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磁悬浮技术的应用现状与展望
作者:长安大学 张士勇
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滑动轴承展厅
自润滑轴承, 含油轴承, 无油轴承, 固体镶嵌轴承, 双金属轴承, ...
[摘 要]文中介绍了磁悬浮原理、磁悬浮列车和磁悬浮轴承的研究和应用,指出了磁悬浮研究的方向。由于有机体同时具有磁性和超导性、金属间化合物MgB2新超导转变温度的发现,超导磁悬浮技术有望产生新的突破。
[关键词]磁悬浮列车;磁悬浮轴承;超导

1 引言

利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦。但实现起来并不容易。因为磁悬浮技术是集电磁学、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技术(高新技术)。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展,磁悬浮技术得到了长足的发展。目前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。

2 磁悬浮原理

图2—1为一简单磁悬浮系统,它是由转子、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。

3 研究现状

20世纪60年代,世界上出现了3个载人的气垫车实验系统,它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展,特别是固体电子学的出现,使原来十分庞大的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的可能。1969年,德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型,以后命名为TR01型,该车在1 km轨道上时速达165 km,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。在制造磁悬浮列车的角逐中,日本和德国是两大竞争对手。1994年2月24日,日本的电动悬浮式磁悬浮列车,在宫崎一段74 km长的试验线上,创造了时速431 km的日本最高记录。1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速552 km,德国经过20年的努力,技术上已趋成熟,已具有建造运营线路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400 km的磁悬浮铁路,总长度为248 km,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。我国对磁悬浮列车的研究工作起步较迟,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试验线在西南交通大学建成,并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300 km的试验。西南交通大学这条试验线的建成,标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术,上海将辅设13.8 km的磁悬浮铁路,那时我国将成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。

当前,国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。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。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。现在,美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力,推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。

国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚,尚处于实验室阶段,落后外国约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FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后,清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。

目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承),这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在,使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低,而且成本高、可靠性低。由于结构的限制,传感器不能装在磁悬浮轴承的中间,使系统的控制方程相互耦合,控制器设计更为复杂。此外,由于传感器的价格较高,从而导致磁悬浮轴承的售价很高,大大限制了它在工业上的推广应用。

如何降低磁悬浮轴承的价格,一直是国际上的热点研究课题。最近几年,结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果,诞生了一个全新的研究方向——无传感器的磁悬浮轴承。即不需要设计专门的位移传感器,转子的位移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承在以下几个方面得到了显著的改善和提高:转子的轴向尺寸变小,系统的动态性能得到提高;进一步提高了磁悬浮轴承的可靠性;便于设计磁悬浮轴承的控制器;价格会显著下降。

4 研究的方向和应用前景

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。最近美国科学家发现有机塑料聚合物同时具有磁性和超导性能[1](10 K以下)如果这种材料能进一步提高超导温度,并代替金属磁体,将有助于超导磁悬浮列车的研究和实现远距离运营线路的辅设。悬浮磁轴承所需解决的难题则主要表现在控制系统和满足转子轴系动力特性上。在重视控制系统研究的同时,着重研究系统的转子动力学分析,从而更有效的改进控制方法和策略;采用具有强鲁棒性的滑模控制、模糊控制和神经网络控制等,实现对复杂转子动力学特性的控制。

根据电磁铁线圈上的电流和电压信号检测转子位移主要有两类方法:一是参数估计法,将磁悬浮轴承和转子间的气隙看成是轴承和功率放大器的时变参数;另外一个是将磁悬浮轴承和转子看成一个整体,位移不是一个参数,而是一种状态。Okada用解调技术研究了无传感器的磁悬浮轴承,其不足是系统对开关功率放大器的占空比很敏感。Mizuno、Bleuler和Vischer等人将磁悬浮轴承看成是一个两端网络,用线性状态空间观测器来表征状态的位移,这种磁悬浮轴承系统的不足是控制器和观测器的鲁棒性差,很小的参数变化会导致系统失稳。Myounggyu引用线性参数估计设计了一套信号处理器,对开关波形进行解调,从而得到转子的位移信号。Matsuda在电磁铁上绕上两组不同的线圈,一组是偏磁线圈,一组是控制线圈,将检测到的控制线圈的电流频率送入设计解调电路,就能得到转子的位移信号,所研制的样机在12 000 r/min下实现了稳定运行。由于偏磁线圈产生的磁场是恒定不变的静磁场,主要靠控制线圈产生的动磁场来平衡外干扰的作用。故可用永久磁铁来取代偏磁线圈提供静磁场构成混合磁悬浮轴承,其优点是体积小、重量轻且功率损耗小,特别适用于航空领域。

超导磁悬浮轴承的体积很小,却有很大的承载能力。这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材料的进展。高温超导陶瓷材料由于其固有的属性及具体加工技术的原因,实际应用还十分有限[2]。进入21世纪,日本科学家发现MgB2在近40 K的超导电性,接着我国科学家用Mg和超细硼粉在5 GPa,1 000℃条件下高压烧结30 min得到MgB2化合物[3],对磁化强度进行测量可以看到在39 K以上的陡峭的超导转变。测量电阻实验,显示了正常态的良好的导电性和超导转变,这表明高压合成手段对进一步研究新型金属间化合物超导体有促进作用。近来研究结果表明MgB2[4~7]具有许多高温超导体所不具备的优点,除了资源丰富,易于加工,材料成本低以外,MgB2的晶界远比高温超导体内晶界对超导电流的限制小,因而能承受更高的电流密度,其相干长度长,磁性各向异性小。这些都意味着MgB2在不久的将来能够成为有真正应用价值的超导体,超导磁悬浮轴承的研究有望随之而产生较大的进展。

将磁悬浮轴承广泛应用于工业设备,一直是研究人员最终追求的目标。而成本过高在一定程度上限制了它的推广应用,因而实用性的研究将加强,它的产品化和标准化的步伐也将加快。到目前为止,它主要在三方面广泛应用,并证明了它无可估量的优越性。一是真空超净室技术:轴承不存在任何机械磨损,因而也不会引起相关的污染,必要时甚至可以使磁场力透过容器壁发生作用而将轴承安排在真空容器外面;二是机床:主要优点是相对高承载能力条件下能够保持高精度和高转速;三是透平机械和离心机:优点是能对振动以控制及阻尼,并获得预定动态性能;由于没有润滑剂,因此也就不需要密封可进一步简化结构。

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。

[参考文献]

[1]柯源.具有磁性和超导性能的有机塑料[EB/OL].http:/www.bjkp.gov.cn/gkjqy/smkx/index.htm.
[2]梁芳营.高温超导热力学性质的研究[J].物理学报,2002,51(4):898-901.
[3]李绍春,朱嘉林.临界温度39K的MgB2超导体的高压合成[J].中国物理,200110(4):338-339
[4]刘乐园,张升原,王昕,等.直流磁控溅射一步法原位制备MgB2超导薄膜[J].物理学报,2002,51(2):406-409
[5]赵志文,闻海虎.新超导体MgB2中的弱量子磁通蠕动和强钉扎[J].中国物理,2001,10(4):340-342
[6]张杰,雒建林,白海洋,等.常压和高压合成MgB2的低温比热及两个超导能隙研究[J].物理学报,2002,51(2):342-346
[7]张超英,张键.Mg(B1-xCx)2化合物的结构与超导电性[J].中国物理,2001,10(4):335-337
文章内容仅供参考 (投稿) (12/3/2004)
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