磁懸浮技術(shù)是利用磁鐵“同性相斥,異性相吸”的性質(zhì),讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的懸浮狀態(tài)。
由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式,故磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用也有兩種相應(yīng)的形式:一種是利用磁鐵同性相斥原理而設(shè)計(jì)的電磁運(yùn)行系統(tǒng),它利用超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場(chǎng)與線(xiàn)圈形成的磁場(chǎng)之間所產(chǎn)生的相斥力,使物體保持懸??;另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設(shè)計(jì)的系統(tǒng),它利用吸引力與物體的重力平衡,從而使物體保持懸浮。
磁懸浮技術(shù)一般可以分為常導(dǎo)懸浮、超導(dǎo)懸浮和永磁體懸浮三種。所謂常導(dǎo)、超導(dǎo)和永磁體懸浮,分別是指形成懸浮力需要利用常溫導(dǎo)體制造的電磁鐵、超導(dǎo)材料制造的電磁鐵和永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
常導(dǎo)磁懸浮是利用通入直流電流的常導(dǎo)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng),對(duì)鐵磁材料產(chǎn)生的吸引力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮。由于這種懸浮方式本質(zhì)上是不穩(wěn)定的,因此需要對(duì)懸浮氣隙進(jìn)行閉環(huán)控制,調(diào)節(jié)線(xiàn)圈的電流來(lái)控制吸引力的大小,從而實(shí)現(xiàn)被懸浮物體的穩(wěn)定懸浮。為提高磁感應(yīng)強(qiáng)度,通常將線(xiàn)圈繞在鐵磁材料的鐵芯上。這種方式要求引入主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)維持穩(wěn)定懸浮,被懸浮物必須是導(dǎo)磁體。
高頻感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)可以在金屬中感應(yīng)出電渦流,這樣的渦流也同樣會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),而且必定與原來(lái)磁場(chǎng)方向相反,于是可以利用這一原理實(shí)現(xiàn)斥力懸浮。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)任何導(dǎo)電體可以實(shí)現(xiàn)靜止懸浮,不要求懸浮體是導(dǎo)磁體。這種方法已經(jīng)應(yīng)用于高純度、高熔點(diǎn)金屬的熔煉,由于感應(yīng)懸浮方法的懸浮力決定于感應(yīng)電流的大小,而且一般采用常導(dǎo)線(xiàn)圈,能耗較大,應(yīng)用面較窄。
永久磁鐵是使用硬磁材料充磁后所具有的很強(qiáng)的剩磁效應(yīng)制造的。由于無(wú)論采用斥力還是吸引力方式實(shí)現(xiàn)懸浮,永磁體在使用中都是不消耗能源的,因此在節(jié)能要求高的場(chǎng)合有特殊的優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)是永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)難以控制,因此需要和常導(dǎo)電磁鐵組合使用。而且強(qiáng)永磁體制作成本高,普通材料又難以產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度,因此工作受到限制。
超導(dǎo)懸浮是在空心超導(dǎo)線(xiàn)圈中通入強(qiáng)電流,從而產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)懸浮。超導(dǎo)懸浮有吸引力懸浮和斥力懸浮兩種形式。利用吸引力懸浮式,由于電流難以控制,所以常與常導(dǎo)方式結(jié)合使用。利用斥力懸浮時(shí),是讓超導(dǎo)體與另一個(gè)導(dǎo)體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),利用在另一導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流來(lái)獲得斥力。超導(dǎo)電磁鐵懸浮常用于磁懸浮列車(chē)。超導(dǎo)電磁鐵懸浮的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)是自穩(wěn)定的,無(wú)需主動(dòng)控制,也無(wú)需沉重的鐵芯,線(xiàn)圈能量損耗少。但是,超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)需要復(fù)雜的液氮冷卻系統(tǒng)。
磁懸浮技術(shù)主要有以下突出優(yōu)點(diǎn):
1) 無(wú)接觸。由于不和被懸浮體接觸,因此無(wú)摩擦、無(wú)機(jī)械磨損、低能耗、低噪聲和低維護(hù)費(fèi)。
2) 由于不需要支撐介質(zhì),所以可在真空,超凈和高溫、低溫等各種特殊條件下應(yīng)用,而且可以長(zhǎng)期工作無(wú)需潤(rùn)滑和維護(hù)。
3) 可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制,所以能夠在各種需要減振、支撐硬度能夠改變的系統(tǒng)中得到應(yīng)用,也易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、監(jiān)控及自動(dòng)檢測(cè)和診斷,自動(dòng)化程度高。
4) 受力分布均勻,因此磁懸浮支撐力是均勻分布在整個(gè)磁極面上,大大減輕了應(yīng)力,可以降低系統(tǒng)制造成本,提高壽命可可靠性。
盡管磁懸浮技術(shù)有上述的許多優(yōu)點(diǎn),但仍然存在一些不足:
1) 由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的,斷電后磁懸浮的安全保障措施。尤其是磁懸浮列車(chē)停電后的制動(dòng)問(wèn)題仍然是要解決的問(wèn)題,同時(shí)其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。
2) 常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低。因此磁懸浮列車(chē)對(duì)線(xiàn)路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。
3) 超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大,冷卻系統(tǒng)重,其造價(jià)也相對(duì)較高,整個(gè)系統(tǒng)也復(fù)雜,而且強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體與環(huán)境都有影響。
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