1、第一部分：磁懸浮支撐技術的原理及其特點 1.1磁懸浮技術的原理及起源 1.2磁懸浮技術的類型 1.3磁懸浮支撐技術的特點第二部分：磁懸浮技術的應用 2.1磁懸浮軸承 2.2磁懸浮列車 第三部分：磁懸浮支撐技術的發展趨勢及不足第四部分：磁懸浮技術的發展展望 參考文獻懸浮懸浮：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 磁懸浮技術的原理及起源, x F0 xUg222020222()UwdRgFdxgw xx u磁懸浮的起源：磁懸浮技術是起源于德國，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，隨著世界工業化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發展的需要，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統的開發。磁懸浮技術類型磁懸浮技術類型 1.1.主動磁懸浮技術主動磁懸浮技術 2.2.被動磁懸浮技術被動磁懸浮技術 3.3.混合磁懸浮技術混合磁懸浮技術 4.4.超導磁懸浮技術超導磁懸浮技術u磁懸浮系統的組成：磁懸浮技術是利用電磁力將物體無機械接觸地懸浮起來，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 磁懸浮技術的類型采用閉環主動

3、控制方式使懸浮體的姿態、動靜態采用閉環主動控制方式使懸浮體的姿態、動靜態特性等達到期望要求。即：連續地或斷續地測量特性等達到期望要求。即：連續地或斷續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許的范使懸浮體相對其要求位置的偏移不超過應許的范圍。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 主動磁懸浮系統主動磁懸浮技術u有源磁懸浮系統 它是由懸浮體、傳感器、控制器和執行器 4 部分組成。其中，執行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。現假設在某參考位置上，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換成控制電流，控制電流在執行磁鐵中產生電磁力，從而驅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，它始終能處于穩定的平衡狀態。磁懸浮技術的特點：由于磁懸浮不存在機械接觸，因此具有下列優點：一是完全無磨損、無污染，可在真空和腐蝕性介質中長期使用；二是完全無機械摩擦，功耗小、噪聲低、效率高，不需潤滑和密封，可用于高速工程，解決高速機械設計中潤滑和能耗的問題；另外，磁懸浮技術原理是集電磁學、電子技術、控制工程、信號處理、機械學、動力學為一體

5、的典型的機機電一體化高新技術。電一體化高新技術。1.3 磁懸浮支撐技術的特點先看一下傳統的軸承球軸承外外圈圈內圈內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就是內外圈之間必須要有介質-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子偏離參考點的位移，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換成控制電流，控制電流在執行磁鐵中產生磁力，從而驅動轉子返回到原來平衡位置。因此，不論轉子受到向下或向上的擾動，轉子始終能處于穩定

6、的平衡狀態。F轉子轉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，經模擬或數字運算后送人功率放大器產生控制電流Ix和Iy，來驅動徑向磁軸承電磁鐵以獲得維持轉子穩定懸浮的電磁力，當轉子在外力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，轉子向右上方移動，平衡時轉子懸浮在徑向磁軸承中間。l轉子分別由X和Y方向的兩對電磁鐵來吸引，傳感器用來測量轉子的位置變化；(3)五自由度磁軸承一根轉子在空間有六個自由

7、度，除了旋轉自由度由電機控制外，其余五個自由度由磁軸承控制，稱為五自由度磁軸承一轉子系統；其中轉子所受的徑向載荷(包括轉子重量)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，經模擬或數字運算后送人功率放大器產生控制電流來驅動電磁鐵以獲得維持轉子穩定懸浮的電磁力。與傳統的滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，結合本章開頭普通軸承的圖片和他們的共同點，可知磁軸承不存在機械接觸，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，特別適用于高速、真空、超

8、凈等特殊環境中。磁懸浮事實上只是一種輔助功能，并非是獨立的軸承形式，具體應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。配有數控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉速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電機軸向磁軸向磁力軸承力軸承2.1.2磁懸浮軸承的應用磁懸浮軸承-轉子主要采用基于真空磁懸浮的飛輪儲能技術，在真空環境中，利用飛輪旋轉所儲存的動能，持續轉化成電力。為關鍵負載提供不間斷的電力保障，實現了從化學儲能到機械儲能的轉變。飛輪儲能系統飛輪儲能系統用磁軸承取代傳統的滾動軸承是多電發動機的關鍵技

9、術之一。新一代航空發動機多電發動機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所采用的電磁鐵種類可以分為常導吸引型和超導排斥型兩大類。u(1)常導吸引型常導吸引型磁懸浮列車是以常導磁鐵和導軌作為導磁體,用氣隙傳感器來調節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行速度通常在300500 km /h范圍內,適合于城際及市郊的交通運輸。德國主要采用這種系統。u(2)超導排斥型超導排斥型磁懸浮列車是利用超導磁鐵和低溫技術來實現列車與線路之間懸浮運行的,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,當速度達到100

10、km /h時才懸浮起來。它的最高運行速度可以達到1 000 km /h,當然其建造技術和成本要比常導吸引型磁懸浮列車高得多。日本主要采用這種系統，與本國的這種地質條件有一定關系。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)及感應斥力懸浮(electrodynamics suspension,EDS)。3、按列車的驅動方式(1)長轉子、短定子異步直線電機驅動這種電機的“定子”安裝在車輛的底部,“轉子”線圈安裝在軌道上。它適合于低速運行。(2)長定子、短轉子同

11、步直線電機驅動此方式是將電機的“轉子”線圈裝在車輛上,“定子”線圈裝在軌道上。它適合于高速運行。2、按懸浮方式：2.2.2 磁懸浮列車的原理(1)常導磁吸式(EMS) 利用裝在車輛兩側轉向架上的常導電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設在線路導軌上的磁鐵，在磁場作用下產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)超導磁斥式(EDS)此種形式在車輛底部安裝超導磁體(放在液態氦儲存槽內),在軌道兩側鋪設一系列鋁環線圈。列車運行時,給車上線圈(超導磁體)通電流,產生強磁場,地上線圈(鋁環)與之相切割,在鋁環內產生感應電流。感應電流產生的磁場與車輛上超導磁體的磁場方向相反,兩個

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

13、表.2.2.3 導向原理磁懸浮列車利用電磁力的作用進行導向。現按常導磁吸式和超導磁斥式兩種情況簡述如下。(1)常導磁吸式的導向系統與懸浮系統類似,是在車輛側面安裝一組專門用于導向的電磁鐵。車體與導向軌側面之間保持一定間隙。當車輛左右偏移時,車上的導向電磁鐵與導向軌的側面相互作用,使車輛恢復到正常位置。控制系統通過對導向磁鐵中的電流進行控制來保持這一側向間隙,從而達到控制列車運行方向的目的。(2)超導磁斥式的導向系統在車輛上安裝機械導向裝置實現列車導向。在車輛上安裝專用的導向超導磁鐵,使之與導向軌側向的地面線圈和金屬帶產生磁斥力,該力與列車的側向作用力相平衡,使列車保持正確的運行方向。利用磁力進

14、行導引的“零磁通量”導向系統。2.2.4推進原理(1)常導磁吸式磁懸浮采用短定子異步直線電機。在車上安裝三相電樞繞組,軌道上安裝感應軌。采用車上供電方式。這種方式結構比較簡單,容易維護,造價低,適用于中低速城市運輸及近郊運輸以及作為短程旅游線系統;主要缺點是功率偏低,不利于高速運行。其中TR型快速動車和上海引進的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)超導磁斥式磁懸浮采用長定子同步直線電機。其超導電磁體安裝在車輛上,在軌道沿線設置無源閉合線圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導電磁線圈的采用,為直線同步電機的激磁線圈處于超導狀態提供了方便條件。

15、它們可以共存于同一個冷卻系統,或者同一線圈同時起到懸浮、導向和推進的作用。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場，專線全長29863公里。由中德兩國合作開發的世界第一條磁懸浮商運線2001年3月1日在浦東挖下第一鏟，2002年12月31日全線試運行，2003年1月4日正式開始商業運營，全程只需8分鐘。是世界第一條商業運營的磁懸浮專線。與傳統鐵路相比,磁懸浮列車有以下優點：(1)適于高速運行；(2)穩定安全；(3)污染小,易維護；(4)能充分利用能源、獲得較高的運輸效率；(5)磁懸浮列車車輛使用壽命可達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 磁懸浮列車的優點3.1 磁懸浮支承技術發展趨勢 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磁懸浮航空發動機磁懸浮航空發動機耐550度以上高溫減振降噪實時監測高可靠性高溫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、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，如高強度鋼。3.2 存在的問題存在的問題(2)由于磁懸浮系統是以電磁力完成懸浮、導向和驅動功能的，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，同時其高速穩定性和可靠性還需很長時間的運行考驗；(3)常導磁懸浮技術的懸浮高度較低。因此磁懸浮列車對線路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術更高；(4)超導磁懸浮技術由于渦流效應懸浮能耗較常導技術更大，冷卻系統重，其造價也相對較高，整個系統也復雜，而且強磁場對人體與環境都有影響；（5）造價昂貴 這是制約磁懸浮技術發展的又一個瓶頸，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磁懸浮線路的規劃單位造價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，技術問題的不斷解決，磁懸浮技術必將具有更為美好的發展前景。 未來我們的生活將受惠于磁懸浮技術！參考文獻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，2003年第三期.2徐曉美，朱思洪.磁懸浮技術及其工程應用J.農機化研究，2005年11月.3毛寶華，黃榮等.磁懸浮技術在中國的應用前景分析J.

20、交通運輸信息與工程，2008年2月.4彭曉平.磁懸浮列車的原理及技術基礎探討J.內江科技，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用J.現代物理知識，21卷第6期.7張剛等.磁懸浮軸承技術的發展與應用,中國軸承論壇第四屆研討會論文集8張剛，張建生等.航空發動機用磁懸浮軸承試驗臺的穩定性分析J.中國工程機械年會，2002年.9張剛，張建生等.燃氣渦輪發動機磁懸浮軸承試驗臺的穩定性研究J.燃氣渦輪試驗與研究,2003年5月第16期.10張剛、汪希平.試驗用航空發動機磁懸浮軸承樣機的穩定性分析J.航空發動機，2002年第2期.11張鋼,虞烈,謝友柏,等.電磁軸承的發展與研究J.軸承,1997,(10):13-17.12陳明明.磁懸浮軸承 支承參數的辨識方法研究.碩士學位論文，2013年.13邵丙衡，陶生桂，倪光正.論磁懸浮列車的類型、核心技術與選型J.機電車傳動，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