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1、磁悬浮支撑技术,磁悬浮支撑技术,第一部分：磁悬浮支撑技术的原理及其特点 1.1磁悬浮技术的原理及起源 1.2磁悬浮技术的类型 1.3磁悬浮支撑技术的特点 第二部分：磁悬浮技术的应用 2.1磁悬浮轴承 2.2磁悬浮列车 第三部分：磁悬浮支撑技术的发展趋势及不足 第四部分：磁悬浮技术的发展展望 参考文献,一、磁悬浮技术的组成原理及特点,悬浮：磁悬浮、电悬浮、气悬浮 磁悬浮基于磁拉（斥）力而悬浮，如图所示。,1.1 磁悬浮技术的原理及起源,磁悬浮的起源：磁悬浮技术是起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年代以后，随着世界工
2、业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。,磁悬浮技术类型 1.主动磁悬浮技术 2.被动磁悬浮技术 3.混合磁悬浮技术 4.超导磁悬浮技术,磁悬浮系统的组成：磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。,1.2 磁悬浮技术的类型,采用闭环主动控制方式使悬浮体的姿态、动静态特性等达到期望要求。即：连续地或断续地测量悬浮体的位置，通过伺服装置迅速地控制场力，使悬浮体相对其要求位置的偏移不超过应许的范围。主动悬浮又叫有源悬浮，如图
3、1所示。,图 主动磁悬浮系统,主动磁悬浮技术,有源磁悬浮系统 它是由悬浮体、传感器、控制器和执行器 4 部分组成。其中，执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将会偏离其参考位置。这时，传感器检测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号；功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。因此，不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上，它始终能处于稳定的平衡状态。,磁悬浮技术的特点：由于磁悬浮不存在机械接触，因此具有下列优点：一是完全无磨损、无污染，可在真空和腐蚀
4、性介质中长期使用；二是完全无机械摩擦，功耗小、噪声低、效率高，不需润滑和密封，可用于高速工程，解决高速机械设计中润滑和能耗的问题； 另外，磁悬浮技术原理是集电磁学、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。,1.3 磁悬浮支撑技术的特点,二、磁悬浮系统的应用,先看一下传统的轴承,球轴承,圆柱滚子轴承,2.1 磁悬浮轴承,滚动体,共同点就是内外圈之间必须要有介质-滚动体、保持架,2.1.1 磁悬浮轴承原理,(1)单自由度磁力轴承工作原理,在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的
5、位移变换成控制信号。然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。,(2)二自由度磁力轴承工作原理,测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算后送人功率放大器产生控制电流Ix和Iy，来驱动径向磁轴承电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力，当转子在外力Wo作用下向左下方移动时，传感器将这一信号告诉控制器(未画出)，控制器增大控制电流Ix和Iy，使得上面和右面吸力大于下面和左面吸力，转子向右上方移动，平衡时转子悬浮在径向磁轴承中间。,转子分别由X和Y方向的两对电磁铁来吸引，传感器
6、用来测量转子的位置变化；,(3)五自由度磁轴承,一根转子在空间有六个自由度，除了旋转自由度由电机控制外，其余五个自由度由磁轴承控制，称为五自由度磁轴承一转子系统；,其中转子所受的径向载荷(包括转子重量)由两个径向磁轴承来支承，轴向载荷由一对推力磁轴承来承受，在水平、垂直和轴向分别安装有五个传感器来测量转子在空间五个自由度上的位置变化，测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算后送人功率放大器产生控制电流来驱动电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力。,与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，结合本章开头普通轴承的图片和他们的共同点，可知磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小
7、、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。,配有数控式磁轴承的铣床主轴，用于高速铣削，转速 40000r/min,切削功率40kw。,2.1.2磁悬浮轴承的应用,磁悬浮轴承-转子,主要采用基于真空磁悬浮的飞轮储能技术，在真空环境中，利用飞轮旋转所储存的动能，持续转化成电力。为关键负载提供不间断的电力保障，实现了从化学储能到机械储能的转变。,飞轮储能系统,用磁轴承取代传统的滚动轴承是多电发动机的关键技术
8、之一。,新一代航空发动机多电发动机,2.2.1 磁悬浮列车的分类 1、按电磁铁的种类 磁悬浮列车根据所采用的电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类。 (1)常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体,用气隙传感器来调节列车与线路之间的悬浮间隙大小,在一般情况下,其悬浮间隙大小在10mm左右,这种磁悬浮列车的运行速度通常在300500 km /h范围内,适合于城际及市郊的交通运输。德国主要采用这种系统。 (2)超导排斥型 超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术来实现列车与线路之间悬浮运行的,其悬浮间隙大小一般在100mm左右,这种磁悬浮列车低速时并不悬浮,当速度达
9、到100 km /h时才悬浮起来。它的最高运行速度可以 达到1 000 km /h,当然其建造技术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得多。日本主要采用这种系统，与本国的这种地质条件有一定关系。,2.2磁悬浮列车,有电磁吸引式悬浮(electromagnetic suspension, EMS)和永磁力悬浮(permanent repulsive suspension, PRS)及感应斥力悬浮(electrodynamics suspension,EDS)。,3、按列车的驱动方式,(1)长转子、短定子异步直线电机驱动 这种电机的“定子”安装在车辆的底部,“转子”线圈安装在轨道上。它适合于低速运行。
10、 (2)长定子、短转子同步直线电机驱动 此方式是将电机的“转子”线圈装在车辆上,“定子”线圈装在轨道上。它适合于高速运行。,2、按悬浮方式：,2.2.2 磁悬浮列车的原理,(1)常导磁吸式(EMS) 利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，如下图所示，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比,(2)超导磁斥式(EDS),此种形式在车辆底部安装超导磁体(放在液态氦储存槽内),在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时,给车上线 圈(超导磁体)通电流,产生强磁场,地上线圈(铝环)与之相切割,在铝环内产生感应电流。,感应电流产生的
11、磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反,两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时,车辆就浮起来。因此,超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体,与铺设在轨道上的无源 线圈之间的相对运 动来产生悬浮力将 车体抬起来的。,1侧梁壁 2辅助导向轮走行路面 3辅助支撑轮走行路面 4内装8字形线圈 5直线电动机定子线圈,利用侧墙安装悬浮兼导向性线圈是电磁力特别强大的这种超导磁悬浮列车的一大特点，这样做可以降低车体高度,由于采用了超导磁铁，磁场很强，因此车辆悬浮高度也较高，可达到100mm左右。该列车成本较高，但是悬浮控制更加稳定，运行速度也较高，可达500600km/h。这种类型的列车以日本的MLX低温超导
12、型磁悬浮列车为代表.,2.2.3 导向原理,磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。现按常导磁吸式和超导磁斥式两种情况简述如下。,(1)常导磁吸式的导向系统 与悬浮系统类似,是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时,车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙,从而达到控制列车运行方向的目的。,(2)超导磁斥式的导向系统 在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。 在车辆上安装专用的导向超导磁铁,使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力,该力与列车的侧向作用力相平衡,使列车
13、保持正确的运行方向。 利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。,2.2.4推进原理,(1)常导磁吸式磁悬浮 采用短定子异步直线电机。在车上安装三相电枢绕组,轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。这种方式结构比较简单,容易维护,造价低,适用于中低速城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统;主要缺点是功率偏低,不利于高速运行。其中TR型快速动车和上海引进的Transrapid 06号磁悬浮列车,以及日本的HSST型磁悬浮列车都采用这种形式。,(2)超导磁斥式磁悬浮 采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上,在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用,为直线同步
14、电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统,或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。,中国上海磁悬浮列车,上海磁悬浮列车专线西起上海轨道交通2号线的龙阳路站，东至上海浦东国际机场，专线全长29863公里。由中德两国合作开发的世界第一条磁悬浮商运线2001年3月1日在浦东挖下第一铲，2002年12月31日全线试运行，2003年1月4日正式开始商业运营，全程只需8分钟。是世界第一条商业运营的磁悬浮专线。,与传统铁路相比,磁悬浮列车有以下优点：,(1)适于高速运行；,(2)稳定安全；,(3)污染小,易维护；,(4)能充分利用能源、获得较高的运输效率；,(5)磁悬浮列车
15、车辆使用寿命可达35年，而普通有轨列车只有20至25年。磁悬浮列车的路轨寿命是80年，普通路轨道60年；,2.2.5 磁悬浮列车的优点,三、磁悬浮支撑技术的发展趋势及存在的问题,3.1 磁悬浮支承技术发展趋势,五高：高速、高精、高温、 高可靠、高智能,10万rpm,微米级精度,铣床铣头 外观图,铣床铣头切削图,高速、高精,Honeywell JTAGG II Magnetic Suspend,NASA High-Temperature MB for Gas Turbine Engines,NASA磁悬浮航空发动机,耐550度以上高温 减振降噪 实时监测 高可靠性,高温,HeartWare离心式
16、血泵,高可靠,磁悬浮减震器,磁悬浮减振降噪,高智能,(1)材料研究(高强、高温、高磁饱和的磁性材料),磁悬浮轴承突破磁饱和、磁滞、涡流损耗、离心力等特性的限制。 有效减小磁轴承的体积、能耗，而大大提高承载能力。,磁化特性好，抗拉弹性模量低，如DT6。 磁化特性差，抗拉弹性模量高，如高强度钢。,3.2 存在的问题,(2)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施。尤其是磁悬浮列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题，同时其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验；,(3)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低。因此磁悬浮列车对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高；,(4)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，其造价也相对较高，整个系统也复杂，而且强磁场对人体与环境都有影响；,（5）造价昂贵 这是制约磁悬浮技术发展的又一个瓶颈，另外，建成之后高昂的票价也是问题，无法汇集到广大的平常百姓。如上海磁悬浮单程是50，贵宾席是100,磁悬浮线路的规划单位造价,
