磁悬浮百科

什么是磁悬浮?

磁悬浮,即磁悬浮技术(electromagnetic levitation, electromagnetic suspension)简称EML技术(或EMS技术),是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。

磁悬浮技术的主要原理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。

磁悬浮技术实现形式比较多,主要可以分为系统自稳的被动悬浮和系统不能自稳的主动悬浮等。目前世界上有三种类型的磁悬浮:一是以德国为代表的常导电式磁悬浮,二是以日本为代表的超导电动磁悬浮,这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。三是我国的永磁悬浮,它利用特殊的永磁材料,不需要任何其他动力支持。

常导电式磁悬浮原理图

永磁原理图

超磁悬浮原理图

磁悬浮发展史

磁悬浮看起来简单,但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于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。伴随着电子技术、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一步的研究,磁悬浮随之解开了其神秘一方面。

1820年,丹麦物理学家H c奥斯特发现了电流的磁感应现象,法国的J B毕奥和F萨伐尔得出了直流电流元的磁力定律,D F阿拉戈发明了电磁铁。

1842年,英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念,同时指出:单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。

1900年,美国,法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想–也就是磁悬浮的早期模型。

1922年由德国工程师赫尔曼•肯佩尔提出了磁悬浮原理,是磁悬浮技术最早的起源。并于1934年申请了磁悬浮列车这一的专利。

20世纪60年代中期,磁悬浮支承技术的研究进入了一个全新的时期,在英国、日本和德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。

1972年,法国成功地研制出了世界上第一套完整的电磁悬浮系统并用于通讯卫星导向飞轮的支承上。

1976年,法国SEP公司和SKF公司联合成立了S2M公司,发展成为世界上最大的电磁轴承生产销售商,专门开发航天和工业应用的各种电磁轴承。

1977年,德国的MBB公司研制的磁悬浮列车KOMET在其试验轨道上所达到的时速高达360 km/h。

1983年,美国搭载于航天飞机上的欧洲空间实验舱里采用了电磁轴承真空泵。

1984年,S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁轴承公司,在日本生产、销售涡轮分子泵和磁悬浮机床电主轴等,同年日本另一家NTN东洋公司也推出了高速磁悬浮铣削头。

1988年,召开了第一届国际磁悬浮轴承会议,此后每两年召开一次。

1989年,中国国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。

1991年,美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。

1995年,中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成。

2002年, 日本、澳洲研制的超音速8—10M的飞机上,采用磁悬浮轴承对减轻发动机重量。

2003年,全球首台磁悬浮压缩机诞生

2006年,中国第一台磁悬浮中央空调在海尔诞生

2009年至今,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。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注,国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。

 

技术原理

磁悬浮技术的系统,是由转子、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。假设在参考位置上,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。

 

磁悬浮原理图

磁悬浮应用

遥望过去,磁悬浮技术即将迎来200年的诞辰,磁悬浮技术已在不少领域崭露头角,小至生活用品,大至航天航空与工业生产等。

在生活方面,磁悬浮技术已运用于如工艺品、滑板、盆栽、音响等生活产品。在半导体制造业,钢铁制造业和汽车制造业等大规模工业以及军事、航天航空等等行业中也已开始应用于数百种不同的旋转或往复运动机械上,如斯特林制冷机(红外夜视)、热汽机(潜艇)、斯特林热泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机、真空泵等。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。

1.磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。与普通轮轨列车相比,磁悬浮列车具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点,有着“零高度飞行器”的美誉,是一种具有广阔前景的新型交通工具,特别适合城市轨道交通。而其研究和制造涉及众多学科,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。

 

2.磁悬浮轴承

磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,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、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。目前磁悬浮轴承已在工业制造、国防、航天等领域得到了广泛应用。

 

(图片来源:弗戈工业在线)

3.磁悬浮中央空调

从上世纪末开始,磁悬浮技术被研发和创新并逐渐应用于中央空调机组。磁悬浮中央空调具有无油、节能、低噪音、长寿命等等方面的优势,恰好解决了传统中央空调产品的弊端,使得磁悬浮中央空调具有充分的市场发展前景和空间。目前全球可制造磁悬浮中央空调的企业仅有几家,而海尔早在2006研发出磁悬浮中央空调,应用案例遍布全球,成为行业内产品系列全、技 术水平卓越的领军企业。

 

4.磁悬浮工作台

磁悬浮工作台也是磁悬浮技术主要应用之一。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.磁悬浮工艺品

磁悬浮工艺生产技术,是运用到我国特有的一种磁悬浮技术,永磁悬浮技术来实现的,它利用特殊的永磁材料,通过灵敏的传感器与高精密电路,随时“感知”悬浮物体位置高低的变化,并即时调整磁力线圈的电流强弱,使物体维持稳定的状态。由于物品是在县浮状态,所以摩擦系数趋近于零,只要周遭空气有些带动,便能悬浮物体顺势转动。

 

磁悬浮电灯
(图片来源:互动百科)

磁悬浮未来

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,经过多年的研究工作,国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,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,它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。

磁悬浮轴承面向电力工程的应用也具有广阔的前景,根据磁悬浮轴承的原理,研制大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次数;进行以磁悬浮轴承系统为基础的振动控制理论的研究,将其应用于汽轮机转子的振动和故障分析中;通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想,从而改善转子运行的动态特性,避免共振,提高机组运行的可靠性等,这些都将为解决电力工程中的技术难题提供崭新的思路。

 

磁悬浮超跑
(图片来源:KONBINI)