永磁磁悬浮演示装置结构设计.docx

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永磁磁悬浮演示装置结构设计

题目：

永磁磁悬浮演示装置结构设计

永磁磁悬浮演示装置结构设计

摘要

永磁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的发展和转子动力学的进展,永磁磁悬浮技术得到了长足的发展。

目前国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。

它拥有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点。

本文设计的永磁磁悬浮演示装置主要用于展示永磁磁悬浮原理，通过该装置体现永磁磁悬浮零能耗悬浮、无电磁辐射等特点，从模型角度去研究该技术在列车、轴承等领域的运用可行性。

永磁悬浮，是运用永久磁铁与轨道相斥并保持在槽口中线可悬浮运行，导向轮可实现零磨擦运行，机械向能接近零磨擦。

主要是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。

关键词：

永磁；磁悬浮；演示装置；结构优化设计

Permanentmaglevdemonstrationdevicedesign

Abstract

Maglevtechnologyisaconcentrationofelectromagnetism,electronictechnology,controlengineering,signalprocessing,mechanics,dynamicsasoneofthetypicalelectromechanicalintegrationtechnology.Astheelectronictechnology,controlengineering,signalprocessingcomponent,electromagnetictheoryandtheprogressofthedevelopmentofnewelectromagneticmaterialandrotorkinetics,magneticsuspensiontechnologyhasbeenrapiddevelopment.Researchhotspotathomeandabroadisthemagneticsuspensionbearingandmaglevtrain,andthemostwidelyusedisamagneticlevitationbearing.Ithasnocontact,nofriction,longservicelife,nolubrication,andtheadvantagesofhighprecisionandotherspecial.Thisdesigndemonstrationofthepermanentmagneticlevitationdeviceismainlyusedforpermanentmagnetmagneticlevitationprinciple,throughthedevicereflectpermanentmaglevzeroenergyconsumptioncharacteristicsofsuspension,noelectromagneticradiation,fromtheperspectiveofthemodeltostudythetechnologyfeasibilityintrain,bearingintheareasofapplication.

Permanentmagneticlevitation,isusingthepermanentmagnetandtheorbitarerepellentandkeeptothemidlineoftherabbetsuspension,guidewheelcanrealizezerofriction,mechanicalfrictiontogetclosetozero.Mainlyusethemagnet"thesame,oppositesattract"thenatureofthemagnetshavetheabilitytoresistgravity,namely"magneticlevitation".

Keywords:

permanentmagnet;maglev;Demonstrationunit

第一章绪论

1.1永磁磁悬浮技术研究背景

磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个零摩擦、零接触的悬浮平衡的状态。

至今，以出现三种类型的磁悬浮技术。

一是以日本为代表的超导电动磁悬浮；二是以德国为代表的常导电式磁悬浮；三是中国的永磁磁悬浮。

其中，电磁磁悬浮技术简称EML技术，它主要是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。

一般通过线圈的交变电流为10000-1000000Hz。

另一种永磁磁悬浮技术是利用永久磁铁间的吸力和斥力代替电磁磁悬浮技术中洛伦磁力来实现悬浮技能，永磁磁悬浮技术不需要电力和其他任何动力支持。

目前，磁悬浮技术在工业上得到广泛运用，尤其是在磁悬浮列车领域内应用较为成熟。

（上述能否合为一段）

磁悬浮技术的研究是来源于德国，早在1922年电磁磁悬浮原理就被Hermannkemper先生提出来了，并在1934年申请了磁悬浮列车专利。

进入70年代后，随着工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，美国、日本、加拿大、法国、英国等国家继而开始筹划磁悬浮运输的开发。

根据当时轮轨极限速度理论，科研者认为，须采用新式运输系统，即不依赖轮轨。

这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来全都放弃，以至于目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮的研究，并且都取得了令人瞩目的进展。

目前，磁悬浮可分为三种主要的应用方式：

1、电磁吸引控制悬浮方式

电磁吸引控制方式是利用导磁与电磁铁之间的吸引力，绝大部分磁悬浮技术几乎都采用该技术。

虽然这种吸引力在原理上是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定数值上。

随着现代驱动元器件高性能和控制理论的发展，这种方式得到了广泛的运用。

同时，在此技术的基础上也有科研人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控的永久磁铁的方案，并作了深入研究。

这种方案可以大幅度的降低励磁损耗，甚至在额定悬浮高度时不需要能量，是一个非常值得注目的新技术。

2、感应斥力控制方式

感应斥力控制方式利用了磁铁或磁力线圈和短路线圈之间的斥力。

为了得到

斥力，励磁线圈和短路线圈之间须有相对的运动。

这种方式主要运用超导磁悬浮列车的悬浮装置中。

3、永久磁铁斥力悬浮方式

永久磁铁斥力悬浮控制方式是利用永久磁体间的斥力，一般产生的斥力为1kg/cm²。

根据磁铁材料的不同，其产生的斥力会随之变化。

但由于横定位移的不稳定因素，需要从力学角度来安排磁铁的位置。

随着稀土材料的普及，永久磁铁斥力悬浮方式将会被更多的应用到各个领域。

磁悬浮列车是现代高科技发展产物。

其原理是利用磁力抵消地球引力，通过直线电机进行直接牵引，使列车悬浮在轨道上运行。

其研究和制造涉及了自动控制、直线推进技术、电力电子技术、机械设计制造、故障的诊断和检修等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。

磁悬浮列车与普通的列车相比，具有低噪音、节能、高速高效和安全舒适的特点，有着“零高度飞行器”的美称，是一个具有广阔前景的新型交通工具。

磁悬浮列车根据其悬浮系统设计的不同，分为三大类型：

1、常导磁悬浮列车，以德国高速常导磁悬浮列车transrapid为代表。

Transrapiad是利用普通直流电磁铁电磁力吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右。

常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时500公里以上，适合用于城市之间的长距离运输。

图1-1德国Transrapid悬浮原理示意图

常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。

在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。

车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。

此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。

车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。

从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。

同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。

从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。

2、超导磁悬浮列车，以日本的MAGLEV为代表。

从悬浮技术上讲是电力悬浮系统（EDS）。

它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈互相作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100mm左右；每小时的速度可达到500公里以上。

图1-2日本MLU悬浮和导向原理示意图

超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。

超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。

超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。

当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。

其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。

与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。

为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。

超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。

但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。

同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。

［2］

图1-3常导与超导磁悬浮列车对比图

3、永磁磁悬浮列车，永磁磁悬浮列车是中国自主研发的永久磁体悬浮列车。

它是利用永磁材料的磁力实现车体的悬浮，不需要电力和其他任何动力的支持，实现了无能耗悬浮。

1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。

6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。

上海磁悬浮列车为常导磁悬浮列车。

在电磁力作用下，列车将悬浮在距离轨道约1厘米处运行，而实现这一功能的主要部件之一就是轨道梁，它既是承载列车的承重结构，又是浮起列车运行的导向结构。

上海磁悬浮列车系统全线总共有1400多根轨道梁，每根长约50米，重达350吨。

为了安装电磁设备，梁上要打28万个孔，每个孔的位置误差不得超过0.02毫米，不到一根头发丝的粗细。

由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造的，我国自行研制、设计、施工总投资达3000万元的第一条磁悬浮列车线路——青城山磁悬浮列车线路，已经于今年在青城山正式启动。

整个线路轨道由水泥横梁连接而成，全长419.925米。

磁悬浮列车长11.5米、宽2.6米、高3.3米，呈流线形，采用常导吸力式磁悬浮技术。

与上海的磁悬浮列车相比，两者除了悬浮原理基本一致外，完全是两种不同类型的磁浮技术。

时速不同上海采用的是德国磁浮技术用于城际交通，这决定了它的技术研究方向是高速度（上海磁浮列车的运行时速达430公里）。

而青城山磁浮列车的最高时速是100公里，主要运用于城市内部轨道交通。

常导与超导磁悬浮列车都需要用电力来产生磁悬浮浮力，相对于传统的轮轨式列车的优缺点是：

1、它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔；

2、低噪音、高速高效、乘坐舒适；

3、对电依耐性高，当断电或停电后发生的安全保障问题和制动问题需要解决；

4、常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度。

路基下沉量等方面要求较超导技术高；

5、能耗大，尤其超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，且需配有繁杂笨重的冷却系统，降低了列车的有效重量。

6、强的电磁场对人体和环境有影响。

永磁磁悬浮列车相比于常导电磁磁悬浮列车和超导电动磁悬浮列车，有如下特点：

1、悬浮力强，少量的磁体和特定的磁体排列方式产生的悬浮力已超过常导电磁磁悬浮列车和超导磁悬浮列车的悬浮力；

2、经济性好，一是结构简单，成本低；二是由于车体重量轻，因此有效负载能力大；

3、节能性强，无需消耗电能和其他任何能源，产生保持车体悬浮的悬浮力。

驱动系统效率高；

4、安全性好、可靠性高。

不会因为电路的故障发生事故；

5、平衡性稳定、特定的磁体排列方式不仅产生向上的悬浮力，而且会产生向下的吸附力，阻止车体颠簸

6、环境友好型列车。

无电磁辐射污染；无噪音污染；使用直流电机驱动，无排放气体污染。

7、适应性好。

即可载客也可卸货，即可市内交通也可城际快速交通。

应用广泛。

8、列车系统构造简单，使得现有铁路和地铁线路进行简单改造即可实现商业应用。

1.2磁悬浮技术的研究现状

目前，磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承两方面：

1、磁悬浮列车：

永磁磁悬浮,即永久磁铁与轨道（由电磁轨道或导磁材料）相斥并保持在槽口中线可悬浮运行，电磁导向可实现零磨擦运行，机械向能接近零磨擦。

永磁悬浮应用在交通优点是节能，它阻力系数约为滚动阻力的1/10，在100km/h运行速度内与汽车能耗比为1：

10。

永磁悬浮交通与有轨交通有着一样的安全性、永磁悬浮高度是工作在某区间近似弹簧受力状态的一种自由稳定悬浮。

电磁悬浮（如上海悬浮交通、日本超导悬浮列车方案）是不稳定悬浮。

要靠复杂的控制技术实现悬浮，即使控制做得非常完善也不能保证永无保障，永不失磁，永磁悬浮能实现永不失磁。

永磁悬浮交通设备结构就是电磁轨道与车体永磁条组件、永磁悬浮技术创新就是改变磁悬浮高技术、高制造成本、高精度难实施变为一般技术，低制造成本容易实施与普及推广大。

永磁磁悬浮是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。

科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。

这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：

一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

磁悬浮列车与当今的高速列车相比，具有许多无可比拟的优点：

由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，时速高达几百公里；磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪音小，当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪声只有65.6分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小；由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。

20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车试验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。

随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。

1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上的时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。

在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手。

1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段74km长的试验线上，创造了时速431km的日本最高纪录。

1999年4月，日本研制的超导磁悬浮列车在试验线上达到时速552km。

德国经过近20年的努力，技术上已趋于成熟，已具有建造运用的水平。

原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为248km，预计2003年正式投入营运。

但由于资金计划问题，2002年宣布停止了这一计划。

我国对磁悬浮列车的研究工作起步较晚，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。

1995年，我国第一条磁悬浮列车实验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人等时速为300km的试验。

西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术。

然而，2001年3月上海13.8km的磁悬浮列车开始营运，标志着我国成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。

2、磁悬浮轴承

①磁悬浮轴承工业应用

磁轴承主要应用对象有低轨道地球卫星和航天器中的超真空泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮和能量存储飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、环状悬浮定位系统以及反射镜的驱动机械装置等。

随着现代工业对加工精度要求的不断提高以及机床转速的增加，传统的滚动轴承和静压轴承均已明显地不能满足对支承的要求，其中尤以噪声、振动、发热及使用寿命的问题更为突出。

另外，在传统的轴承中，供油系统是必不可少的。

这不仅使结构更趋复杂，同时又产生了诸如污染等问题。

可幸的是上述问题在采用了磁轴承以后，均能获得圆满解决。

法国的S2M公司在数百台机床上成功地应用了磁轴承，包括各种高精度车床、铣床和磨床，而磨床方面的应用尤为突出。

在一般工业生产中第一个装有磁轴承的是德国Leybol-Heraeus公司发明的涡轮机驱动的真空泵，其额定转速达30,000r/min，工作气隙直径90mm，转子重7kg，高真空、高转速、长寿命。

在轻工业中，磁轴承主要应用于涡轮分子真空泵、离心机液态泵、纺织机主轴、小型低温压缩机、旋转光学境主轴、旋转阳极射线管、中子分选器等。

法国研制成功一台冶金实验用的小型超高速离心机，其转速达800,000r/min。

在重工业中，磁轴承也得到了应用。

德国ABB公司采用磁轴承系统研制成功第一台大型核能用部件，即MALVE实验循环器，其转子重2吨，功率400kw，外伸推进器直径1.25m。

由于磁轴承具有独特的优良性能，在能源工业中，特别是核能技术的研究中，它将发挥越来越大的作用。

此外，磁轴承在航海技术、纺织技术、医疗器械、电动机、发电机、喷气机、电度表、机器人技术、振动控制等方面都得到了应用。

②磁悬浮轴承国内外发展概况

磁轴承的发展与研究一直受到国内外工业界的广泛关注。

自1988年起，国际上每两年举行一届磁轴承国际会议，交流和研讨该领域的最新研究成果。

目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院（ETH），美国Maryland大学和Virginia大学、日本东京大学和英国Sussex大学等研究机构，以及法国S2M、瑞士IBAG、英国Glacier、美国Avcon、MTI、Satcon等生产厂家。

磁轴承在国外有较长的研究历史，目前已进入应用阶段：

1969年，法国军部实验室（LRBN）开始磁悬浮轴承研究，1972年将第一个磁悬浮轴承应用于卫星导向器飞轮支承上；美国在1983年11月搭载于航天飞机的欧洲空间实验舱采用了磁悬浮轴承真空泵；1995年，日本精工精机公司在意大利国际机床博览会上展出了采用了磁轴承主轴的机械加工中心MV--40B。

法国SEP公司的磁悬浮轴承产品，转速范围0-800,000r/min，转子直径14-600mm，单个轴承承载能力3,000～50,000N，使用温度范围-253～450℃。

美国Federal-Mogul公司生产的磁轴承转速在400～120,000r/min，最大线速度可达264m/s，轴向承载222kN，径向承载80kN。

从目前国外的应用状况来看，在高速旋转和高精度的应用场合，磁轴承具有极大的优越性，并已逐渐成为应用的主流。

我国对磁轴承的研究起步于80年代，国防科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、上海交通大学等均开展了相应的研究。

1994年，清华大学机电与控制实验室研制成功卧式五自由度磁轴承系统，转速高达53,200r/min，1997年成功进行了内圆磨削实验，1999年实现了数控，转速高达50,000r/min，回转精度lμm。

1996年，哈尔滨工业大学研制成功数控机床用高刚度磁力轴承主轴，主轴转速20,000r/min，磨头端部刚度20N/μm，轴承处径向静刚度169N/μm，主轴运动误差小于25μm，目前，正致力于磁轴承卫星飞轮应用技术的研究。

同时，西安交通大学研制成功用于涡轮膨胀机的磁轴承系统。

但到目前为止，开发的多数产品还处于实验室阶段，而且在承载刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。

国外磁轴承的价格十分昂贵，而且处于技术上保密的原因，不对国内进行小批量磁轴承的出售。

磁轴承能否产业化，其发展速度和水平关系着民族工业的前途，其市场潜力也非常巨大。

1.3本文的主要内容

本课题题目是永磁磁悬浮演示装置，其原理如图所示，A为与动子相连的某一永磁体，1~3为与A相邻的定子磁阵列上的永磁体。

当动子由于外力从图4中的位置下沉，则永磁体A也下沉。

从图4中的极性可以看出，永磁体A将受到永磁体2向上的吸引力，同时受到永磁体3向上的斥力，这向上的吸力和向上的斥力的共同作用阻止A下降，也就是阻止动子下降。

反过来当动子受到外力（如振动）而向上运动，则动子磁阵列也向上运动。

这时永磁体A受到永磁体2向下的吸力，同时受到永磁体1向下的斥力，这两个力的共同作用阻止永磁体A上升，也就是阻止动