磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

1、磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望1 引言    利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想是人類一個古老的夢。但實(shí)現(xiàn)起來并不容易。因?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機(jī)械學(xué)、動力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)(高新技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的進(jìn)展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是磁懸浮軸承和磁懸浮列車，而應(yīng)用最廣泛的是磁懸浮軸承。它的無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等特殊的優(yōu)點(diǎn)引起世界各國科學(xué)界的特別關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)界人士都對其傾注了極大的興趣和研究熱情。2

2、 磁懸浮原理    圖21為一簡單磁懸浮系統(tǒng)，它是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時(shí)傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。3 研究現(xiàn)狀        20世紀(jì)60年代，世

3、界上出現(xiàn)了3個載人的氣墊車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進(jìn)行研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn)，使原來十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為TR01型，該車在1 km軌道上時(shí)速達(dá)165 km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國是兩大競爭對手。1994年2月24日，日本的電動懸浮式磁懸浮列車，在宮崎一段74 km長的試驗(yàn)線上，創(chuàng)造了時(shí)速431 km的日本最高記錄。1999年4月日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車在實(shí)驗(yàn)線上達(dá)到時(shí)速552 km，德國經(jīng)

4、過20年的努力，技術(shù)上已趨成熟，已具有建造運(yùn)營線路的水平。原計(jì)劃在漢堡和柏林之間修建第一條時(shí)速為400 km的磁懸浮鐵路，總長度為248 km，預(yù)計(jì)2003年正式投入營運(yùn)。但由于資金計(jì)劃問題，2002年宣布停止了這一計(jì)劃。我國對磁懸浮列車的研究工作起步較遲，1989年3月，國防科技大學(xué)研制出我國第一臺磁懸浮試驗(yàn)樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為300 km的試驗(yàn)。西南交通大學(xué)這條試驗(yàn)線的建成，標(biāo)志我國已經(jīng)掌握了制造磁懸浮列車的技術(shù)，上海將輔設(shè)13.8 km的磁懸浮鐵路，那時(shí)我國將成為世界上第一個具有磁懸浮運(yùn)營

5、鐵路的國家。    當(dāng)前，國際上對磁懸浮軸承的研究工作也非常活躍。1988年召開了第一屆國際磁懸浮軸承會議，此后每兩年召開一次。1991年，美國航空航天管理局還召開了第一次磁懸浮技術(shù)在航天中應(yīng)用的討論會?，F(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和我國都在大力支持開展磁懸浮軸承的研究工作。國際上的這些努力，推動了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。    國內(nèi)對磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，落后外國約20年。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行了研究。此后，清華大學(xué)、西安交通

6、大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。    目前在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的基本上都是傳統(tǒng)的磁懸浮軸承(需要位置傳感器的磁懸浮軸承，這種軸承需要5個或10個非接觸式位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位移。由于傳感器的存在，使磁懸浮軸承系統(tǒng)的軸向尺寸變大、系統(tǒng)的動態(tài)性能降低，而且成本高、可靠性低。由于結(jié)構(gòu)的限制，傳感器不能裝在磁懸浮軸承的中間，使系統(tǒng)的控制方程相互耦合，控制器設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。此外，由于傳感器的價(jià)格較高，從而導(dǎo)致磁懸浮軸承的售價(jià)很高，大大限制了它在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。    如何降低磁懸浮軸承的價(jià)格，一直是

7、國際上的熱點(diǎn)研究課題。最近幾年，結(jié)合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領(lǐng)域的最新研究成果，誕生了一個全新的研究方向無傳感器的磁懸浮軸承。即不需要設(shè)計(jì)專門的位移傳感器，轉(zhuǎn)子的位移是根據(jù)電磁線圈上的電流和電壓信號而得到的。這類磁懸浮軸承在以下幾個方面得到了顯著的改善和提高：轉(zhuǎn)子的軸向尺寸變小，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到提高；進(jìn)一步提高了磁懸浮軸承的可靠性；便于設(shè)計(jì)磁懸浮軸承的控制器；價(jià)格會顯著下降。4 研究的方向和應(yīng)用前景    隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過多年的研究工作，國內(nèi)外對該項(xiàng)技術(shù)的研究都取得了很大的進(jìn)展。但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中

8、，該項(xiàng)技術(shù)都存在很多的難題，其中磁懸浮列車的技術(shù)難題是懸浮與推進(jìn)以及一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果。需要攻關(guān)的是組成系統(tǒng)的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)工程化。最近美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有機(jī)塑料聚合物同時(shí)具有磁性和超導(dǎo)性能 (10 K以下如果這種材料能進(jìn)一步提高超導(dǎo)溫度，并代替金屬磁體，將有助于超導(dǎo)磁懸浮列車的研究和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)營線路的輔設(shè)。懸浮磁軸承所需解決的難題則主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)和滿足轉(zhuǎn)子軸系動力特性上。在重視控制系統(tǒng)研究的同時(shí)，著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，從而更有效的改進(jìn)控制方法和策略；采用具有強(qiáng)魯棒性的滑?？刂?、模糊控制和

9、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的控制。    根據(jù)電磁鐵線圈上的電流和電壓信號檢測轉(zhuǎn)子位移主要有兩類方法：一是參數(shù)估計(jì)法，將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子間的氣隙看成是軸承和功率放大器的時(shí)變參數(shù)；另外一個是將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子看成一個整體，位移不是一個參數(shù)，而是一種狀態(tài)。Okada用解調(diào)技術(shù)研究了無傳感器的磁懸浮軸承，其不足是系統(tǒng)對開關(guān)功率放大器的占空比很敏感。外國科學(xué)家將磁懸浮軸承看成是一個兩端網(wǎng)絡(luò)，用線性狀態(tài)空間觀測器來表征狀態(tài)的位移，這種磁懸浮軸承系統(tǒng)的不足是控制器和觀測器的穩(wěn)定性差，很小的參數(shù)變化會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)?？茖W(xué)家引用線性參數(shù)估計(jì)設(shè)計(jì)了一套信號處理器，對開關(guān)

10、波形進(jìn)行解調(diào)，從而得到轉(zhuǎn)子的位移信號。Matsuda在電磁鐵上繞上兩組不同的線圈，一組是偏磁線圈，一組是控制線圈，將檢測到的控制線圈的電流頻率送入設(shè)計(jì)解調(diào)電路，就能得到轉(zhuǎn)子的位移信號，所研制的樣機(jī)在12 000 r/min下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行。由于偏磁線圈產(chǎn)生的磁場是恒定不變的靜磁場，主要靠控制線圈產(chǎn)生的動磁場來平衡外干擾的作用。故可用永久磁鐵來取代偏磁線圈提供靜磁場構(gòu)成混合磁懸浮軸承，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕且功率損耗小，特別適用于航空領(lǐng)域。    超導(dǎo)磁懸浮軸承的體積很小，卻有很大的承載能力。這方面的研究進(jìn)展在很大程度上依賴于超導(dǎo)材料的進(jìn)展。高溫超導(dǎo)陶瓷材料由于其固

11、有的屬性及具體加工技術(shù)的原因，實(shí)際應(yīng)用還十分有限。進(jìn)入21世紀(jì)，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)MgB2在近40 K的超導(dǎo)電性，接著我國科學(xué)家用Mg和超細(xì)硼粉在5 GPa,1 000條件下高壓燒結(jié)30 min得到MgB2化合物，對磁化強(qiáng)度進(jìn)行測量可以看到在39 K以上的陡峭的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。測量電阻實(shí)驗(yàn)，顯示了正常態(tài)的良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，這表明高壓合成手段對進(jìn)一步研究新型金屬間化合物超導(dǎo)體有促進(jìn)作用。近來研究結(jié)果表明MgB2具有許多高溫超導(dǎo)體所不具備的優(yōu)點(diǎn)，除了資源豐富，易于加工，材料成本低以外，MgB2的晶界遠(yuǎn)比高溫超導(dǎo)體內(nèi)晶界對超導(dǎo)電流的限制小，因而能承受更高的電流密度，其相干長度長，磁性各向異性小。這些都意

12、味著MgB2在不久的將來能夠成為有真正應(yīng)用價(jià)值的超導(dǎo)體，超導(dǎo)磁懸浮軸承的研究有望隨之而產(chǎn)生較大的進(jìn)展。    將磁懸浮軸承廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，一直是研究人員最終追求的目標(biāo)。而成本過高在一定程度上限制了它的推廣應(yīng)用，因而實(shí)用性的研究將加強(qiáng)，它的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化的步伐也將加快。到目前為止，它主要在三方面廣泛應(yīng)用，并證明了它無可估量的優(yōu)越性。一是真空超凈室技術(shù)：軸承不存在任何機(jī)械磨損，因而也不會引起相關(guān)的污染，必要時(shí)甚至可以使磁場力透過容器壁發(fā)生作用而將軸承安排在真空容器外面；二是機(jī)床：主要優(yōu)點(diǎn)是相對高承載能力條件下能夠保持高精度和高轉(zhuǎn)速；三是透平機(jī)械和離心機(jī)：優(yōu)點(diǎn)是能對振動以控制及阻尼，并獲得預(yù)定動態(tài)性能；由于沒有潤滑劑，因此也就不需要密封可進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。    磁