] 陳安安．磁懸浮平臺控制系統的研究[D]．山東大學，2016

[5] 伍宏亮，毛軍紅．單級懸浮工作臺平面運動測量系統對準誤差分析[J]．西安交通大學學報，2010,(01):51-55

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.018

TM57文獻標示碼：A

1672-7274（2017）08-0043-02