本文摘要：［摘 要］文中介紹了磁懸浮原理、磁懸浮列車和磁懸浮軸承的研究和應用，指出了磁懸浮研究的方向。由于有機體同時具有磁性和超導性、金屬間化合物MgB2新超導轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)現(xiàn)，超導磁懸

［摘 要］文中介紹了磁懸浮原理、磁懸浮列車和磁懸浮軸承的研究和應用，指出了磁懸浮研究的方向。由于有機體同時具有磁性和超導性、金屬間化合物MgB2新超導轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)現(xiàn)，超導磁懸浮技術(shù)有望產(chǎn)生新的突破。
［關(guān)鍵詞］磁懸浮列車；磁懸浮軸承；超導

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。但實現(xiàn)起來并不容易。因為磁懸浮技術(shù)是集電磁學、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機械學、動力學為一體的典型的機電一體化技術(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)子動力學的進展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前國內(nèi)外研究的熱點是磁懸浮軸承和磁懸浮列車，而應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)點引起世界各國科學界的特別關(guān)注，國內(nèi)外學者和企業(yè)界人士都對其傾注了極大的興趣和研究熱情。

2 磁懸浮原理

圖2—1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，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，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60年代，世界上出現(xiàn)了3個載人的氣墊車實驗系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進行研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學的出現(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)提供了實現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機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軌道上時速達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長的試驗線上，創(chuàng)造了時速431 km的日本最高記錄。1999年4月日本研制的超導磁懸浮列車在實驗線上達到時速552 km，德國經(jīng)過20年的努力，技術(shù)上已趨成熟，已具有建造運營線路的水平。原計劃在漢堡和柏林之間修建第一條時速為400 km的磁懸浮鐵路，總長度為248 km，預計2003年正式投入營運。但由于資金計劃問題，2002年宣布停止了這一計劃。我國對磁懸浮列車的研究工作起步較遲，1989年3月，國防科技大學研制出我國第一臺磁懸浮試驗樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車試驗線在西南交通大學建成，并且成功進行了穩(wěn)定懸浮、導向、驅(qū)動控制和載人運行等時速為300 km的試驗。西南交通大學這條試驗線的建成，標志我國已經(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，那時我國將成為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家。

當前，國際上對磁懸浮軸承的研究工作也非?；钴S。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)在航天中應用的討論會。現(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)上的廣泛應用。

國內(nèi)對磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實驗室階段，落后外國約20年。1986年，廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學首先對“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應用”這一課題進行了研究。此后，清華大學、西安交通大學、天津大學、山東科技大學、南京航空航天大學等都在進行這方面的研究工作。

目前在工業(yè)上得到廣泛應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)計更為復雜。此外，由于傳感器的價格較高，從而導致磁懸浮軸承的售價很高，大大限制了它在工業(yè)上的推廣應用。

如何降低磁懸浮軸承的價格，一直是國際上的熱點研究課題。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；進一步提高了磁懸浮軸承的可靠性；便于設(shè)計磁懸浮軸承的控制器；價格會顯著下降。

4 研究的方向和應用前景

隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動力學的發(fā)展，經(jīng)過多年的研究工作，國內(nèi)外對該項技術(shù)的研究都取得了很大的進展。但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中，該項技術(shù)都存在很多的難題，其中磁懸浮列車的技術(shù)難題是懸浮與推進以及一套復雜的控制系統(tǒng)，它的實現(xiàn)需要運用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機、機械結(jié)構(gòu)、計算機、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)和實現(xiàn)工程化。最近美國科學家發(fā)現(xiàn)有機塑料聚合物同時具有磁性和超導性能［1］(10 K以下)如果這種材料能進一步提高超導溫度，并代替金屬磁體，將有助于超導磁懸浮列車的研究和實現(xiàn)遠距離運營線路的輔設(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，著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學分析，從而更有效的改進控制方法和策略；采用具有強魯棒性的滑?？刂?、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，實現(xiàn)對復雜轉(zhuǎn)子動力學特性的控制。

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。Mizuno、Bleuler和Vischer等人將磁懸浮軸承看成是一個兩端網(wǎng)絡，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魯棒性差，很小的參數(shù)變化會導致系統(tǒng)失穩(wěn)。Myounggyu引用線性參數(shù)估計設(shè)計了一套信號處理器，對開關(guān)波形進行解調(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)計解調(diào)電路，就能得到轉(zhuǎn)子的位移信號，所研制的樣機在12 000 r/min下實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。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。這方面的研究進展在很大程度上依賴于超導材料的進展。高溫超導陶瓷材料由于其固有的屬性及具體加工技術(shù)的原因，實際應用還十分有限［2］。進入21世紀，日本科學家發(fā)現(xiàn)MgB2在近40 K的超導電性，接著我國科學家用Mg和超細硼粉在5 GPa,1 000℃條件下高壓燒結(jié)30 min得到MgB2化合物［3］，對磁化強度進行測量可以看到在39 K以上的陡峭的超導轉(zhuǎn)變。測量電阻實驗，顯示了正常態(tài)的良好的導電性和超導轉(zhuǎn)變，這表明高壓合成手段對進一步研究新型金屬間化合物超導體有促進作用。近來研究結(jié)果表明MgB2［4～7］具有許多高溫超導體所不具備的優(yōu)點，除了資源豐富，易于加工，材料成本低以外，MgB2的晶界遠比高溫超導體內(nèi)晶界對超導電流的限制小，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。這些都意味著MgB2在不久的將來能夠成為有真正應用價值的超導體，超導磁懸浮軸承的研究有望隨之而產(chǎn)生較大的進展。

將磁懸浮軸承廣泛應用于工業(yè)設(shè)備，一直是研究人員最終追求的目標。而成本過高在一定程度上限制了它的推廣應用，因而實用性的研究將加強，它的產(chǎn)品化和標準化的步伐也將加快。到目前為止，它主要在三方面廣泛應用，并證明了它無可估量的優(yōu)越性。一是真空超凈室技術(shù)：軸承不存在任何機械磨損，因而也不會引起相關(guān)的污染，必要時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；二是機床：主要優(yōu)點是相對高承載能力條件下能夠保持高精度和高轉(zhuǎn)速；三是透平機械和離心機：優(yōu)點是能對振動以控制及阻尼，并獲得預定動態(tài)性能；由于沒有潤滑劑，因此也就不需要密封可進一步簡化結(jié)構(gòu)。

磁懸浮軸承面向電力工程的應用也具有廣闊的前景，根據(jù)磁懸浮軸承的原理，研制大功率的磁懸浮軸承和飛輪儲能系統(tǒng)以減少調(diào)峰時機組啟停次數(shù)；進行以磁懸浮軸承系統(tǒng)為基礎(chǔ)的振動控制理論的研究，將其應用于汽輪機轉(zhuǎn)子的振動和故障分析中；通過調(diào)整磁懸浮軸承的剛度來改變汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想，從而改善轉(zhuǎn)子運行的動態(tài)特性，避免共振，提高機組運行的可靠性等，這些都將為解決電力工程中的技術(shù)難題提供嶄新的思路。

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