磁悬浮技术及其工程应用

磁悬浮技术及其工程应用

徐晓美，朱思洪

（南京农业大学 工学院，南京 210031）

摘 要：磁悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展，其已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表、机械制造和交通运输等领域。为此，在分析了磁悬浮技术原理及其特点的基础上，论述了磁悬浮技术在工程上的主要应用状况，并展望了磁悬浮技术的发展前景。 关键词：电磁学；磁悬浮技术；工程应用；发展前景

中图分类号：TM574 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2005)06─0192─03

1 磁悬浮原理及其特点

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。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（被动）和有源（可控）两种悬浮系统。

图1为简单的有源磁悬浮系统，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[1]。

图1 磁悬浮原理图

浮体

控制器

置传感器

功放

电磁铁

据产生磁力的方式不同，磁力弹簧可被分为电磁弹簧和永磁弹簧两种。东南大学的朱美玲、袁世峰等研究了一种电磁弹簧模型[2]。在此模型中，静态力基本上由永磁体产生的力支持，外部扰动产生的振动则由通电线圈产生的电磁力来控制。

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。江苏大学的钱坤喜、吕利昌等人研制了一种稀土磁力弹簧[3]。南京航空航天大学的龚余才，对稀土磁弹簧吸振器的特性进行了研究，他介绍了稀土金属制成的磁弹簧吸振器的构造和工作机理，并分析了磁弹簧刚度的可调节性及其刚度与磁弹簧的有关参数间的关系[4]。

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。

对于有源式磁悬浮系统，可以控制其刚度、阻尼的大小，使其与外界干扰频率相适应，从而保持悬浮物体处于平衡状态，便于振动的主动控制。此外，对于有源式磁悬浮系统，其悬浮物体的全部运动特性可由位置传感器测得，便于实现运行状态诊断和监测。

2 磁悬浮技术应用状况

2.1 磁悬浮轴承

磁悬浮轴承与磁悬浮列车是目前国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品；而在国外，目前磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。我国从20世纪80年代开始研究磁悬浮轴承技术，现已取得了一定的研究成果。

磁力弹簧是磁悬浮系统重要的执行器元件。根

收稿日期：2004-11-19

作者简介：徐晓美（1965-）,女，江苏泰兴人，博士研究生，(E-mail)

xxm120480@。

传统的磁悬浮轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。由于受结构的限制，传感器不能装在磁悬浮轴承的中间，使系统的控制方程相互耦合，导致控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价格较高，导致磁悬浮轴承的售价很高，这大大限制了它在工业上的推广应用。因此，如何降低磁悬浮轴承的价格，一直是国际上的热点研究课题。近几年，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[1]。它不需要设计专门的位移传感器，转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承将使转子的轴向尺寸变小、系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高；这样磁悬浮轴承的控制器将便于设计，价格也会显著下降。 2.2 磁悬浮列车

对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。按悬浮方式，磁悬浮列车可被分为常导磁吸型和超导排斥型两类。以德国高速常导磁悬浮列车TransRapid为代表的常导磁吸型利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理，由车上常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的导磁体，使列车浮起。以日本MagLev为代表的超导排斥型磁悬浮列车，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，其悬浮气隙较大，技术相当复杂，并需屏蔽发散的电磁场。

目前，在世界磁悬浮列车技术领域中，日本和德国占据领先地位。我国磁悬浮列车研究始于20世纪80年代，虽然起步晚，但发展很快。上海的磁悬浮列车项目是世界上第一条投入商业化运营的高速磁浮线路，并于2002年12月31日成功实现了单线通车试运行。 2.3 磁悬浮工作台

随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式[5]。

磁悬浮工作台的关键技术之一是电磁铁的结构和参数。由于只能使用电磁铁的吸引力，因此在工作台的上方必须有电磁铁以平衡重力。一方面，在

一定程度上会影响工作台台面上工件的安放，这一问题只能通过将电磁铁的尺寸设计得尽量小而得到解决；另一方面，电磁铁会有明显的静态功耗（铜损），由此而产生的热量对精密系统的指标通常会造成严重的影响。要降低静态功耗，则设计又需要将电磁铁及其绕组的尺寸尽量加大。这两个相互矛盾的要求是磁悬浮工作台设计的主要问题之一。

针对此问题，西安交通大学的毛军红、李黎川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。

此外，吉林工学院的吕思义、刘忠民等人设计研究了磁悬浮水平振动工作台，对影响振动台性能的主要因素进行了优化设计，提出了磁极工作气隙的设计原则，阐述了合理选择工作气隙是提高磁悬浮刚度和力反馈灵敏度的有效途径。 2.4 磁悬浮隔振器

由于磁悬浮隔振器的磁场力大小与两个极板之间的距离呈非线性关系，从而使得磁悬浮隔振具有良好的非线性隔振性能。

中国科学院力学研究所的崔瑞意、申仲翰等人研制了一种磁悬浮隔振装置。该隔振装置的外观大致呈圆柱形，圆柱的中心部分装有磁性材料，上、下两端可分别与振体和基础相联接。在设计过程中，应考虑摩擦、运动轨迹的约束及稳定性等诸方面的因素[6]。

国防科技大学的龙志强、尹力明等人共同设计研究了一种磁悬浮隔振系统。在建立隔振系统动力学模型的基础上，分析了隔振系统的基本特性，并提出了应用加速度反馈来压低系统频带的方法[7]。

韩国的Y-B Kim、W-G Hwang等研究了一种使用电磁减振器的主动振动控制悬架系统。通过对缩小模型的试验分析表明，此电磁减振系统在各种激励输入下均具有良好的减振效果[8]；但由于不能获得足够大的放大器电流以及散热问题，使得其实际应用受到了限制。

日本的藤田悦则、川崎诚司等提出了一种磁悬浮减振机构并获得国家专利。此减振机构利用至少两个永久磁铁构成排斥型磁性弹簧，通过适当选择一个永久磁铁相对于另一个的运动轨迹，使磁性弹簧内的存储磁能近似一定，从而设定弹簧常数值近似为零[9]。

此外，磁悬浮技术在半导体制造业，钢铁制造业和汽车制造业等大规模工业中也已开始应用。可

以预期，随着磁悬浮技术的不断普及，更多的应用产品将会不断地出现。

的发现，磁悬浮技术必将具有更为美好的发展前景。 参考文献：

[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] 朱美玲,袁世峰,颜景平.主动振动控制系统中电磁

弹簧的理论研究[J].东南大学学报,1993,23(增刊):97-101.

[3] 钱坤喜,吕利昌,茹伟民,等.一种新颖的磁力弹簧

及其弹性[J].机械工程学报,1998,34(3):57-59. [4] 龚余才.稀土磁弹簧吸振器特性的研究[J].南京航

空航天大学学报,1995,27(3):376-381.

[5] 毛军红,高 琳,李黎川.采用实心铁磁体的磁悬浮

工作台的系统辨识[J].微细加工技术,2004,(1): 62-68.

[6] 崔瑞意,申仲翰,刘玉标.磁悬浮隔振装置的研制及

基本机理研究[J].力学与实践,1999,21(4):54- 56.

[7] 龙志强,佘龙华,尹力明,等.磁悬浮隔振技术研究

[J].机电工程,1995,(2):16-20.

[8] Y-B Kim,W-G Hwang,C-D Kee,et al.Active vibra-

tion control of a suspension system using an electromagnetic damper[J].Proc Instn Mech En- grs,2001,215(D):865-873.

3 磁悬浮技术发展展望

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。其中，磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统。磁悬浮轴承所需解决的难题则主要表现在控制系统和满足转子轴系动力特性上。

超导磁悬浮轴承的体积很小，却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。日本科学家发现MgB2在近40k时的超导电性，而且研究表明MgB2具有许多高温超导体所不具备的优点：能承受更高的电流密度，其相干长度长、磁性各向异性小。这些都意味着MgB2在不久的将来将能成为具有真正应用价值的超导体，超导磁悬浮产品的研究有望随之而产生较大的进展。

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

Magnetic Suspension Technology and its Engineering Application

XU Xiao-mei, ZHU Si-hong

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

Abstract: Magnetic suspension technology is a comprehensive technology involving various subjects. With the electronic technology, control engineering, signal processing component, electromagnetic theory, new electromagnetic material and rotor kinetics, magnetic suspension technology has been made considerable progresses and widely used in aviation, aerospace, precision type instrument, meter, machinery manufacture and traffic, and so on. For this reason, based on analyzing the principle of magnetic suspension technology and its characteristic, this article discusses the main applying conditions of magnetic suspension technology in the engineering, and forecasts its development prospect.

Key words: electromagnetic; magnetic suspension technology; engineering application; development prospect

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xjzm.html