1前言
磁悬浮是利用磁力使物体处于无接触悬浮状态并集电磁学、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现代高新科学技术，由于它具有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑、高精度等特点而引起了世界各国科技界与企业界的特别关注，并投入巨资进行开发。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列车和磁悬浮轴承，而且正在向其它领域扩展，并取得了若干重要成果。
2 磁悬浮技术
2.1 磁悬浮技术的基本原理  
为了阐明磁悬浮的基本原理，图1示出了一个简单磁悬浮系统。该系统是由转子、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化变换成控制信号，然后由功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，而控制电流在执行电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，只要转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于一个稳定的平衡状态，即悬浮状态，其维持力称为磁浮力。磁悬浮是一种新型的支承技术、磁悬浮列车、磁浮轴承都是磁悬浮技术在工业交通运输和工业中的实际应用。
2.2 磁悬浮技术及其应用
自古以来，利用磁浮力（吸引力与排斥力）使一个物体能够悬浮起来，一直是人类梦想，然而并不容易实现。直到1937年美国维吉尼亚大学才首度制作一个主动式磁浮轴承，成功地将纵轴型离心分离机转子悬浮起来。由于早期的控制理论与技术的软硬件并不完备，再加上对高速化的需求不强烈，磁浮技术的研究发展缓慢。但近20余年来，随着控制理论与电子技术的发展渐趋成熟，且高速化的需求强烈，使得相关研发迅速推进，并在交通运输、磁悬浮轴承方面的应用上取得了长足进展，并正向在其它领域扩展。
2.2.1 交通运输
在人类交通的整个发展的历史上，不断提高运行速度是其追求的主要目标。从独木舟、四轮推车，到近现代的轮船、汽车、火车、飞机，每一种新型交通工具的出现都为人类的出行带来更大的方便。普通轮轨列车受系统原理和结构所限，不可能达到350-400公里的理论时速。虽然上世纪70年代后高速铁路的兴起，法、日、俄、美等国家的高速列车时速不断提高，也只能在300公里/小时左右徘徊。因此运用磁悬浮这一新型原理的高速列车便应运而生。与飞机和高速铁路相比，磁悬浮列车原形出现于1969年，到1979年仅10年时间实验时速就达到517公里。至目前磁悬浮技术已经成熟，进入到了500公里/小时的高速磁悬浮列车时代。据德国的实验，在同等速度下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1/3，在400公里/小时下与时速300公里的高速轮轨列车持平，当磁悬浮列车的时速降至300公里时却比轮轨铁路低33％；其安全可靠性是飞机的20倍、轮轨列车的250倍、公路系统的700倍。高速、节能、稳定、安全、污染小、易维护、占地少等特点，可以说把人类现有的交通工具所应该具有的诸多优势是如此完美地结合在一起了。很显然，这对资源日益匮乏、环境污染严重的世界具有多么重要的意义啊。
对于我们中国这样一个人均资源相对不足、生态环境恶化的发展中国家来说又具有多么大的吸引力呀。基于我国的国情的考虑，磁悬浮列车最能适应我国高速客运专线网的发展。一方面，时速500公里的高速磁悬浮列车非常适用于长距离、大城市间、大流量的客运，这对于缓解城市日益严重的交通问题非常有利。另一方面，高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术的发展，而这些高新技术本身又将形成新兴产业，对经济发展将发挥十分重要的作用。
a.磁悬浮列车
磁悬浮列车是一种无接触式的运输系统，是现代高科技发展的产物，它由车体和导轨两大部分组成，依靠电磁力悬浮而在车体与导轨之间保持几毫米至一百毫米的气隙，以直线电机驱动运行。理论时速为上千公里，实际时速为500km，其核心是用永磁体（或电磁铁或超导磁体）磁力悬浮取代车轮。它的研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科技术，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，有着"零高度飞行器"的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具，特别适合城市轨道交通。
磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，见图2。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。
磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分；从原理看，磁悬浮列车分为常导型（磁铁吸引式系统EMS）和超导型（磁铁排斥式系统EDS）两大类，如图3所示.常导型磁悬浮列车，以德国transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁的电磁吸力原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右，时速400～500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，时速达500公里以上。这两种磁悬浮列车各有其优缺点和不同的经济技术指标。德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。
b.在汽车中的应用
利用磁悬浮技术制造私人汽车的信息已出现在第16届汽车展览会上。这种私人磁悬浮汽车使用的是燃料电池，综合了金属线地盘技术和磁悬浮技术的优势，其最显著的特点就是既保留了传统汽车的方便性，又能够在高速交通网路上行驶。汽车从一个特殊的轨道引跑，利用直线发动机和引导磁铁来加速并悬浮起来，能实现500公里／小时的惊人速度。也有专家认为，未来高速公路将不复存在，替代它的是纵横交错的电缆，所有汽车都像缆车一样在天空中滑行，汽车也可以自由脱离电缆，用剩余动力停靠在建筑物旁。
2.2.2 磁悬浮轴承
常用的轴承为接触式的滚珠轴承，摩擦问题因而不可避免。摩擦力不仅损耗能量及机件，还产生热量，使机件因温升而变形，影响精度，甚至破坏整个设备。速度愈高，问题愈严重，通常配合适当的润滑以降低摩擦系数。然而，润滑会产生污染问题，不利于环保；为解决摩擦问题，透过非接触方式来支撑转子以避免机件因相互接触产生耗损，进而达到高速化，这是必然的有效的途径。
非接触式轴承主要有三类，一是空气轴承，其缺点是负荷大时精度较差，难以控制，且刚性不佳，可承受力量较小；再者，它必须搭配一个空气泵浦，对于像光驱系统而言，并不实用。第二类为流体轴承，刚性高、可承受负荷大，成本也不高，但流体阻尼大，且会受温度影响，进而影响精度。被认为最具发展潜力的非接触式轴承为磁浮轴承，它是借着磁场感应产生的磁浮力，将转轴悬浮起来，使得转子与轴承不互相接触。与其它轴承相比，磁浮轴承拥有许多优点：首先，它几乎无任何旋转阻力，转子之转速可远高于其它轴承；第二，不需复杂的润滑系统或气压系统，可节省空间；第三，生命周期长，维修成本低；第四，可避免因摩擦所产生之噪音；第五，可适用于低温或高真空状态等特殊工作环境，如外层空间；第六，可透过主动式控制提供所需之刚性，并有效抑制因高速运转所产生的振动问题。
2.2.3 在其它领域中的应用
a.在航天技术方面
现在，NASA马歇尔飞行中心的研究人员正在调研磁悬浮技术用于航天发射系统的可能。不久前，马歇尔飞行中心安装了一个15米长的磁悬浮导轨，设计能力为：在半秒钟内将航天器模型从静止加速到时速96公里。该导轨由所谓先进线性感应电动机（类似于电扇、电钻和缝纫机中的部件）组成。不同于旋转的环形运动，线性感应电动机产生直线推力。
航天器模型安置在铝制载体上。感应电动机产生出交变的磁力，或推着或拉着铝载体及其上面的模型沿导轨运动。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，真实的航天器会点着其火箭发动机完成其进入轨道的发射过程。
科学家正在研究利用磁悬浮技术发射宇宙飞船，不久前已研制出了磁悬浮发射实验装置。
该实验装置的磁悬浮加速轨道的长度仅为15.2米，但却能使宇宙飞船的时速在0.5秒内由零加速到96.5公里。目前，磁悬浮技术驱动列车时速可达500公里以上，已经超过了运载火箭将卫星送入1000公里高度圆轨道498公里的时速。而科学家们相信，该技术完全能够产生第一级运载火箭发射时提供的推动力，使宇宙飞船的时速达到965公里。
利用磁悬浮技术发射飞船具有许多优点：首先，监控人员可以在发射过程中随时关闭电机，使疾驰的飞船立即停下来，大大提高了发射的安全系数。
b.在能源技术方面
由中国科学院广州能源研究所、广州中科恒源能源科技有限公司、兰州环优磁机电科技有限公司联合研制的全永磁悬浮水平式风力发电机组，在结构上完全由永磁体构成，不带任何控制系统的全永磁悬浮风力发电机，完全由我国科技工作者自主研发。该项目的研制开发成功，使世界风能发电机技术取得了关键性的突破。由国家机械工业风力机械产品质量监督检测中心进行的对比性检验表明，加装了全永磁悬浮轴承后的发电机，发电输出功率可提高20%以上，也就是说，在相同风速下，全永磁悬浮发电机可提高发电量20%。经中国科学技术信息研究所查新，该成果为全球首创。
我国风力资源丰富，仅从成本意义上来看，风力电能在各种新能源中居首位，成本下降空间可达40%，与传统风力发电机相比，全永磁悬浮风力发电机真正做到了“轻风启动，微风发电”，可用以开发国内广大地区的低风速资源，大幅增加年发电时间，将平均风速≥3m/s的年小时数，每年提高1000小时，这样可多为国家发电0.3441亿千瓦，相当于1.5个三峡水电站（三峡电站）。
3磁悬浮技术的发展与前景
3.1磁悬浮列车的发展简史
磁悬浮技术应用始于20世纪70年代。就磁悬浮列车而言，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。
我国对磁悬浮列车的研究工作起步较迟，但发展速度很快。  我国从20世纪70年代开始进行磁悬浮列车的研制， 1989年春成功研制出第一台磁悬浮列车实验样本。继1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后。由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学共同研制的，设计时速为100公里的室内磁悬浮列车成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。2001年1月，世界上第一辆载人"高温超导磁悬浮实验车"--"世纪号"在西南交通大学研制成功，这标志着我国在高温超导磁悬浮科学研究与试验技术领域已达到世界领先水平。2001年4月6日，由铁道部第三勘测设计院和国防科技大学磁悬浮技术研究中心设计的，中国首条常导中低速磁悬浮列车实验线工程在国防大学建成。这为中国发展具有自主知识产权的磁悬浮列车的各种工程试验和磁悬浮列车的产业化奠定了基础
 2001年8月14日，中国第一辆国产磁悬浮客车在长春客车厂竣工下线，这标志着中国继德国和日本之后，成为第三个掌握磁悬浮客车技术的国家。这辆由长春客车厂、西南交通大学和株洲电力机车研究所联合开发研制的常导式磁悬浮列车运营时速为60公里，最高试验时速可达100公里。
2002年12月31日，世界首家投入商业运营的磁悬浮列车在上海试运行，震动世界，成为媒体和人们谈论的焦点。近日，上海磁悬浮列车在冠名权拍卖会上更是拍出了2090万元的天价。
2006年1月，中国北车集团唐山机车车辆厂与国防科技大学、株洲电力机车研究所等国内科研机构共同开发研制的常导中低速磁悬浮工程化样车，完成了全部运行试验，各项试验数据均达到设计要求。这标志着我国已经完全掌握中低速磁悬浮列车的各项关键技术。
据悉，上海半小时至杭州的沪杭磁悬浮列车修建近日已获国务院批准，时速达450公里。
3.2磁悬浮轴承的发展
对磁悬浮轴承， 国际上的研究工作非常活跃。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。
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。
在国内，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。
3.3研究方向和应用前景
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 (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。
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高峰时机组的启停次数；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。
4 结束语
磁悬浮技术是现代高科中的新领域，它的突出特点使得在交通运输、机械机床、航天技术与能源等众多方面显示了广阔的应用前景。

参考文献
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