磁悬浮技术原理及其应用

纪 源

（南京金陵中学，南京 210007）

磁悬浮技术原理及其应用

纪 源

（南京金陵中学，南京 210007）

磁悬浮技术是一门多学科交叉，并具有良好发展前景的学科。随着电子通信、系统控制、电气工程、电磁学和材料力学的研究进一步深入，磁悬浮技术目前来说已经广泛的应用与各个领域内，如航空航天、精密仪器、轨道交通等。本文针对磁悬浮技术，提出了该技术的原理及特点，并根据其特点分析了其在工业及工程上的应用，并相应地作出了展望。

电磁学；磁悬浮技术；应用

1 引言

自古以来，使物体在空中处于无接触悬浮状态一直是人类无法企及的梦想。但随着电子通信、系统控制、电气工程、电磁学和材料力学的研究进一步深入，人类利用磁悬浮技术已经实现了这一梦想。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。目前来说，人类利用磁悬浮技术已经实现了许多应用，如磁悬浮轴承、磁悬浮列车、磁悬浮工作台等。本文针对磁悬浮技术，提出了该技术的原理及特点，并根据其特点分析了它在工业及工程上的应用，并进行了展望。

2 磁悬浮原理及其特点

图1 磁悬浮工作原理示意图

磁悬浮技术是一种依靠电磁力将物体无机械接触地悬浮起来的技术，其简要装置示意图如图1所示。该装置由五部分组成：传感器、电磁铁、控制器、功率放大器和磁浮体。其工作原理为，通过给电磁铁提供交变电流，使电磁铁中线圈产生磁通量的变化，从而使电磁铁周边产生磁场，通过控制器，使悬浮体受到的磁力与其重力相等，从而使悬浮体在空中悬浮。并且，假设因为某种原因，悬浮体在平衡位置处出现了微小的扰动，偏离了平衡位置。此时，由位置传感器检测出悬浮体偏离的位移大小，并将该数据通过控制器的微处理器转换为控制信号，再通过功率放大器将该控制信号转换为控制电流，根据位移的方向和大小确定控制电流的大小，经过多次迭代微调，从而迫使悬浮体返回原来的平衡位置。由该原理可以看出，无论悬浮体的扰动位移方向是朝下还是朝上，它均能通过控制系统处于平衡状态[1]。磁力弹簧是磁悬浮系统中最重要的原件，根据产生磁力的方式，可分为电磁弹簧和永磁弹簧。电磁弹簧是由密集线圈产生电磁场而提供磁力，永磁弹簧通常仅由永久磁铁来提供磁力，而永久磁铁常选取稀土类磁性材料。通常来说，由于悬浮体不与外界有直接接触，因此优点明显：一是磨损很小，并且在真空和腐蚀性介质中可以长期使用；二是机械摩擦力几乎等于零，仅有少量的转动空气摩阻力，因此功耗较低，噪声小，且不需要润滑剂，从而适用于机械工程中的高速转动工程。因为磁悬浮体对于外界干扰有着很好的稳定性，同时，传感器也可实时记录数据，用于故障的诊断与运营过程中的监测。

3 磁悬浮技术应用

3.1 磁悬浮轴承

目前来说，国内外对于磁悬浮技术方面，研究比较火热的主要有两个方向，磁悬浮轴承与磁悬浮列车。而磁悬浮轴承的研究又是先于磁悬浮列车的，我国从1980年开始研究磁悬浮轴承技术，目前成果颇丰。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承的转子和定子间不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点[2]。但磁悬浮轴承为了实现自我稳定需要检测转子的位移，一般来说需要5～10个传感器，而加入传感器之后，磁悬浮轴承系统的尺寸必然要增加，从而导致结构复杂、成本高等问题。同时，传感器本身价格昂贵，不可避免的会提高磁悬浮轴承的售价，这极大地约束了它在实际工程中的应用。因此，近几年，在降低传感器成本方面，许多学者进行了相关研究，其中，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。该轴承无需位移传感器，根据电磁线圈上反馈的电流和电压信号可以反求转子位移，从而反过来调整电流电压信号。该类轴承可以极大地减小轴承的尺寸与降低成本。

3.2 磁悬浮列车

磁悬浮列车和磁悬浮轴承一样，从20世纪80年代起至今，一直在不停地发展。它的原理是，利用电磁的吸力或斥力，将列车悬浮在空中，并可以进行导向，列车行进时，只受到空气的阻力，而不会受到列车与地面轨道间的摩擦力，从而可以提高列车的能源使用效率和提高速度[3]。通常来说，按照悬浮方式，磁悬浮列车也可以被划分为两种类型：常导磁吸型和超导排斥型。对于常导磁吸型悬浮列车来说，其原理是利用普通直流电电磁铁磁吸力，由车上的常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的磁导体，使列车浮起。而对于超导排斥型磁悬浮列车来说，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，但其悬浮气隙较大，技术相当复杂，并需屏蔽发散的电磁场，这是一个技术难点。对于我国来说，虽然从改革开放以来，对磁悬浮的研究才刚刚起步，但是发展迅速，如上海的磁悬浮列车是世界上第一条投入实际交通使用的高速磁悬浮线路。

3.3 磁悬浮工作台

随着人类社会的进步，各个行业对设备精度的要求越来越高，因此，对于长行程和精密运动控制慢慢兴起，至今，正处于高速发展的阶段。而现有的研究证据表示，对于精密设备精度来说，最主要的影响因素是摩擦力的非线性。摩擦力的大小决定了精密设备的精密程度，控制设备间摩擦力越小，精度越高。而这恰恰符合磁悬浮技术的特征，无接触摩擦力。所以磁悬浮是一种实现长行程、精密运动控制的较为理想的方式[4]。对于磁悬浮工作台来说，其中关键技术之一是电磁铁的结构和参数。在工作台上方，通常会设置电磁铁用以平衡构件重力，一方面，这在一定程度上会影响工作台面上既有构件的放置；另一方面，由于电磁铁的线圈通常由铜导线绕制，而铜导线在运行过程中，有铜损效应，会释放热量，而热量会对精密系统的指标造成非常严重的影响。如何控制电磁铁的尺寸和解决铜损问题是磁悬浮工作平台发展的关键。西安交通大学的毛军红[5]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。

4 结束语

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。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。

[1] 张士勇．磁悬浮技术的应用现状与展望[J]．工业仪表与自动化装置，2003,(3):63-65

[2] 乔晓利．磁悬浮电主轴系统动态分析及振动控制技术综述[J]．河北科技大学学报，2016,(05):441-448

[3] 朱彦锦．磁悬浮列车技术的分析与展望[J]．技术与市场，2016,(05):187+189

[4] 陈安安．磁悬浮平台控制系统的研究[D]．山东大学，2016

[5] 伍宏亮，毛军红．单级悬浮工作台平面运动测量系统对准误差分析[J]．西安交通大学学报，2010,(01):51-55

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.018

TM57文献标示码：A

1672-7274（2017）08-0043-02