直线电机和磁悬浮技术的应用与发展上海交通大学王建辉近年，直线电机技术在各个方面得到了广泛的应用。和直线电机紧密结合在一起的还有磁悬浮技术。两者又有区别，又相互渗透。本文简要地介绍了直线电机和磁悬浮技术的现状和发展。磁悬浮技术的应用与发展依靠电磁吸力或斥力将物体悬浮在空中，以实现物体相互之间无直接的接触，在它, f f 的相对运动中无摩擦，这便是发展中的磁悬浮技术。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术( 包括电力电子技术) 、信号处理、控制工程、机械学、动力学为一体的机电一体化技术。因此，它的发展与电子技术( 包括电力电子技术) 、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发展相关。磁悬浮技术的应用领域很广泛，例如，磁悬浮轴承和磁悬浮列车。磁悬浮轴承由于其无接触、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，我国和国际上诸多学者、企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。1 磁悬浮基本原理图1 所示为一简单电磁悬浮系统，它是由悬浮体、位置传感器、控制器和执行器四部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器二部分。悬浮体在如图的参考位置上，假设受到一个向下的扰动，则产生偏离其参考位置的位移，这个位移立即被位置传感器检测出，并将该位移信号传送至控制器。作为控制器的微处理器将检测出的位移信号变换成控制信号，然后经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，以驱动悬浮体向上返回到原来的位置。如此，不论悬浮体受到向下或向上的扰动，磁力将使悬浮体始终能处于稳定的平衡状态，即设定的悬浮位置上。位置传感器图1 简单磁悬浮系统图龟i 槛铁2 磁悬浮的研究与应用作为实施机电能量转换，磁悬浮轨道交通是磁悬浮技术应用的典型实例。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。二十世纪六十年代，世界上出现了三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。随着科学技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来体积庞大的控制设备变得十分轻巧，这给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1 9 6 9 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T R 0 1 型。该车在1k m 轨道上行驶时速可达1 6 5k m ，成为磁悬浮列车发展的第一个里程碑。1 9 9 4 年2 月2 4 日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段7 4k m 长的试验线上，创造了时速4 3 1k m 的日本最高记录。1 9 9 9 年4 月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速5 5 2k m ，2 0 0 3 年1 2 月，载人试验时速达到5 8 l k m 。德国经过2 0 年的努力，技术上已趋成熟，具备建造运营线路的水平。我国对磁悬浮列车的研究工作虽然起步较迟，但进展很快。1 9 8 9 年3 月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。1 9 9 5 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3 0 0k m 的试验。图2 所示的上海浦东磁悬浮列车已投入商业运行，这使中国成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。图2 上海浦东磁悬浮列车此外，无机械接触、无机械磨损的磁悬浮轴承正在被大力研究和开发中。磁悬浮轴承广泛应用于工业设备显示其无可比拟的优越性。如：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；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；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。图3 为磁悬浮散热风扇，图4 为采用磁悬浮散热风扇的计算机显卡。随着C P U 的提速，需要高速的散热风扇。现在市场中的显卡散热风扇无非就是含油轴承和滚珠轴承两种，无论哪种轴承，它们都不可避免地存在一个磨损的问题，风扇轴承旋转时发出的噪音也是电脑中主要的噪音源之一。普通的双滚珠散热风扇噪音一般在3 6 分贝以上，采用磁悬浮显卡散热风扇噪音低于1 8 分贝。同时悬浮散热风扇具有磨损小、寿命长等优点。显卡磁悬浮散热风扇也正是利用了同性相斥异性相吸的磁场力，也就是当开机的时候，风扇上的四个电感线圈开始充电，具有和周围磁性相同的磁性，磁性相斥的磁力可以把风扇的扇叶抬高0 2 毫米，并且循环的斥力作用开始使扇叶具有转动的动力而开始转动。图3为磁悬浮散热风扇图4 采用磁悬浮散热风扇的计算机显卡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。国际上对磁悬浮轴承的研究工作非常活跃。1 9 8 8 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。1 9 9 1 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。美国、法国、瑞士、日本和中国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。传统的磁悬浮轴承需要5 个或1 0 个非接触式位置传感器以检测转子的位移。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。无传感器的磁悬浮轴承则不需要设计专门的位置传感器，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。这类磁悬浮轴承较之传统的磁悬浮轴承具有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、价格会显著下降等优点。这项研究包括，根据电磁铁线圈上的电流和电压信号检测转子位移主要的两类方法：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。O k a d a 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。M i z u n o 、B l e u l e r 和V i s c h e r 等人将磁悬浮轴承看成是一个两端网络，用线性状态空问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。M y o u n g g y a 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。M a t s u d a 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1 2 0 0 0r m i n 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。另外，磁悬浮技术用于航天发射系统将有助于大大降低未来航天发射的费用。常规火箭发动机费用居高不下的主要原因在于推进剂的重量，而磁悬浮技术用电取自地面能源。因此，飞行器的起飞重量将比一般火箭的轻2 0 ，从而大大降低进入空问的成本。图5 为美国国家航空和宇宙航行局马歇尔飞行中心的一个磁悬浮导轨系统和航天器模型。图5( 美国) 马歇尔飞行中心的磁悬浮导轨系统和航天器模型马歇尔飞行中心曾安装了一个1 5 米长的磁悬浮导轨，其设计能力可在半秒钟内将航天器模型从静止加速到时速9 6 公里。该导轨由先进的直线感应电动机组成，直线感应电动机产生直线推力。航天器模型安装在铝制载体上。直线感应电动机产生的交变磁力，或推着或拉着铝载体及其上面的航天器模型沿导轨运动。最终在导轨末端获得六倍于地球引力的加速度。在接受了如此额外的助推之后，真实的航天器则会点着其火箭发动机，从而完成其进入轨道的发射过程。磁悬浮技术在人类日常生活领域中的应用也十分广泛，图6 是采用磁悬浮技术的几种饰品。图6 采用磁悬浮技术的几种饰品3 磁悬浮列车概况磁悬浮技术的研究起源于德国。早在1 9 2 2 年H e r m a n nK e m p e r 先生提出了电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁浮列车的专利。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，进入二十世纪7 0 年代以后，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。根据当时轮轨极限速度的理论，轮轨方式运输所能达到的极限速度约为每小时3 5 0 公里左右，若要超越这一速度运行，则须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。德国和日本在长期持续进行磁悬浮系统研究之后，取得了令世人瞩目的进展。德国开发的磁悬浮列车T r a n s r a p i d 于1 9 8 9 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时4 3 6 公里的速度。日本开发的磁悬浮列车M A G L E V ( M a g n e t i c a l l yL e v i t a t e dT r a i n s ) 于1 9 9 7 年1 2 月在4 7山梨县的试验线上创造出每小时5 5 0 公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于二十一世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营磁悬浮列车是依靠电磁吸力或斥力实现列车与地面轨道之间无机械接触的悬浮，并采用直线电机驱动列车运行。磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，它保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题。磁悬浮列车分以下两大类：常导型，又称常导磁吸型。它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬浮起，悬浮的气隙较小，一般为1 0 毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时4 0 0 5 0 0公里，适合于城市间的长距离快速运输。这类磁悬浮列车可以德国高速常导磁浮列车t r a n s r a p i d 为代表；常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的1 0 毫米悬浮间隙是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外，由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈通过电流时，感应电磁力推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。上海磁浮示范线全长3 0 公里，连接上海市内龙阳路地铁站和浦东国际机场。2 0 0 2 年1 2月3 1 日进行了由中德两国领导人参加的首