Material Sciences 材料科学, 2012, 2, 110-116
doi:10.4236/ms.2012.23020 Published Online July 2012 (https://www.doczj.com/doc/d011036424.html,/journal/ms)
Preparation of Metallic Functional Materials in Electromagnetic Levitation Cold Crucible Technique
Zhaohui Ma1, Tianya Tan1, Qingfeng Yan2, Qiang Li2*
1College of Physics, Liaoning University, Shenyang
2Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing
Email: *qiangli@https://www.doczj.com/doc/d011036424.html,
Received: Mar. 2nd, 2012; revised: Mar. 25th, 2012; accepted: Apr. 1st, 2012
Abstract: As a novel technology, electromagnetic levitation cold crucible technique gets more and more popular in high melting alloys synthesis, high purity materials purification and even single crystal growth for its non-contamina- tion and high temperature resistance performances. In this paper, an overview of the principle and development of this technique was given. Current researches on synthesis and crystal growth of metallic functional materials were summa- rized. And its prospective applications in materials preparations were also discussed.
Keywords: Electromagnetic Levitation Cold Crucible; Alloy Synthesis; Crystal Growth
磁悬浮冷坩埚技术在特种金属功能材料制备中的应用
马朝晖1，谭天亚1，严清峰2，李强2*
1辽宁大学物理学院，沈阳
2清华大学化学系，北京
Email: *qiangli@https://www.doczj.com/doc/d011036424.html,
收稿日期：2012年3月2日；修回日期：2012年3月25日；录用日期：2012年4月1日
摘要：磁悬浮冷坩埚技术以其无污染、高熔炼温度等特点在制备特种金属功能材料领域有广泛的应用。本文介绍了磁悬浮冷坩埚技术的原理和发展历程，重点讨论了该技术在特种功能合金熔炼和晶体生长方面的应用，分析了该技术未来在其它材料制备领域应用的可行性。
关键词：磁悬浮冷坩埚；合金熔炼；晶体生长
1. 引言
常规的金属熔炼和熔体法晶体生长大多需要通过选用适合的坩埚材料，解决在制备高熔点、高纯度和高活泼性金属材料时，容易出现的污染和组分不均等问题。磁悬浮冷坩埚技术(Electromagnetic Levitation Cold Crucible，简称ELCC)以其熔炼温度高，无坩埚接触和无熔体污染等特点常被看作解决上述问题的最佳选择[1]。
通常情况下，冷坩埚是利用具有良好导电导热性的金属铜制成的，坩埚内部有冷却水通道。在工作过程中，冷却水在坩埚内流动带走大量的热量，以降低坩埚的温度，防止坩埚熔化。最早的冷坩埚是由Bolton[2]在1905年开发的。相比之下，磁悬浮技术的起源则可以追溯到上世纪20年代，德国的Muck[3]首先提出了用电磁力使材料与容器分离的设想。直到1952年，美国的Okress[4]首次将磁悬浮熔炼从理论推向实践。之后磁悬浮技术和冷坩埚技术的结合使用，为材料制备技术的发展提供了新的机会。目前ELCC 技术在制备高纯、高熔点、高活性材料方面已有着广泛的应用。
*通讯作者。
2. 磁悬浮冷坩埚技术的原理
ELCC设备(图1)主要包括水冷坩埚、射频电源、射频线圈、气氛控制系统，有时还会根据需要配有凝固或者成型装置。与传统熔炼方法相比，ELCC的主要特点包括：1) 加热温度不受坩埚材料限制，可以达到2000℃以上。2) 熔体与坩埚完全分离，避免了熔炼过程中坩埚材料带来的污染。通过磁力搅拌产生的对流作用，还可以在高温下有效地去除熔体表面漂浮的氧化物等杂质，非常适合于高纯金属材料与合金的熔炼与合成[5]。3) 不需要附加搅拌设备，在电磁力作用下熔体可以被充分的搅拌[6]，有利于提高熔炼材料的组分均匀性。4) 材料可以在不同气氛中制备，如：还原气体、惰性气体、真空等。
ELCC工作时，射频电流通过线圈在空间产生交变的磁场，而特殊的坩埚形状设计会产生磁场增强效。原料表面在磁场作用下产生感应电流，进而通过与自身阻抗作用而发热熔化。同时，磁场会对熔体产生向上的浮力，从而实现熔体与坩埚的完全分离。此外，交变磁场还会给熔体带来搅拌力，使熔体内部产生旋转对流，改善熔体的组分均匀性。悬浮熔炼时升温要快，因为坩埚与熔炼材料之间温差很大。冷坩埚在工作中表面温度一般不高于100℃，而原料温度会不断升高。如果升温速度慢，大量热量会被冷却水带走，使原料发热和坩埚散热达到平衡，导致悬浮熔炼失败。
对于ELCC的理论研究主要集中于坩埚中磁场的分布、熔体受到的悬浮力和搅拌力的大小、熔体的形态与稳定性等方面。Fromm和Jehn[7]将射频线圈视作理想线圈进行了详细的近似计算，并设计对照实验，对不同位置的电磁强度进行了测量。随后，Homels
Figure 1. The schematic of ELCC
图1. 磁悬浮冷坩埚示意图等[8]对圈沿轴产生的实际磁场进行分析，并依照此模型对悬浮熔体的稳定性进行了讨论。由于射频交变磁场下产生的感应电流有强烈的“趋肤效应”。为进一步探讨悬浮熔体的性质，Snedy等[9]用动力学模型对熔体进行了详细的分析和计算，并探讨了熔体的形状、表面受力情况以及内部对流方式的影响因素。Bratz等[10]和Egry等[11]分别研究了悬浮熔体的多种性质，后者还通过不同的合金实验，对悬浮熔体的热学性质进行了系统地探讨。Herlarch等[12]和Lofoler[13]对双频电磁悬浮系统进行了探索，这种系统克服了单频悬浮系统悬浮力有限和温度控制较难的缺点。上述研究对进一步理解高温熔体的传热、传质现象具有重要的指导意义。许多研究结果被用于对磁悬浮冷坩埚结构、线圈形状以及电源特性的优化设计和改进，有效提高ELCC的综合性能。
在20世纪70年代，Hukin[14]设计了一种全新的磁悬浮冷坩埚(图2)。坩埚为纯铜结构，在垂直方向分为16个相互独立的分瓣。这种结构可以大大提高作用在原料上的磁场强度，提高感应磁场的加热效率和悬浮力。如图3所示，工作时坩埚分瓣中会产生和射频
Figure 2. The structure of ELCC designed by Hukin[14]
图2. Hukin设计的磁悬浮冷坩埚结构[14]
Figure 3. The operating principle of Hukin’s crucible
图3. Hukin坩埚工作原理
线圈瞬态电流方向相反的电流。由于相邻分瓣的截面
上电流方向也相反，使各个分瓣的产生的磁场方向相同。由于环状效应所致使还会在冷坩埚内形成一个强
化的磁场[15]。此时熔体中的瞬时电流与分瓣中的电流
相反，所以他们产生的磁场方向相反。于是熔体受到
坩埚的排斥力作用，这种力竖直方向的分力提供熔体
的悬浮力，水平方向分力使熔体在空间中形成稳定的
形状。
针对不同的熔炼对象，冷坩埚的结构需要根据使
用条件进行适当的调整，射频电源的频率及原料的电
阻率和密度等都是必要的参考因素。当所需熔炼的原
料较多时，应该适当地提高电源工作频率，从而产生
较大的悬浮力，而在提高电源频率的同时作用在熔体
上的有效磁场强度会降低。此时需要增加坩埚的分瓣
数以提高作用在熔体上的有限磁感应强度。邓课题组[16]通过系统地计算和测量，推算出射频电源的工作频
率与磁悬浮冷坩埚设计最佳分瓣数之间的对应关系(见表1)。如果增加分瓣之间的间隙大小，可以提高作
用到熔体上的磁感应强度；但间隙过大时极易导致漏料。坩埚的大小和壁厚的设计也需要考虑与所熔炼材
料的性质相匹配。总的来看，冷坩埚的结构设计与优
化一直是这一领域研究的热点问题。
3. 磁悬浮冷坩埚技术的应用
近年来，ELCC技术在材料研究与制备方面显示
出巨大的潜力，特别是在高熔点、高纯度、高活泼性
金属与合金的熔炼、提纯和晶体生长等方面发挥着越
来越大的作用。
3.1. 合金的熔炼
高温下氧化物坩埚常会导致熔体污染，而石墨坩
埚也会引入碳杂质。为了解决这一难题，Okress[4]尝
试采用ELCC技术熔炼了Al、Fe、Ni、Ti等金属单质
并获得成功。之后人们开始借鉴这一方法，并用于熔
炼Ta、Mo、Co、Zr、Th、U以及稀土金属等。目前ELCC研究重点集中于特种功能合金的制备。
Table 1. Relation between applied frequency and split numbers[16]
表1. 电源频率与坩埚分瓣数的关系[16]
频率(kHz) f < 10 10 < f < 100 f > 100
冷坩埚分瓣数4~8 8~12 16~20
Ti-Al合金具有高比强、高比刚、耐高温及抗氧化等优良性能，这使其在航空、航天、机械、能源等方面有广泛的应用前景。Ti-Al合金的力学性能受杂质影响很大，并且液态合金非常活泼，几乎能与所有的铸型材料反应。而使用ELCC熔炼时，杂质含量只取决于原料杂质含量，这就为提高该合金性能提供了有利的条件。ELCC的优势还在于可以使用金属单质作为原料一步合成所需材料，避免多次熔炼造成的污染。生产当中，通常使用铸造方法以获得尺寸足够大的合金。如何控制合金中的化学成分、凝固组织以及如何提高合金铸锭的性能成为了ELCC熔炼技术的研究重点。为了研究ELCC熔炼铸锭的金像结构，黄等[17]用ELCC熔炼了重达15 kg的含有Nb、W、B的Ti-Al合金铸锭。分析发现该铸锭无明显微观缺陷，但在冒口处出现了显微疏松结构。这使由于铸锭冷却是沿热传导方向沿先后顺序凝固，而冒口处由于收缩率较大金属液不能及时补充。虽然ELCC在熔炼较大铸锭时会出现一些典型铸造缺陷，但是该方法仍然是熔炼某些特种合金的最佳选择。
使用传统方法熔炼高熔点金属与合金的过程中，由于组分分凝系数的影响，常导致合金的组分偏离。相比之下，ELCC在熔炼过程中熔体自身的磁悬浮力的搅拌作用，可以有效地均化熔体的组分，改善合金的偏析程度。Ti-Ta合金是一种综合性能优异的生物医用材料。研究发现：α相和α + β相的Ti-Ta合金的弹性模量均比骨骼大，而β相Ti-Ta合金具有和天然骨骼相似的弹性模量。同时它还具有良好的力学性能、生物相容性以及较低的生物毒性，因而是天然骨骼的最佳替代材料。该系合金而已成为重要的生物医用材料研究的热点。然而，Ti和Ta都是比较活泼的金属，Ta熔点近3000℃，采用传统方法熔炼，较难得到单一的β相Ti-Ta合金。Morita等[18]采用双频ELCC技术(图4)，成功地控制了所制备Ti-Ta合金结构。具体做法是：首先调节射频电源的输出功率，使原料熔化并混合均匀；然后关闭电源，使熔体落入坩埚底部并迅速凝固。结果表明这种熔炼方式可以避免组分分凝并得到组分均匀的Ti-Ta合金。这是以金属单质为原料，采用一次熔炼法直接合成组分均匀的Ti-Ta合金的有益尝试，为β-Ti基生物合金的研究奠定了重要实验基础。Gordin等[19]采用ELCC技术对不同比例
Figure 4. Double frequencies ELCC system[18]
图4. 双频ELCC系统[18]
的Ti-Ta合金合成进行了更加深入地研究。结果显示：合金中Ta含量大于65%时，可形成单一的β相。同时，用这一技术制备的Ti-30Ta合金的屈服强度和显微硬度可以与传统的Ti-6Al-4V相媲美。
ELCC配以适当的凝固技术，可以显著地提高铸锭生产效率并且提高合金的性能。图5是一种以ELCC为核心的连铸系统。采用这一系统，不仅可以使熔炼好的合金以一定的形状凝固，还可以在熔炼的过程中连续不断地补充新的原料。V oss等[20]使用该系统制备出Nb(Fe, Al)2、NbCo2、Nb(Co, Al)2等Nb基Laves相柱状合金。Matsugi等[21,22]使用类似的系统对Ti-Ni合金的合成进行了系统研究。
近年来，国际上能源危机日益加重，因此La-Mg-Ni系储氢合金受到研究者的广泛关注。这种新型合金的气态可逆贮氢容量高达1.8%(H/M)，电化学放电较传统的La-Ni系AB5型合金高出近30%。
Figure 5. ELCC continuous casting system[20]
图5. 磁悬浮冷坩埚连铸系统[20]研究发现：ELCC技术同样是熔炼该类合金的最有效手段之一。采用这一技术，可以有效控制杂质含量，均化合金组分。周等[23]采用ELCC技术熔炼了A2B7型La-Mg-Ni系储氢合金，尝试用Nd代替La以改善合金电极的循环稳定性。李等[24]采用类似的方法，在熔炼La-Mg-Ni系AB2型储氢合金研究中获得成功。成分更为复杂的合金如La0.7Pr0.15Nd0.05Mg0.3Ni3.3?x Co0.2 Al0.1(Co0.75Mn0.25)x[25]也可以采用ELCC技术来熔炼。
3.2. 金属单晶材料的生长
提拉法是一种传统的单晶制备方法，ELCC配合提拉法非常适合生长特种合金的单晶。用此方法可以生长高熔点、高活性的金属的单晶，同时保证单晶中较低的杂质含量。原料熔化后表面呈现球形或者椭球形，熔渣会在表面张力作用下转移到坩埚底部，不会对晶体生长产生不利影响[26]。同时易挥发的杂质也能被蒸馏出熔体。通过这种自净化作用可以得到比原料纯度更高的晶体产品。但是由于一般情况下单晶生长时间较长，饱和蒸气压较高的组分挥发严重，如：Al、稀土元素等，所以配料时需要适当增加易挥发组分比例。
Nd-Fe-B是第三代高性能永磁合金，其磁能积大大超过传统的同类材料。Nd2Fe14B的主晶相具有四方结构，是单轴各向异性的铁磁体。由于合金磁性极易受杂质含量的影响，因此，控制合金纯度和制备特定取向的Nd2Fe14B单晶具有重要的理论价值。然而，由于稀土金属在高温下会与氧化物坩埚或者金属坩埚发生反应，并直接影响制备合金的结构与性能。氮化硼坩埚在理论上是可以使用的，但氮化硼制备困难经常会含有杂质，实际当中所使用的氮化硼坩埚也难以满足要求。此时ELCC成为生长该晶体的最佳选择，这得益于无坩埚接触避免了污染问题，并且Nd2Fe14B 的导电性能适合使用感应加热。孙等[27]采用提拉法结合ELCC技术，在国际上首次生长出大尺寸Nd2Fe14B 单晶(见图6)，并且获得了较好的综合性能。这些研究对极大推动了Nd-Fe-B的性能研究，同时也为我国在相关领域引入ELCC技术奠定了良好的实验基础。
上世纪70年代，Palmer等[28]尝试用ELCC技术对含稀土合金进行研究。进一步的探索发现：含稀土的立方RFe2金属间化合物Tb-Dy-Fe(Terfenol-D)是一种具有优异磁致伸缩性能的材料。然而，由于磁致
Figure 6. (a) Cold crucible of Sun’s group; (b) Nd-Fe-B single
crystal[27]
图6. (a) 孙课题组使用的冷坩埚；(b) Nd-Fe-B单晶[27]
伸缩效应具有各向异性，在特定方向上才有最大的磁致伸缩系数[29]，所以该材料的单晶有更好的实际应用价值。为了制备能满足使用要求的晶体，李课题组[30]设计了一种采用提拉法生长大尺寸Tb-Dy-Fe单晶的ELCC系统(见图7)。利用该系统成功生长出Φ15 × 200 mm向为<112>的Tb0.27Dy0.73Fe2单晶。在生长过程中发现，因考虑到挥发而过量添加的稀土元素可能在生长过程中在熔体表面析出而凝结成壳。这种现象非常不利于单晶生长，实验当中要尽量避免。他们还尝试以掺杂Mn的方法来提高磁致伸缩性能[31]。研究发现：适量掺杂Mn不但可以改善单晶的磁致伸缩性能和居里温度，而且有利于提高晶体生长速度和晶体质量。吴等[32]用提拉法结合ELCC技术生长出<111>取向的Tb0.27Dy0.73Fe2单晶。陈等[33]也使用同一方法生长出<111>取向单晶，并测出该取向单晶的磁致伸缩系数在无外加压力时为λS = 1640 ppm；在24 MPa压力下为λS = 2375 ppm。
Ni2MnGa系列合金是已知的唯一同时具有热弹性马氏体相变和铁磁性的Heusler合金。此类合金具有L21结构的高温相，其马氏体相变温度在室温附近。这使其有望在声呐、微位移制动器和微波器件等领域具有广阔的应用前景。陈等[34]采用提拉法结合ELCC 技术生长出Ni52Mn24Ga24单晶，观察了在马氏体相变
Figure 7. (a) ELCC system design by Li’s group[29]; (b) Large
Tb-Dy-Fe single crystal
图7. (a) 李课题组设计的ELCC设备[29]；(b) 大尺寸Tb-Dy-Fe单
晶
和反马氏体相变时晶体的结构变化，以及外加磁场对相变的影响。崔等[35,36]利用相同技术生长出[001]取向的Ni52Mn16.4Fe8Ga23.6单晶，并证实这种晶体的最大磁应变方向为[001]方向。武等[37]用此方法生长了[001]方向的Ni46Mn35Ga19单晶，其自发相变的应变量高达–0.89%，磁增强的相变应变量高达–1.90%。
β相Ni-Al是一种高温形状记忆合金，其形状记忆效应来源于β(B2)相到β’(L10)相热弹性马氏体相变，其相变温度随着组分变化而变化[38]。宋等[39,40]采用提拉法ELCC技术对Ni-Al合金的单晶生长和组分控制进行了研究，并尝试利用退火提高Ni-Al合金的的延展性和断裂韧性。张等[41]成功地制备出Φ40 × 250 mm 的Ni-Al合金的单晶(如图8)。研究表明：较高的过冷度有利于β相的形成，随着Ni含量的提高，合金凝固时释放出的结晶潜热也会相应增加。所以，当生长Ni含量较高的合金时，要提高提拉速度和旋转速度。
Figure 8. Ni-Al single crystal[40]
图8. Ni-Al单晶[40]
4. 结语
ELCC技术以其熔体无接触、无污染和熔炼温度高等特点，在熔炼高纯度、高熔点和高活泼性金属材料领域有着极其广泛的应用前景。结合连铸和提拉法等技术，可以在制备特种金属功能材料领域发挥不可替代的作用。伴随着相关技术的日益成熟，配合以连铸法、提拉法等各种凝固技术的ELCC技术已经逐步进入了工业生产领域，并将在在未来探索新型功能材料的研究中，发挥越来越重要的作用。
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万方数据
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日本中低速磁悬浮技术及其应用前景 作者：石定寰， SHI Ding-huan 作者单位：国家科技部,北京,100862 刊名： 交通运输系统工程与信息 英文刊名：JOURNAL OF TRANSPORTATION SYSTEMS ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007,7(5) 被引用次数：9次 参考文献(7条) 1.王庆云中国交通发展的演进过程及问题思考[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2007(1) 2.吴晓我国"十一五"交通发展规划中若干问题的探讨[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2006(6) 3.石定寰论我国科技发展与科技创新的策略与技术关键[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2003(1) 4.毛保华磁悬浮技术在中国的应用前景分析 2006 5.Vukan R Vuchic;Jeffrey M Casello An evaluation of maglev technology and its comparison with high speed rail 2002(02) 6.吴丹高速磁悬浮列车运行控制与传统轮轨列车运行控制的比较[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2003(4) 7.严陆光;李耀华磁悬浮技术的发展及其在中国的商业应用 2007 本文读者也读过(10条) 1.佟力华.马沂文.胥刃佳适用于城市交通的中低速磁悬浮技术[期刊论文]-电力机车与城轨车辆2003,26(5) 2.戴政磁悬浮技术综述[期刊论文]-中小型电机2000,27(2) 3.王丽茹.张彦军磁悬浮技术在工程实践中的应用分析[期刊论文]-职业2010(17) 4.毛保华.黄荣.贾顺平.MAO Bao-hua.HUANG Rong.JIA Shun-ping磁悬浮技术在中国的应用前景分析[期刊论文]-交通运输系统工程与信息2008,8(1) 5.蒋金周磁悬浮技术及其应用与发展分析[期刊论文]-机电一体化2004,10(1) 6.张佩竹.Zhang Peizhu中低速磁悬浮技术特征及工程化研发[期刊论文]-铁道标准设计2006(z1) 7.张士勇磁悬浮技术的应用现状与展望[期刊论文]-工业仪表与自动化装置2003(3) 8.徐晓美.朱思洪.XU Xiao-mei.ZHU Si-hong磁悬浮技术及其工程应用[期刊论文]-农机化研究2005(6) 9.徐安.李永善磁悬浮技术在德国的发展[期刊论文]-城市轨道交通研究2001,4(2) 10.磁悬浮技术揭秘:全世界人都会到中国买技术[期刊论文]-硅谷2010(11) 引证文献(6条) 1.蒋艾伶单轨交通发展现状与趋势[期刊论文]-科技与企业 2015(13) 2.佟来生,张文跃,罗华军,李晓春单模块电磁铁静态悬浮特性研究[期刊论文]-电力机车与城轨车辆 2013(05) 3.俞洪磁悬浮轴承的数字仿真研究[期刊论文]-科技信息 2010(05) 4.陶兴中低速磁悬浮轨道梁关键设计参数研究[学位论文]硕士 2008 5.刘卫东日本Linimo磁浮线的技术特点和运行情况[期刊论文]-城市轨道交通研究 2014(04) 6.毛保华,黄荣,贾顺平磁悬浮技术在中国的应用前景分析[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2008(01) 引用本文格式：石定寰.SHI Ding-huan日本中低速磁悬浮技术及其应用前景[期刊论文]-交通运输系统工程与信息 2007(5)
磁悬浮鼓风机 一、什么是磁悬浮鼓风机？ 磁悬浮离心鼓风机（magnetic levitation blower）是采用磁悬浮轴承的透平设备的一种。其主要结构是鼓风机叶轮直接安装在点击轴延伸端上，而转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上。不需要增速器及联轴器，实现由高速电机直接驱动，由变频器来调速的单机高速离心鼓风机。该类风机采用一体化设计，其高速电机、变频器、磁性轴承控制系统和配有微处理器控制盘等均采用一体设计和集成。其核心是磁悬浮轴承和永磁电机技术。结构示意图如下： 二、磁悬浮鼓风机有哪些优势？ （1）高效节能：采用磁悬浮控制技术，无摩擦损失和机械损失，实现了高转速无极变转速调节，同时具有低噪音、低振动的特性； （2）采用智能变频控制系统，可根据外界因素变化通过调节转速，实现压力和流量变化； （3）具有喘振预测、实时报警、故障预判的功能； （4）图形菜单操作，人机界面友好； （5）运行状态全过程实时远程监控； （6）具有存储、记忆和远程采集控制功能。 三、磁悬浮鼓风机主要生产企业 1. 国外主要制造企业 （1）德国Piller Power Systems GmbH公司：主要生产用于下列领域的风机：通用设备制造、化学工业工业焚烧炉、电站/钢铁工业、排蒸汽压缩机、石化工业、污水处理工业、标准产品系列等。 （2）芬兰艾伯斯集团(简称ABS)：ABS集团是全球污水解决方案供应商，能够提供泵、搅拌器、搅拌机、曝气系统、鼓风机、控制和监视系统以及服务等完整的水处理设备的业务组合。ABS 的HST 高速磁悬浮离心鼓风机是其曝气鼓风机，主要用于污水处理厂和工业低压工艺。性能范围：流量700-10,000m3/h；升压范围：40-125 kPa；
研究生自动控制专业实验 地点：A区主楼518房间 姓名：实验日期：年月日斑号：学号：机组编号： 同组人：成绩：教师签字：磁悬浮小球系统 实验报告 主编：钱玉恒，杨亚非 哈工大航天学院控制科学实验室
磁悬浮小球控制系统实验报告 一、实验内容 1、熟悉磁悬浮球控制系统的结构和原理； 2、了解磁悬浮物理模型建模与控制器设计； 3、掌握根轨迹控制实验设计与仿真； 4、掌握频率响应控制实验与仿真； 5、掌握PID控制器设计实验与仿真； 6、实验PID控制器的实物系统调试； 二、实验设备 1、磁悬浮球控制系统一套 磁悬浮球控制系统包括磁悬浮小球控制器、磁悬浮小球实验装置等组成。在控制器的前部设有操作面板，操作面板上有起动/停止开关，控制器的后部有电源开关。 磁悬浮球控制系统计算机部分 磁悬浮球控制系统计算机部分主要有计算机、1711控制卡等； 三、实验步骤 1、系统实验的线路连接 磁悬浮小球控制器与计算机、磁悬浮小球实验装置全部采用标准线连接，电源部分有标准电源线，考虑实验设备的使用便利，在试验前，实验装置的线路已经连接完毕。 2、启动实验装置 通电之前，请详细检察电源等连线是否正确，确认无误后，可接通控制器电源，随后起动计算机和控制器，在编程和仿真情况下，不要启动控制器。 系统实验的参数调试
根据仿真的数据及控制规则进行参数调试（根轨迹、频率、PID 等），直到获得较理想参数为止。 四、实验要求 1、学生上机前要求 学生在实际上机调试之前，必须用自己的计算机，对系统的仿真全部做完，并且经过老师的检查许可后，才能申请上机调试。 学生必须交实验报告后才能上机调试。 2、学生上机要求 上机的同学要按照要求进行实验，不得有违反操作规程的现象，严格遵守实验室的有关规定。 五、系统建模思考题 1、系统模型线性化处理是否合理，写出推理过程？ 合理，推理过程： 由级数理论，将非线性函数展开为泰勒级数。由此证明，在平衡点)x ,(i 00对 系统进行线性化处理是可行的。 对式2x i K x i F )(),(=作泰勒级数展开，省略高阶项可得： )x -)(x x ,(i F )i -)(i x ,(i F )x ,F(i x)F(i,000x 000i 00++= )x -(x K )i -(i K )x ,F(i x)F(i,0x 0i 00++= 平衡点小球电磁力和重力平衡，有 (,)+=F i x mg 0 |,δδ===00 i 00 i i x x F(i,x) F(i ,x )i ；|,δδ===00x 00i i x x F(i,x)F (i ,x )x 对2 i F(i,x )K()x =求偏导数得：
关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势
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关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势 李宇佳 （北京交通大学，北京，100000) 摘要：本文概述了磁悬浮电机的原理及优点，重点介绍了磁悬浮风力发电机的结构和工作原理。并简述了磁悬浮电机当前的应用领域。最后本文展望了磁悬浮电机未来的发展方向。 关键词：磁悬浮电机；风力发电机 Developing Trends of Magnetically Levitated Electric Machines and Their Applications Li Yujia (Beijingjiaotong University,Beijing,100000) Abstract：In this paper, the principle and advantages of the agnetically Levitated Electric Machines are summarized. The structure and working principle of the magnetic levitation wind generator are introduced. The current application field of agnetically Levitated Electric Machines is briefly introduced. Finally, the future development direction of tagnetically Levitated Electric Machines is prospected. Key word:lagnetically Levitated Electric;Machines wind power generator 1 引言 传统的a电机是由定子和动子组成，定子与动子之间通过机械轴承联接或存在机 械接触，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之间“同性相斥，异性相吸”的原理使动子悬浮起来，同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此，定子与动子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。磁悬浮电机的研究越来越受到科技工作者的 重视，其发展前景令人鼓舞。 2 磁悬浮轴承电机 为了克服传统旋转电机存在机械轴承和机械摩擦的不足，目前已研制出各种无接触式磁轴承，用来取代机械轴承。典型的磁悬浮轴承如径向磁轴承、径向推力磁轴承和轴向磁悬浮轴承，以及径向自由度可控的电磁悬浮轴承。 2.1 径向磁悬浮轴承 径向磁悬浮轴承是由两个径向磁化同轴空心圆柱组成，磁化方向相反。当两个磁化圆柱轴向重合、径向同心时，圆柱所受径向磁场推力为零。而当两个磁化圆柱发生轴线偏移时，由于圆柱之间气隙磁场极性相同产生不平衡排斥力使圆柱轴线趋于一致。这种径向磁轴承虽然能做到径向自动稳定，但磁轴承轴向不稳定，而且当轴线偏转时，角向稳定性也不好，因此用途有限。 2.2 径向推力磁悬浮轴承 径向推力磁悬浮轴承通常采用两个轴向磁化，而磁化方向相反(也可采用一个轴向磁化，而另一个径向磁化的同轴空心圆柱，但轴向错开一定位置，不仅能保持径向稳定性，而且提高了轴向和角向稳定性。 2.3 电磁悬浮轴承 这种多自由度电磁力控制的磁悬浮轴
中低速磁悬浮技术简析 中低速磁悬浮轨道交通是一种依靠磁悬浮列车五个转向架悬浮系统及直线电机牵引系统实现无接触和非粘着牵引抱轨运行的交通方式，因其技术先进、功能强大、节能环保、性价比高，我国具有自主知识产权，受到社会广泛青睐，是一种先进、经济、环保的交通方式。一般认为，高速磁悬浮适合远距离交通，而中低速磁悬浮适合近距离交通。 长沙中低速磁浮工程连接高铁长沙南站和长沙黄花国际机场，初期设车站3座，预留车站2座，线路全长18.54公里，总投资46.04亿元，于2014年5月开工，2015年12月26日建成并试运行，建设工期20个月，计划2016年上半年正式通车运营。 长沙中低速磁浮工程是中国国内第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮，是继上海以来又一个开通磁悬浮的城市，也是湖南省践行“一带一路”的重点项目。铁四院以中国铁建名义采取“股权投资+设计施工总承包+采购+研发+制造+联调联试+运营维护+后续综合开发”独创性建设模式承建的长沙磁悬浮工程，是中国第一条中低速磁悬浮轨道交通商业线。 相对于地铁、轻轨、新型有轨电车等主要城市轨道交通运输方式，中低速磁悬浮轨道交通具有以下优势： 一是低噪音。运行噪声约62分贝，低于人正常说话的噪声值，是“超静交通”的代表。 二是低成本。长沙中低速磁浮交通转弯半径小、爬坡能力强，特别适合在城市中穿梭。综合造价约2亿元/公里，与地铁相比具备明显的价格优势。其次目前轮轨交通的年运营维护成本是总投资的
4.4％左右。中低速磁悬浮轨道交通后期维护费用较低，年运营维修费理论值约为总投资的1.2％。 三是低辐射。经科学检测，长沙磁浮交通辐射值1米外小于电磁炉、3米外不到微波炉的一半、5米外比电动剃须刀更低，堪称绿色“环保交通”的典范。 四是低震动。列车沿轨道无接触运行，无车轮摩擦与冲击。可实现有害气体零排放，由于没有车轮磨耗，也不会在运行中产生铁粉或橡胶粉尘，最大限度避免环境污染。 中低速磁悬浮在柳州落地，存在以下几点问题： 1、运量较低，且其车厢编组调整较其他制式困难。轻轨每小时运量为1.5至3万人，中低速磁悬浮每小时运量为0.8至1.5万人。目前长沙磁悬浮采用三节车厢编组，每列最大载客量约为500人，且调整其车厢编组过程需要2-3个月周期（咨询中车株机技术人员数据）。轻轨一般采用四节车厢编组，B型车厢最大载客量约为1000人，客流高峰期间增加车厢编组方便。 2、一般来说中低速磁悬浮采用高架敷设。线路经过市区采用高架，对柳州的山水城市景观是否有影响需要进一步论证。 3、中低速磁悬浮在长沙尚处于试运营阶段，国内尚未有成熟的商业运营城市，其技术还在提升阶段，运营的成熟性、可靠性还有待实践检验。 4、中低速磁悬浮作为一种新的技术进行推广，大众的接受需要过程。深圳8号线曾经计划以磁悬浮高架方式建设，曾受到莲塘和沙头角片区居民的强烈反对，导致项目方案全盘否定，前期工作进展缓慢，目前新的方案正在论证中。长沙磁悬浮也是选择从长沙火车南站至黄花机场的郊区线路。
中低速磁悬浮在城市轨道交通中的运用 磁悬浮技术的研究源于德国,1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,1934年他申请了磁悬浮列车的专利,1953年完成科学报告《电子悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆》。20世纪70年代以后,世界工业化国家经济实力不断加强,为提高交通运输能力以适应经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始对磁悬浮运输系统进行开发,并取得令人瞩目的进展。 磁悬浮列车与传统轮轨列车不同，它用电磁力将列车浮起，导向和驱动。在运行时不与轨道发生摩擦，中低速磁悬浮列车（时速小于200km）在运行时发出的噪声非常低。此外，磁悬浮列车还具有速度高，制动快，爬坡能力强，转弯半径小，振动小，舒适性好等优点。在修建城市轨道交通线路的造价攀升的情况下，中低速磁悬浮线的性能价格比好的优势得以显示出来。 1 磁悬浮技术的种类 目前，载人试验获得成功的磁浮列车系统有3种，它们的磁悬原理和系统技术完全不同，不能兼容。 （1）用常导磁吸式（EMS）进行悬浮导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。以德国的TR（Trans rapid）磁浮列车系统为代表。TR采用常规电导吸引的方式进行悬浮和导向，悬浮的气隙较小，一般为 10mm 左右；由地面一次控制的直线同步电机驱动。我国上海机场磁悬浮线就是引进的德国 TR系统 （2）采用超导磁斥式（EDS)进行悬浮和导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。 高速超导磁悬浮列车以日本的ML系统为代表。车上的超导线圈在低温下进入超导状态，通电后产生很强的磁场，列车运动时，超导磁体使线路上的导体产生感应电流，该电流也将产生磁场，并与车上的超导磁体形成斥力，使车辆悬浮（悬浮高度较大，一般为100mm左右）。列车由地面一次控制的线性同步电机进行驱动，同步电机定子三相绕组铺设在地面线路两侧，无需通过弓网受电方式供电。
磁悬浮技术原理 磁悬浮技术原理 空间电磁悬浮技术简介随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。电磁悬浮技术（electromagnetic levitation )简称EML技术。它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。 目录 起源 概述 空间电磁悬浮技术 发展历史 国际 中国 中国磁悬浮技术 原理 应用 前景 磁悬浮列车 磁悬浮列车的优点 磁悬浮列车的缺点 起源 概述 空间电磁悬浮技术 发展历史 国际 中国 中国磁悬浮技术 原理 应用 前景 磁悬浮列车 磁悬浮列车的优点 磁悬浮列车的缺点
展开 编辑本段起源 磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 编辑本段概述 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。 磁悬浮列车原理示意图 . 目前（2009年）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。编辑本段空间电磁悬浮技术 随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。 电磁悬浮技术（electromagnetic levitation )简称EML技术。它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。 磁悬浮列车工作示意图 将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相
磁悬浮系统的PID控制
本科毕业设计（论文）题目: 磁悬浮系统的PID控制 姓名: 学号: 专业: 指导教师: 职称: 日期: 华科学院
摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 本设计毕业设计在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立其数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真研究，得出较好的控制参数。最后，本文对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。 关键词：磁悬浮系统控制器MATLAB软件PID控制
Abstract Magnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science．On the basis of analyzing of magnetic suspension system’s structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It get the better control parmeters by MATLAB software simulation studies.The key research works for further study are proposed at last． Key Word：Magnetic Levitation Ball System Digital Controller MATLAB PID Control
关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势 李宇佳 （北京交通大学，北京，100000) 摘要：本文概述了磁悬浮电机的原理及优点，重点介绍了磁悬浮风力发电机的结构和工作原理。并简述了磁悬浮电机当前的应用领域。最后本文展望了磁悬浮电机未来的发展方向。 关键词：磁悬浮电机；风力发电机 Developing Trends of Magnetically Levitated Electric Machines and Their Applications Li Yujia (Beijingjiaotong University,Beijing,100000) Abstract：In this paper, the principle and advantages of the agnetically Levitated Electric Machines are summarized. The structure and working principle of the magnetic levitation wind generator are introduced. The current application field of agnetically Levitated Electric Machines is briefly introduced. Finally, the future development direction of tagnetically Levitated Electric Machines is prospected. Key word:lagnetically Levitated Electric;Machines wind power generator 1 引言 传统的a电机是由定子和动子组成，定 子与动子之间通过机械轴承联接或存在机 械接触，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之 间“同性相斥，异性相吸”的原理使动子悬浮起来，同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此，定子与动子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。磁悬浮电机的研究越来越受到科技工作者的重视，其发展前景令人鼓舞。 2 磁悬浮轴承电机 为了克服传统旋转电机存在机械轴承和机械摩擦的不足，目前已研制出各种无接触式磁轴承，用来取代机械轴承。典型的磁悬浮轴承如径向磁轴承、径向推力磁轴承和轴向磁悬浮轴承，以及径向自由度可控的电磁悬浮轴承。 2.1 径向磁悬浮轴承 径向磁悬浮轴承是由两个径向磁化同 轴空心圆柱组成，磁化方向相反。当两个磁化圆柱轴向重合、径向同心时，圆柱所受径向磁场推力为零。而当两个磁化圆柱发生轴线偏移时，由于圆柱之间气隙磁场极性相同产生不平衡排斥力使圆柱轴线趋于一致。这种径向磁轴承虽然能做到径向自动稳定，但磁轴承轴向不稳定，而且当轴线偏转时，角向稳定性也不好，因此用途有限。 2.2 径向推力磁悬浮轴承 径向推力磁悬浮轴承通常采用两个轴 向磁化，而磁化方向相反(也可采用一个轴 向磁化，而另一个径向磁化的同轴空心圆柱，但轴向错开一定位置，不仅能保持径向稳定性，而且提高了轴向和角向稳定性。 2.3 电磁悬浮轴承 这种多自由度电磁力控制的磁悬浮轴
浅谈磁悬浮技术及控制方法 11 浅谈磁悬浮技术 浅谈磁悬浮技术 及控制方法 及控制方法 演讲者孙振刚 时间com 电气工程教研室 电气工程教研室 2012-09-17 1 1 22
目录 目录 磁悬浮技术概述 磁悬浮技术概述 磁悬浮基本概念 磁悬浮基本概念 材料磁特性 材料磁特性 磁悬浮类别 磁悬浮类别 实例分析磁悬浮列车 实例分析磁悬浮列车
电磁悬浮系统的控制方法 电磁悬浮系统的控制方法 单点悬浮系统 单点悬浮系统 多点悬浮系统 多点悬浮系统 2012-09-17 2 2 33 一磁悬浮技术概述 一磁悬浮技术概述 1 基本概念 利用磁场力使物体沿着一个轴或几个轴保持一定
位置的技术措施 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 一体化高新技术 2012-09-17 3 3 44 2 材料磁特性 顺磁性 抗磁性 磁畴未磁化磁畴 磁化 2012-09-17 4 4
55 抗磁性 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消 合磁矩为零但是当受到外加磁场作用时电子 轨道运动会发生变化而且在与外加磁场的相反 方向产生很小的合磁矩这样表示物质磁性的磁 化率便成为很小的负数量抗磁性是物质抗拒 外磁场的趋向因此会被磁场排斥所有物质 都具有抗磁性可是对于具有顺磁性的物质 顺磁性通常比较显著遮掩了抗磁性只有纯抗 磁性物质才能明显地被观测到抗磁性当外磁场 存在时抗磁性才会表现出来 2012-09-17 5
5 66 抗磁性 具有抗磁性的反磁性物质是Faraday在Earnshaw 提出理论之后几年发现的 1872年时Lord Kelvin指出反磁性物质不需要遵守Earnshaw的 理论因此反磁性物质可以在静磁场里浮起来 然而由基本的解释得知所有的物质都有反磁 性只是其磁性很小因此一直到1939年 Braunbek才成功的利用了足够强的磁场将小块 的石墨及铋磁浮了起来 2012-09-17 6 6
永磁悬浮风力发电机国内外技术发展及专利简介 供稿人：张蓓文 现行的风力发电机多为螺旋桨式结构，由于结构上的原因，一般都是定向安放，需要4级以上的风力才可以运行发电。对于2级以下的微风状态，基本上很难正常工作，这使得风能的利用和技术推广受到一定限制。随着永磁风力发电机的产生，使发电机的结构得到简化，效能提高，各种损耗也有明显的降低。它具有在额定的低转速下输出功率较大、效率高、温升低、起动阻力矩小、建压转速低等优点。在此基础上，研究人员又引入了磁力传动技术和磁悬浮技术，研制成了更为先进、高效的永磁悬浮风力发电机。 相关专利列举 以“(磁+悬浮)*风*(发电+风电)”及“wind and (turbine or generat) and (magnet and levitat or MAGLEV or breeze)”为检索策略，对中国知识产权局网站及欧洲专利局网站进行检索，现列举检索到的相关专利： 1、磁悬浮永磁风力发电机 申请人：赵克发明人：赵克 摘要： 一种磁悬浮永磁风力发电机，它采用了磁力传动技术和磁悬浮技术，从系统上解决了风力发电机向大功率发展中遇到需启动风力达一定大的难题，同时，通过磁力传动技术和磁悬浮技术的结合，克服了永磁转子风力发电机输出特性偏软的缺点。该磁悬浮永磁风力发电机，它是由原动力传送装置，磁力传动调速装置，磁
轮，磁悬浮永磁发电机等几部分组成的。因其启动风力小的特点，它可广泛用于各种交通工具，工厂，农村，城市住宅小区，高层建筑等领域。 主权项： 一种磁悬浮永磁风力发电机，它包括：原动力传送装置、磁力传动调速装置、磁轮、磁悬浮永磁发电机等几部分。其特征在于：原动力传送装置中的磁轮，与由不同规格大小、不同转速比的磁轮组成的磁力传动调速装置，保持着一定的间隙；同时，磁力传动调速装置中的磁轮，与安装在磁悬浮永磁发电机转轴上的磁轮，也保持着间隙；在转轴与磁悬浮永磁发电机的端盖之间，安装有磁悬浮装置。 2、新型永磁风力发电机 申请人：白晶辉发明人：白晶辉 摘要： 本实用新型公开了一种新型永磁风力发电机，其特征在于发电机部分中的发电机定子绕组，其结构采用双线并绕的形式进行绕制，两个绕组的头尾通过开关器件串联在一起，控制电路B通过D1、D2对由运算放大器IC1组成的电压比较电路进行供电，运算放大器IC1组成的电压比较电路对发电机定子绕组L1和L2上的电压进行检测，并输出信号，通过对开关器件J1、J2的通、断，改变发电机定子绕组L1和L2为串联或并联。 主权项： 一种新型永磁风力发电机，其特征在于发电机部分中的发电机定子绕组，其结构采用双线并绕的形式进行绕制，两个绕组的头尾通过开关器件串联在一起，控制电路B通过D1、D2对由运算放大器IC1组成的电压比较电路进行供电，运算放大器IC1组成的电压比较电路对发电机定子绕组L1和L2上的电压进行检测，并输
2018年中低速磁悬浮行业分析报告 2018年6月
目录 一、高中低速磁悬浮技术差异悬殊，中低速磁悬浮优势明显 (4) 1、高、中、低速磁悬浮应用场景 (5) 2、中低速磁悬浮的比较优势突出优势 (6) （1）优势 (6) （2）劣势 (6) 二、多年积累，我国在中低速磁悬浮领域已实现自主知识产权 (8) 1、专业视角看磁悬浮技术原理 (8) （1）悬浮技术 (8) （2）牵引技术+制动技术 (9) （3）导向技术 (10) 2、我国中低速磁悬浮技术经过了宝贵的产业验证 (10) （1）产学研结合，不断突破核心技术 (11) （2）轨道建设企业以中国铁建、中国中铁为主体 (11) （3）车辆生产厂商以中国中车、新筑股份为代表 (12) 三、磁悬浮接棒轮轨开始发力，全国多个城市加大布局 (13) 1、现有、在建、规划线路全方位梳理 (14) （1）现有路线统计 (14) （2）在建路线统计 (15) （3）规划路线方面 (16) 2、政策助推，地铁建设降温提振磁悬浮需求 (16)
新筑股份和中铁二院合作切入中低速磁悬浮领域。新筑股份今年5月与中铁二院签署《内嵌式中低速磁悬浮轨道交通系统战略合作协议》，共同推进内嵌式中低速磁浮交通系统技术的引进、消化、吸收 和再创新工作。6月5日，公司公告拟投资 6.8亿元在成都市新津县天府新区建设一条 4.5公里长内嵌式中低速磁浮综合试验线及相关配 套附属设施，设计最高时速200km/h。中低速磁悬浮比较优势突出。定义上看，高、中、低速磁悬浮分别对应时速大于200公里；时速大于120公里但是小于200公里；时速小于120公里。 高速磁浮适用于长大干线，如京沪线，对标的是高铁。而中低速磁浮则运用于城市轨道、旅游景区等短途，对标的是地铁、轻轨。实 际上，考虑到中低速磁悬浮技术的运载能力和入地性较差，中低速磁悬浮更准确应对标轻轨，而非地铁。在造价与轻轨接近的前提下，磁 悬浮在爬坡、转弯、噪声等方面优势突出。最适合中低速磁悬浮的应 用场景是站间距较大、可建设高架的市郊或城际地区，以充分发挥磁悬浮高速、稳定的优势。 国内中低速磁悬浮产业、技术积累丰富。目前我国是全球各国中中低速磁悬浮线路最多，里程最长的国家。日本、德国虽然技术领先，但迟迟没有得到产业的验证。轨道建设以中国铁建、中国中铁为代表，在建成并运营长沙磁浮快线之后，中国铁建为了加快磁悬浮建设，于2016年10月成立了全额出资的中铁磁浮交通投资建设有限公司。整 车方面，中国中车在磁悬浮列车上的技术优势明显，中国铁建专门成立了中国铁建重工集团有限公司进入该领域，新筑股份通过购买德国
第九篇磁悬浮列车原理 §9.1磁悬浮列车综述 你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率可是居高不下，大家都在密切地关注着它的发展态势。我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努力，却总是达不到心中理想的标准，如果你家住在西安，距北京1000多公里，原先回家要17个小时，现在要14个小时，唉，只减少了区区3个小时，还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，回家就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！ 其实，在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里飞速发展。据1995年举行的国际铁路会议预测，到本世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到360公里。 但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的。它的粘着系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右。如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能达到最大时速。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车－－磁悬浮列车。 尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为"铁路"，但这两个字已经不够贴切了。
Leap in the development of the organic combination of the German ZEITLOS maglev technology and high speed motor will bring 德国ZEITLOS磁悬浮技术与高速电机有机结合将 带来飞跃式发展 ——赛特勒斯轴承科技（北京）有限公司技术篇 高速电机的现状： 高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。床的高速化是目前机床的发展趋势。 而传统的电机是由定子和动子组成,定子与动子之间通过机械轴承联接或存在机械接触,因此动子 运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力,使运动部件磨损,产生机械振动和噪声, 而且会造成部件发热,使润滑剂性能变差,严重的会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。 德国ZEITLOS磁悬浮电机的应运而生： 为了克服传统旋转电机存在机械轴承和机械摩擦的不足,目前已研制出各种无接触式磁轴承,用来取代机械轴承。德国ZEITLOS磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之间“同性相斥,异性相吸”的原 理使动子悬浮起来,同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此,定子与动子之间不存在任何机 械接触,可以产生较高的加速度和减速度,机械磨损小,机械与电气保护容易,维护、检修和更换方便,适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。磁悬浮电机的研究越来越受到科技工作者的重视,其发展前景令人鼓舞。 ZEITLOS磁悬浮的工作原理： 电磁铁布置成径向轴承和轴向轴承的形式，并提供磁拉力以悬浮起机器的主轴，电磁场的电流由精确地数字式控制器调节，提供磁力随时对外部负载变化以保证主轴良好的居中没这样主轴被无接触抬起而且轴承的刚度和阻尼均可由一个数字控制器调节，这样的特点增强了高速旋转机器的性能。使设备具有高可靠性低能耗的显著特点。 ZEITLOS磁悬浮轴承的特点： ●增加了设备的可靠性 ●显著的降低了能耗和维护成本 ●减少了设备空间尺寸 ●快速启动（无需预热） ●安全可控遥控检测远程诊断
磁悬浮技术的发展与应用 1 磁悬浮原理及其特点 磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（被动）和有源（可控）两种悬浮系统。 它一般是由悬浮体、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。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将会偏离其参考位置。这时，传感器检测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号；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电磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的平衡位置。 因此，不论悬浮体受到的扰动是向下还是向上，它始终能处于稳定的平衡状态磁力弹簧是磁悬浮系统重要的执行器元件。 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。而第三种，就是我国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。 2 磁悬浮技术应用状况及发展 2.1 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承与磁悬浮列车是目前国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品；而在国外，目前磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。我国从20 世纪80 年代开始研究磁悬浮轴承技术，现已取得了一定的研究成果。传统的磁悬浮轴承需要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。由于受结构的限制，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，导致控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价格较高，导致磁悬浮轴承的售价很高，这大大限制了它在工业上的推广应用。因此，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。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，即无传感器的磁悬浮轴承。它不需要设专门的位移传感器，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。这类磁悬浮轴承将使转子的轴向尺寸变小、系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高；这样磁悬浮轴承的控制器将便于设计，价格也会显著下降。 2.2 磁悬浮列车 对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。按悬浮方式，磁悬浮列车可被分为常导磁吸型和超导排斥型两类。以德国高速常导磁悬浮列车TransRapid 为代表的常导磁吸型利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理，由车上常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的导磁体，使列车浮起。以日本MagLev 为代表的超导排斥型磁悬浮列车，利用超导磁体产生的强磁场在列车
《Matlab仿真技术》 设计报告 题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 专业班级电气工程及其自动化 11**班 学号 201110710247 学生姓名 ** 指导教师 ** 学院名称电气信息工程学院 完成日期： 2014 年 5 月 7 日
磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 Magnetic levitation system based on PID controller simulation 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以PID 控制为原理，设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。 PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。 关键字：磁悬浮系统；PID控制器；MATLAB仿真
一、磁悬浮技术简介 1.概述： 磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，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。 1900年初，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。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。然而，当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。 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。 1934年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。 在20世纪70、80年代，磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。 1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。 1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 2009年时，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. 磁悬浮技术的应用及展望 20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车试验系统，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模型，以后命名为TR01型，该车在1km 轨道上的时速达165km，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