永磁磁悬浮演示装置结构设计Word文件下载.docx
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第一章绪论
1、1永磁磁悬浮技术研究背景
磁悬浮就是利用悬浮磁力使物体处于一个零摩擦、零接触得悬浮平衡得状态。
至今,以出现三种类型得磁悬浮技术。
一就是以日本为代表得超导电动磁悬浮;
二就是以德国为代表得常导电式磁悬浮;
三就是中国得永磁磁悬浮。
其中,电磁磁悬浮技术简称EML技术,它主要就是利用高频电磁场在金属表面产生得涡流来实现对金属球得悬浮。
一般通过线圈得交变电流为1Hz。
另一种永磁磁悬浮技术就是利用永久磁铁间得吸力与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与其她任何动力支持。
目前,磁悬浮技术在工业上得到广泛运用,尤其就是在磁悬浮列车领域内应用较为成熟。
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磁悬浮技术得研究就是来源于德国,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得不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展得需要,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得开发。
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得科研部门得兴趣,但后来全都放弃,以至于目前只有德国与日本仍在继续进行磁悬浮得研究,并且都取得了令人瞩目得进展。
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目前,磁悬浮可分为三种主要得应用方式:
1、电磁吸引控制悬浮方式
电磁吸引控制方式就是利用导磁与电磁铁之间得吸引力,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就是一种不稳定得力,但通过控制电磁铁电流得大小,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与控制理论得发展,这种方式得到了广泛得运用。
同时,在此技术得基础上也有科研人员提出了把需要大电流励磁得电磁铁部分替换成可控得永久磁铁得方案,并作了深入研究。
这种方案可以大幅度得降低励磁损耗,甚至在额定悬浮高度时不需要能量,就是一个非常值得注目得新技术。
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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与短路线圈之间得斥力。
为了得到
斥力,励磁线圈与短路线圈之间须有相对得运动。
这种方式主要运用超导磁悬浮列车得悬浮装置中。
3、永久磁铁斥力悬浮方式
永久磁铁斥力悬浮控制方式就是利用永久磁体间得斥力,一般产生得斥力为1kg/cm²
。
根据磁铁材料得不同,其产生得斥力会随之变化。
但由于横定位移得不稳定因素,需要从力学角度来安排磁铁得位置。
随着稀土材料得普及,永久磁铁斥力悬浮方式将会被更多得应用到各个领域。
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磁悬浮列车就是现代高科技发展产物。
其原理就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。
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其研究与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、故障得诊断与检修等众多学科,技术十分复杂,就是一个国家科技实力与工业水平得重要标志。
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磁悬浮列车与普通得列车相比,具有低噪音、节能、高速高效与安全舒适得特点,有着“零高度飞行器”得美称,就是一个具有广阔前景得新型交通工具。
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磁悬浮列车根据其悬浮系统设计得不同,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就是利用普通直流电磁铁电磁力吸力得原理将列车悬起,悬浮得气隙较小,一般为10mm左右。
常导型高速磁悬浮列车得速度可达每小时500公里以上,适合用于城市之间得长距离运输。
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图1-1德国Transrapid悬浮原理示意图
常导磁悬浮列车工作时,首先调整车辆下部得悬浮与导向电磁铁得电磁吸力,与地面轨道两侧得绕组发生磁铁反作用将列车浮起。
在车辆下部得导向电磁铁与轨道磁铁得反作用下,使车轮与轨道保持一定得侧向距离,实现轮轨在水平方向与垂直方向得无接触支撑与无接触导向。
车辆与行车轨道之间得悬浮间隙为10毫米,就是通过一套高精度电子调整系统得以保证得。
此外由于悬浮与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。
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常导磁悬浮列车得驱动运用同步直线电动机得原理。
车辆下部支撑电磁铁线圈得作用就像就是同步直线电动机得励磁线圈,地面轨道内侧得三相移动磁场驱动绕组起到电枢得作用,它就像同步直线电动机得长定子绕组。
从电动机得工作原理可以知道,当作为定子得电枢线圈有电时,由于电磁感应而推动电机得转子转动。
同样,当沿线布置得变电所向轨道内侧得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得“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得牵引与制动。
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2、超导磁悬浮列车,以日本得MAGLEV为代表。
从悬浮技术上讲就是电力悬浮系统（EDS）。
它就是利用超导磁体产生得强磁场,列车运行时与布置在地面上得线圈互相作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100mm左右;
每小时得速度可达到500公里以上。
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图1-2日本MLU悬浮与导向原理示意图
超导磁悬浮列车得最主要特征就就是其超导元件在相当低得温度下所具有得完全导电性与完全抗磁性。
超导磁铁就是由超导材料制成得超导线圈构成,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得强大电流,这种特性使其能够制成体积小功率强大得电磁铁。
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超导磁悬浮列车得车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车得驱动绕组与悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上得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与悬浮导向超导磁铁三部分组成。
当向轨道两侧得驱动绕组提供与车辆速度频率相一致得三相交流电时,就会产生一个移动得电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上得车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步得推力,正就是这种推力推动列车前进。
其原理就像冲浪运动一样,冲浪者就是站在波浪得顶峰并由波浪推动她快速前进得。
与冲浪者所面对得难题相同,超导磁悬浮列车要处理得也就是如何才能准确地驾驭在移动电磁波得顶峰运动得问题。
为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置得高精度仪器,根据探测仪传来得信息调整三相交流电得供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
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超导磁悬浮列车也就是由沿线分布得变电所向地面导轨两侧得驱动绕组提供三相交流电,并与列车下面得动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引与制动。
但地面导轨两侧得悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该绕组时,列车超导磁铁得强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此在其感应电流与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得间隙,使其始终保持100毫米得悬浮间隙。
同时,与悬浮绕组呈电气连接得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。
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图1-3常导与超导磁悬浮列车对比图
3、永磁磁悬浮列车,永磁磁悬浮列车就是中国自主研发得永久磁体悬浮列车。
它就是利用永磁材料得磁力实现车体得悬浮,不需要电力与其她任何动力得支持,实现了无能耗悬浮。
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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公里得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,共同研制得长为6、5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位得6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线得轨距为2米、长36米、设计时速为100公里得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得研制成功,为低速常导磁悬浮列车得研究提供了技术基础,填补了我国在磁悬浮列车技术领域得空白。
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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,而实现这一功能得主要部件之一就就是轨道梁,它既就是承载列车得承重结构,又就是浮起列车运行得导向结构。
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,每个孔得位置误差不得超过0、02毫米,不到一根头发丝得粗细。
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由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造得,我国自行研制、设计、施工总投资达3000万元得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。
与上海得磁悬浮列车相比,两者除了悬浮原理基本一致外,完全就是两种不同类型得磁浮技术。
时速不同上海采用得就是德国磁浮技术用于城际交通,这决定了它得技术研究方向就是高速度（上海磁浮列车得运行时速达430公里）。
而青城山磁浮列车得最高时速就是100公里,主要运用于城市内部轨道交通。
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常导与超导磁悬浮列车都需要用电力来产生磁悬浮浮力,相对于传统得轮轨式列车得优缺点就是:
1、它克服了传统轮轨铁路提高速度得主要障碍,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得安全保障问题与制动问题需要解决;
4、常导磁悬浮技术得悬浮高度较低,因此对线路得平整度。
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,且需配有繁杂笨重得冷却系统,降低了列车得有效重量。
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6、强得电磁场对人体与环境有影响。
永磁磁悬浮列车相比于常导电磁磁悬浮列车与超导电动磁悬浮列车,有如下特点:
1、悬浮力强,少量得磁体与特定得磁体排列方式产生得悬浮力已超过常导电磁磁悬浮列车与超导磁悬浮列车得悬浮力;
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2、经济性好,一就是结构简单,成本低;
二就是由于车体重量轻,因此有效负载能力大;
3、节能性强,无需消耗电能与其她任何能源,产生保持车体悬浮得悬浮力。
驱动系统效率高;
4、安全性好、可靠性高。
不会因为电路得故障发生事故;
5、平衡性稳定、特定得磁体排列方式不仅产生向上得悬浮力,而且会产生向下得吸附力,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,使得现有铁路与地铁线路进行简单改造即可实现商业应用。
1、2磁悬浮技术得研究现状
目前,磁悬浮技术得大规模应用主要集中在磁悬浮列车与磁悬浮轴承两方面:
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就是节能,它阻力系数约为滚动阻力得1/10,在100km/h运行速度内与汽车能耗比为1:
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永磁悬浮交通与有轨交通有着一样得安全性、永磁悬浮高度就是工作在某区间近似弹簧受力状态得一种自由稳定悬浮。
电磁悬浮（如上海悬浮交通、日本超导悬浮列车方案）就是不稳定悬浮。
要靠复杂得控制技术实现悬浮,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就是电磁轨道与车体永磁条组件、永磁悬浮技术创新就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。
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永磁磁悬浮就是运用磁铁“同性相斥,异性相吸”得性质,使磁铁具有抗拒地心引力得能力,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。
这就就是所谓得“磁悬浮列车”,亦称之为“磁垫车”。
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由于磁铁有同性相斥与异性相吸两种形式,故磁悬浮列车也有两种相应得形式:
一种就是利用磁铁同性相斥原理而设计得电磁运行系统得磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成得磁场与轨道上线圈形成得磁场之间所产生得相斥力,使车体悬浮运行得铁路;
另一种则就是利用磁铁异性相吸原理而设计得电动力运行系统得磁悬浮列车,它就是在车体底部及两侧倒转向上得顶部安装磁铁,在T形导轨得上方与伸臂部分下方分别设反作用板与感应钢板,控制电磁铁得电流,使电磁铁与导轨间保持10—15毫米得间隙,并使导轨钢板得排斥力与车辆得重力平衡,从而使车体悬浮于车道得导轨面上运行。
磁悬浮列车与当今得高速列车相比,具有许多无可比拟得优点:
由于磁悬浮列车就是轨道上行驶,导轨与机车之间不存在任何实际得接触,成为“无轮”状态,故其几乎没有轮、轨之间得摩察,时速高达几百公里;
磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低,其能源消耗仅就是汽车得一半、飞机得四分之一;
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,比汽车驶过得声音还小;
由于它以电为动力,在轨道沿线不会排放废气,无污染,就是一种名副其实得绿色交通工具。
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20世纪60年代,世界上出现了3个载人得气垫车试验系统,它就是最早对磁悬浮列车进行研究得系统。
随着技术得发展,特别就是固体电子学得出现,使原来十分庞大得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得可能。
1969年,德国牵引机车公司得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轨道上得时速达165km,这就是磁悬浮列车发展得第一个里程碑。
在制造磁悬浮列车得角逐中,日本与德国就是两大竞争对手。
1994年2月24日,日本得电动悬浮式磁悬浮列车,在宫崎一段74km长得试验线上,创造了时速431km得日本最高纪录。
1999年4月,日本研制得超导磁悬浮列车在试验线上达到时速552km。
德国经过近20年得努力,技术上已趋于成熟,已具有建造运用得水平。
原计划在汉堡与柏林之间修建第一条时速为400km得磁悬浮铁路,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。
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我国对磁悬浮列车得研究工作起步较晚,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、驱动控制与载人等时速为300km得试验。
西南交通大学这条试验线得建成,标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车得技术。
然而,2001年3月上海13、8km得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得国家。
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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与航天器中得超真空泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮与能量存储飞轮、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得驱动机械装置等。
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随着现代工业对加工精度要求得不断提高以及机床转速得增加,传统得滚动轴承与静压轴承均已明显地不能满足对支承得要求,其中尤以噪声、振动、发热及使用寿命得问题更为突出。
另外,在传统得轴承中,供油系统就是必不可少得。
这不仅使结构更趋复杂,同时又产生了诸如污染等问题。
可幸得就是上述问题在采用了磁轴承以后,均能获得圆满解决。
法国得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、铣床与磨床,而磨床方面得应用尤为突出。
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在一般工业生产中第一个装有磁轴承得就是德国Leybol-Heraeus公司发明得涡轮机驱动得真空泵,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得小型超高速离心机,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得优良性能,在能源工业中,特别就是核能技术得研究中,它将发挥越来越大得作用。
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。
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②磁悬浮轴承国内外发展概况
磁轴承得发展与研究一直受到国内外工业界得广泛关注。
自1988年起,国际上每两年举行一届磁轴承国际会议,交流与研讨该领域得最新研究成果。
目前较为活跃并处于领先地位得主要有瑞士联邦工学院（ETH）,美国Maryland大学与Virginia大学、日本东京大学与英国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得研究历史,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月搭载于航天飞机得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得机械加工中心MV--40B。
法国SEP公司得磁悬浮轴承产品,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公司生产得磁轴承转速在400～120,000r/min,最大线速度可达264m/s,轴向承载222kN,径向承载80kN。
从目前国外得应用状况来瞧,在高速旋转与高精度得应用场合,磁轴承具有极大得优越性,并已逐渐成为应用得主流。
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我国对磁轴承得研究起步于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得研究。
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得研究。
同时,西安交通大学研制成功用于涡轮膨胀机得磁轴承系统。
但到目前为止,开发得多数产品还处于实验室阶段,而且在承载刚度与承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。
国外磁轴承得价格十分昂贵,而且处于技术上保密得原因,不对国内进行小批量磁轴承得出售。
磁轴承能否产业化,其发展速度与水平关系着民族工业得前途,其市场潜力也非常巨大。
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1、3本文得主要内容
本课题题目就是永磁磁
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