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1、磁悬浮技术在工程实践中的应用分析作者：王丽茹 张彦军来源：职业中旬2010年第06期一、磁悬浮技术的发展与现状磁悬浮技术的发展始于上世纪，恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬 浮，此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到 最近二十年才广泛开展。近年来，磁悬浮技术得到了迅速发展，并得到越来越广泛的应用。由于 现代科学技术的发展，如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术，使得 磁悬浮技术迅速崛起，各国都投入大量的人力、物力、进行研究。磁悬浮由于无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的
2、使用寿命，改善设备 的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。二、磁悬浮的应用磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车，以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各 个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向，典型对象是发电机的磁悬浮轴承 (又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染 等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向，集磁悬浮轴承和电动机 于一体，具有自悬浮和驱动能力，不需要任何独立的轴承支撑
3、，具有体积小、临界转速高等特点，更 适合于超高速运行的场合，也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研 究，相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类 型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速，是 最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，在转 子运动过程中存在机械摩擦，增加了转子的摩擦阻力，佼运动部件磨损，产生机械振动和噪声，使运 动部件发热，润滑剂性能变差，甚至会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能， 最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和
4、转子励磁磁场间“同性相斥，异性相吸”的原理使 转子悬浮起来，同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重 视，并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域，国外已研制成功的离心式和振动 式磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损引 起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦，提高患者 生活质量，而且对人类延续生命具有深远意义。三、磁悬浮球控制系统的工作原理图1 磁悬浮球控制系统功能图电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力 与钢球的重量相平衡,钢球就可以
5、悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球 之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或 被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁 之间的距离y的变化，当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时，控制电磁铁控制绕组中 的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上 也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1 示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可 分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。四、对磁悬浮球控制器进行理论设计首先建立数学模型得到钢球的数学模型为:选取模型参数通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为:五、传递函数G(s)的性能分析由图 2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相 角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力, 钢球能稳定地悬浮。(作者单位:王丽茹,山东省青岛科技大学;张彦军,山东省莱芜市高级技工学校)
