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磁悬浮列车,您了解吗?

磁悬浮列车,您了解吗?

 

1绪论

 

1.       1课题的提出

 

磁悬浮技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学于一体的技术。因其具有无摩擦、无接触,无噪声、无需润滑等优点,而被誉为支撑史上的革命。利用磁力使物体无接触悬浮于空间的设想,由来已久。早在1842年英国物理学家恩休(Eeanshow)就首先提出了磁悬浮的概念,并且从数学上证明了:在受力与距离的平方成反比的关系的恒力场中,单靠起重永磁铁本身是不能使一个铁磁体在空间所有6个自由度上都保持在自由、稳定的悬浮位置上的。到了1939年,BraunbekEarnshow的理论进行了进一步的物理剖析,得出唯有抗磁材料或超导材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构和相应的磁场分布而实现稳定的悬浮。这是一非常重要的结论,并构成今后开展磁悬浮轴承和磁悬浮列车研究的主导思想。

 

一百多年前,人类提出的利用磁场力来对物体进行无接触支承的想法,因受当时认识水平和技术条件的限制,一直没有很大的进展。20世纪初,悬浮理论的莫基者们最先在实验室中造成了物体在空间自由悬浮这一人类历史上长期视为神秘的现象。然而真正实现电磁悬浮,并把这一技术加以应用是近几十年的事。单纯使用起重永磁铁或超导体产生的悬浮称为“被动磁悬浮”(或“无源磁悬浮”),而使用电动或电磁方式产生的悬浮则为“主动磁悬浮”(或“有源磁悬浮”)。早期的悬浮支撑研究侧重于“被动磁悬浮”(Passive Magnetic Suspension),随着现代科学技术的飞速发展,电磁悬浮技术的研究开始转入“主动磁悬浮”(Active MagneticSuspension)阶段。特别是进入80年代,超导现象的发现首先应用于磁悬浮方面。超导技术与磁悬浮技术的结合,新材料,新工艺,新器件的出现以及现代控制技术的发展,使电磁悬浮技术趋于成熟,由理论研究阶段进入了实际应用的新阶段—磁悬浮支撑技术和磁悬浮列车技术两大实用领域。

 

磁悬浮轴承是利用磁力将转子无机械无摩擦地悬浮在空间的一种新型高性能轴承。由于具有无接触、无摩擦、振动小、不需要润滑、工作寿命长等优点,显著改善旋转机械的振动特性,可用于取代传统的高速滚动轴承和滑动轴承。使用磁浮轴承后,高速加工设备的主轴转速可大幅度提高(低则达每分钟几万转,超高速甚至达每分钟几十万转),不但满足机械高速、高效加工工业的需求,而且可利用磁浮轴承本身的传感器对加工状态进行监控。正是由于电磁轴承其独特的性能,电磁轴承的研究已越来越为世人所瞩目。

 

永磁、电磁混合的磁浮轴承系统,主要是由起重永磁铁所产生的磁场取代电磁铁偏磁电流产生的磁场,以减轻磁浮轴承定子和功率放大器的体积和重量,更重要的使可以大大降低整个磁轴承系统的功率损耗,实现磁轴承系统的小型化、轻行化。降低功耗的要求不仅适合于高速应用场合,且在航空领域尤为必要。80年代末至90年代初,美国航空航天局对“磁浮轴承在航空发动机上应用的可行性”进行的研究结果表明,仅取消原有滚动轴承的密封和润滑系统,就可以将发动机的重量减轻16%左右,效率提高5%,承载能力提高2-4;磁浮轴承需要功率小于100W。这足见磁轴承的优势。但需要指出的是:与主动磁悬浮轴承相比,无源磁悬浮系统虽具有结构简单、可靠、成本低等优点,可它却不能产生阻尼,亦即缺少象机械阻尼或象主动轴承那样的附加手段,因此这个系统的稳定域是很小的,外界的激扰的小变化也会使它趋于不稳定。同样,主动磁悬浮系统,由于采用了主动式反馈控制,其刚度和阻尼可以灵活的在线可调。但是其控制系统结构复杂,难度大,连续耗能多,铁损大,效率不高,是有源磁悬浮系统不容忽视的问题。在目前只需相对低廉的成本即可实现功能很强的控制的条件下,尽管人们还在对主动磁悬浮轴承进行研究,但从某种意义上说己将其弃之局外。特别是新材料的出现,人们开始着手研究混合磁悬浮系统,将“主动”和“被动”结合起来,相互取长补短,充分发挥磁悬浮技术的性能优势。因此,研究混合磁悬浮系统是十分有意义的。

 

本课题主要研究单自由度电磁和永磁混合型磁悬浮系统,它综合了纯主动和纯被动磁浮系统的优点,克服了纯被动磁浮系统可控度有限的约束,实现了通过调节控制器来改变悬浮刚体的刚度和阻尼的主动控制。对于本磁浮系统,首先系统稳定悬浮是基础、是关键,同时又兼顾到整个系统的功率损耗,采用电磁与永磁混合型的系统。多自由度悬浮体的悬浮机理同单自由度悬浮体基本相同。因此实现单自由度上的混合磁悬浮是混合磁悬浮研究的基础,它能为今后在多个自由度上的混合磁悬浮以及混合磁悬浮的实际应用提供一些参考。

 

1.       2国内外研究的历史和现状

 

人类从自然界的电闪雷鸣和天然磁石上开始注意到电磁现象。我国公元前3世际的《吕氏春秋》中,最早出现磁石引铁的记载,公元1世纪王充的《论衡》中最早把静电现象和静磁现象相并列,记载了“顿牟缀芥,磁石引针”,“司南之勺投之于地其柢指南”。1086年北宋科学家沈括著《梦溪笔谈》,},最早记述了指南针的制法和用途,这是人类最早利用磁现象的产品。在国外,1820年丹麦物理学家奥斯特发现电磁感应现象,法国的毕奥和萨伐尔得出了直流电元的磁力定律,阿拉戈发明了电磁铁。1825年英国人巴洛,斯特金制作的电磁铁其吸力为其自重(200g)的20倍。20世纪50年代初,人们己在实验室利用电磁感应原理把物体稳定的浮起,并进行了大量的理论研究。193 7年,肯珀(Kenpera)申请了第一个磁悬浮技术专利,提出了采用新的交通方法的可能,并做了一个实验,这正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。1938年又采用可控电磁铁对一重量为210kg的物体成功的实现了稳定磁悬浮y。同一时期,美国Virginia大学的BeamsHolmes也对磁悬浮理论进行了研究,他们采用电磁悬浮技术悬浮小钢球,并通过钢球高速旋转时能受的离心力来测定实验材料的强度,测量过程中钢球所达到的最高旋转速度为1.8 X 107r/min,在这一转速下,刚球由于离心力的作用而爆裂,他们据此来推算材料的强度极限(t(。这可能是最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展,20世纪60年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。1977年德国航空公司研制成功的KOMET型磁浮列车的时速360km。空间技术的飞速发展又推动了磁轴承的研究。据有关资料记载:1969年,法国军部科研实验室(LRBA)开始对磁悬浮轴承的研究;1972年,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上,从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后,磁悬浮轴承很快被应用到民用工业、国防、航天等各个领域。1977年,法国S2M公司开发了世界上第一台高速机床的磁悬浮主轴;美国在198311月搭载于航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵;1984年,S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司,在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。目前,国外己将电磁轴承应用在数百种不同的旋转或往复式运动机械上,如超高速磨床、铣床、离心机、透平压缩机、陀螺仪、航天器姿态控制装置、飞轮蓄能等装置。

 

19949月在瑞士召开的第四界国际电磁轴承会议上,电磁轴承已作为比较成熟的商业产品推向市场。磁悬浮技术涉及多个领域,多项技术交织在其中。研究和开发利用的难度较大,目前国内外对其的研究工作非常活跃且研究力度正在进一步加强。

 

我国对磁悬浮技术的研究起步较晚,磁悬浮轴承的研究始于60年代,但由于社会条件及技术水平的限制,在这方面的研究较国外晚20年。1986年广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FAM中的应用”这一课题进行研究。此后,山东科技大学磁悬浮研究所、清华大学、西安交通大学、国防科技大学等进行这方面的研究。但到目前为止,开发的多数产品还处于实验室阶段。磁悬浮技术应用于列车也是一个很有前景的研究领域,国防科大在磁悬浮列车方面的研究取得了瞩目成果。总之,国内外都对磁悬浮技术引起了高度重视。

 

鉴于随着现代科技技术的高速发展,如微处理器,功率放大器、传感器等元件的不断完善和新型材料的问世,都将使磁悬浮技术的应用成本降低且产品的性能更优越、更完善。可以预见磁悬浮技术在二十一世纪会得到更高级得发展和广泛得应用。

 

1.       3永磁、电磁混合磁悬浮系统简介

 

永磁、电磁混合磁悬浮系统主要由被控对象小球、电磁铁,起重永磁铁、光电传感器、控制器、功率放大器,旋转电路等部分组成。小球是系统中的被控对象,电磁铁是产生控制力的执行元件,位移信号转换电路、调节电路(PID调节器)和功率放大电路为系统的控制器。位置给定信号与反馈信号比较后,经调节电路送到功率放大电路。功率放大电路输出控制电流,经电磁铁转换为电磁力,以控制小球的位置。当小球受到干扰发生位移时,位移量由位置传感器检测后与给定信号比较,其差值再送到信号调节电路,重新调节电磁铁的磁力,使小球回到正常位置。

 

磁铁的作用是为实现小球在预定位置的稳定悬浮提供电磁力。当小球发生偏移时,位移偏移量由位移转换电路—位移传感器转换为电压信号送到调节电路和功率放大电路,输出一个控制电压或电流信号,调节电磁铁的电磁力,使小球回到原平衡位置。

 

电磁铁是一内置铁芯的螺线管,其铁芯采用导磁性能优良的软磁材料—硅钢片做成。材料的特性会影响电磁铁的性能,以及铁芯中的涡流大小。采用叠片式铁芯可减少涡流损耗。

 

控制器的核心部分是调节电路。调节电路可采用线性模拟电路,利用前馈或反馈方式构成适当的超前滞后电路(简称PID电路),达到增益和相位的补偿目的,从而满足系统要求。随着电子器件和计算机的迅猛发展,数字控制器,因其控制参数调节灵活等优点,而越来越多地被采用。

 

功率放大电路在控制器中主要是向电磁铁提供控制电流。电磁铁产生的电磁力是与电流的平方成正比,与位移的平方成反比,这使控制成为非线性问题。使用精度较高的平方转换器或者利用偏磁原理以及差动结构的电磁铁组(即一个自由度上设置一对电磁铁使之差动工作),可以使其转换为线性控制问题。功率放大电路将涉及类型的问题。功放的类型既决定了所采取的控制策略,也对整个系统的性能有一定的影响。

 

位移信号转换电路由两部分组成:位移传感器(信号检测)和前置器(信号变换器)。目前,采用的较多的是电涡流位移传感器。传感器分类标准不同,类型也不同,有电感式的、电容式的、接触式、非接触式的、差动型的、非差动型的等。

 

永磁、电磁混合磁悬浮系统的精度主要取决于位移传感器和位移信号变换器的精度,因而要求该部分的精度要高,温度稳定性要好。鉴于整个系统的结构特点,只要非接触型的传感器均可采用。

 

旋转控制电路,在小球实现稳定悬浮后,在小球正下方产生一旋转磁场,小球可以自动由悬浮到旋转,且通过调节控制器,可以实现旋转速度快慢的调节。

 

2单自由度永磁、电磁混合磁悬浮系统的数学描述

 

永磁、电磁混合磁悬浮系统是集电子技术、电磁学、自动控制、转子动力学,机械设计于一体的复杂机电综合系统。要分析研究这样一个系统,必须建立与之相应的数学模型,实际上精确地描述这样一个复杂的数学方程是很难的。对于单自由度磁悬浮系统常用的分析方法是在悬浮体的平衡点附近对系统进行线性简化,对实际系统在一定范围内的近似,在该范围内系统不会有太大的误差。

 

单自由度磁悬浮系统工作原理

 

单自由度磁悬浮系统主要由被控对象、电磁铁,起重永磁体、光电传感器、控制功率放大器,旋转电路等部分组成。利用磁力克服小球的重力,使小球实现稳定悬浮。线圈中通以电流产生电磁力,电磁力的大小与电流的平方成正比,与磁悬浮距离的平方成反比,由于磁悬浮系统本质不稳定,要求电磁铁中电流随小球位移的变化而实时改变,以使电磁力和小球重力平衡,这就需要对系统实现反馈闭环控制。由光电位移传感器检测小球的位移变化,当小球悬浮在不同位置时,传感器输出不同的信号。在小球的下方有旋转控制电路,产生旋转磁场,通过调节旋转控制器,可以实现旋转速度快慢的调节。

 

2.1系统理论数学模型的建立

 

数学模型是自动化学科的根本,反映了人们对于控制对象的认识理解程度。对于控制系统中某一个过程或对象,其控制性能的好坏,关键在于数学模型建立得是否成功。因此,在设计过程中,我们把相当的精力投入到数学模型的建立上来,较深入地讨论了电磁、永磁构成的混合磁场的磁场分布和吸力特性。

 

2.2磁化曲线分析

 

在永磁磁路中,起重永磁铁相当于一个磁势的作用,同时它又具有磁阻。计算时磁路的克希荷夫定律仍然普遍适用。

 

根据起重永磁铁工作状态的不同,可分为两种情况:其一为工作过程中磁路内的磁阻是不变的,并且起重永磁铁的工作点处于退磁曲线上,并且起重永磁铁的工作点处于退磁曲线上,起重永磁铁是在装配后充磁并且充磁后不再经受磁性稳定的退磁处理:其二为工作过程中,磁路磁阻是变化的或者磁路内有其他变化磁势。此时,起重永磁铁的工作点处于回复线上,如永磁吸盘、永磁电机、极化式继电器、磁电机等。经过磁性稳定处理的永磁磁路也属于这一类。前一种工作状态称为“静态式”,而后一种称为“动态式”。绝大多数的电器和电机中起重永磁铁的工作状态都属于后者。

 

起重永磁铁工作在退磁曲线上的一点。如果有一干扰磁场使磁铁退磁,使工作点沿退磁曲线下降,然后,当此干扰磁场消失后,磁铁的工作点不会再回到此点,而是沿回复线上升到另一点。由此可见,在干扰磁场作用的前后,磁铁的磁通密度将下降,因而使工作气隙中的磁通发生变化。

 

磁悬浮列车,您了解了吗?


标签:   起重永磁铁 永磁吸盘
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点击次数:  更新时间:2018-02-27 09:55:13  【打印此页】  【关闭