1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）常导/超导磁悬浮演示试验装置的控制年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 年 月 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 目 录摘 要 6第一章 绪论 91. 1 问题提出 91. 2 磁悬浮的应用小装置举例 101. 3 磁悬浮列车简介 111.3.1 德国的常导磁悬浮列车 131.3.2 日本的超导磁悬浮列车 131.3.3 中国磁悬浮列车的研究状况 141. 4 磁悬浮列车悬浮方式 151.4.1 电动悬浮（EDS，磁斥式） 151.4.2 电磁悬浮（EMS，磁吸式） 161.4.3 永磁悬浮（PMS，磁吸式） 161. 5 本
2、文研究的主要内容、目标与方法 19第二章 常导磁悬浮的物理模型 2021 常导磁悬浮列车的物理模型 202.1.1 悬浮力的公式推导 202.1.2 磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力 212.1.3 磁浮列车的驱动原理 212.1.4 参数 242.1.5 悬浮力损失的原因分析 252.1.6 悬浮力的补偿 262. 3 常导磁悬浮系统设计 30第三章 超导磁悬浮的物理模型 323. 1 超导体基本现象 323. 2 超导磁悬浮的原理 413. 3 超导磁悬列车的物理模型 423. 4 超导磁悬浮列车的悬浮力和导向力 45第四章 一个简单的悬浮装置 504. 1 概述 504. 2 主要部件尺寸
3、、数量及相关材料 54第五章 总结 57参考文献 59西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 摘 要随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。本文研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程
4、和原理。与超导磁悬浮相比，常导磁悬浮的应用就更为广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬浮和引用非电磁性磁铁（稀土永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮。但是由于电磁铁便于控制和利用，所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点磁悬浮装置的控制问题，做出了一个简单的电磁悬浮装置。这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁片在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。这虽然与实际的电磁铁悬
5、浮控制方原理不同，但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。这个实例给了我们一个启示：简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。关键词：常导磁悬浮，超导磁悬浮，磁悬浮的控制，演示实验装置，磁悬浮列车西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 AbstractAs more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has a
6、lready widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal
7、 point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of the experimental provision. Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To susp
8、end object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property o
9、f the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively. Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization co
10、urse that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted the non- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet , ordinary magnet ,etc.
11、). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspension of this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electr
12、o-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further. At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the expe
13、rimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of
14、suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 this can achieve the the same goal too. This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operati
15、on principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach. Keyword: electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train 西南交通大学本科毕
16、业设计（论文） 第 6 页 第一章 绪论1. 1 问题提出在很久以前我就知道了磁悬浮，磁悬浮具有许多的令人惊奇的特性。而如今，磁悬浮的应用已经出现我们的日常生活中，并且离我们越来越近。最有代表的磁悬浮应用就是磁悬浮列车了，另外，还有磁悬浮的地球仪，陀螺等。但是在普通高校的实验室里，关于磁悬浮方面的演示实验装置并不多。为了让更多的人了解磁悬浮，认识磁悬浮，这也是本文的目的所在，设计一个磁悬浮的演示实验装置，对磁悬浮知识的理解是必不可少的。本文的重点就是对磁悬浮的控制。怎样设计一个成功的磁悬浮装置，关键的问题还是在控制上。所以本文着重介绍的就是关与磁悬浮控制方面的知识。下面就简单介绍一下磁悬浮技术
17、应用最为广泛的磁悬浮列车的控制系统。磁悬浮列车一般分为两种，采用排斥力型的超导磁悬浮列车和采用吸引力型的常导磁悬浮列车。这两种列车的设计方式都很独特，其重点就是怎样通过各种控制手段使列车更安全、稳定，这也是本文所要讨论的重点：如何通过利用磁悬浮的自身特点段或各种手段去控制磁悬浮系统。磁悬浮列车的受力有三个方向：悬浮力（垂直） ，导向（水平左右）和推进力（水平前后） 。怎样通过对三个力的控制，使磁悬浮系统正常平稳的运行就是本文所要讨论的问题。本文的讨论都分为两个部分，超导和常导磁悬浮。研究磁悬浮的目的就是为了更简易的去控制它，所以本文的最后就设计了一个简单的磁悬浮装置，通过一个简单的手段来实现悬
18、浮。用一些简单的方法也能够实现悬浮，所以对我们来说，磁悬浮并不是高不可攀的。吴华注意：本课题的提出是为了开设磁悬浮演示实验， “问题的提出”部分应注意到磁悬浮列车已经得到应用，应当有相应的物理演示实验装置。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 1. 2 磁悬浮的应用小装置举例常导磁悬浮具有磁悬浮的一般性质：悬浮实现非接触，从而减少摩擦。可以达到更高的速度或者持续更长的时间。无噪声，无污染也是起一大优点，所以如今，磁悬浮更多的应用在交通工具上，比如磁悬浮列车。另外，在其他的应用发面，磁悬浮主要应用在一些小装置，小玩具上。1）磁悬浮地球仪的工作原理：由电磁场原理知，电磁铁绕组中通以一定的电
19、流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与永磁力的合力与地球仪重力相平衡时,地球仪就可以悬浮在空中而处于平衡状态,但是这个平衡状态是一种不稳定平衡，这是由于电磁铁与地球仪之间的电磁力大小与它们之间的距离成反比，只要平衡状态稍微受到扰动，就会导致球掉下来或被电磁铁吸上去，因此必须对系统实现闭环控制。为了达到这个目的，在绕组的上下方均安置了磁感应传感器，用以测量地球仪与电磁铁之间的距离变化，当地球受到扰动下降，球与电磁铁之间的距离增大，传感器所测得的强度减弱，其得到的反馈电压减小，经闭环调节与功率放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，合成电磁力增大，球被吸回平衡位置，反
20、之亦然。为了使地球仪稳定地在空中悬浮，同时还能围绕垂直中心轴旋转，增加了一个辅助线圈，在辅助线圈下也安置了传感器。当检测到辅助永磁体时，给辅助线圈增加一个反向磁场，给地球仪一个切向动力，这样，地球仪每转一转，磁推力只需很小，因为地球仪悬在空气中，其旋转阻力是很小的。从上述工作原理分析可知，主线圈用于控制悬浮，而辅线圈用于控制旋转，该控制系统要实现对地球仪的稳定悬浮，其核心是设计一个具有良好调节作用、对外界干扰(周围的振动、风、电压波动等)抑制能力强、对被控对象参数的变化有较低灵敏度的磁场闭环调节器。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 2）磁悬浮电动牙刷的工作原理：这种牙刷能够利用高速
21、音波振动除去牙垢，每分钟振动达到次。工作原理是：通过不断切换驱动部位电磁铁的极和极每秒约切换次，利用吸引力和排斥力使牙刷高速振动，达到除垢的效果。1. 3 磁悬浮列车简介磁悬浮技术的研究源于德国，早在 1922 年 Hermann Kemper 先生就提出了电磁悬浮原理，并于 1934 年申请了磁浮列车的专利。进入 70 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。根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时 350 公里左右
22、，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。 德国开发的磁悬浮列车 Transrapid 于 1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时 436 公里的速度。日本开发的磁悬浮列车 MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于 1997 年 12 月在山梨县的试验线上创造出每小时 550 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，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。磁悬浮列车实际
23、上是依靠电磁吸力或电动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，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、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，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车 transrapid 为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小
24、，一般为 10 毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时 400500 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也称超导磁斥型，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，速度可达每小时 500 公里以上。这两种磁悬浮列车各有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。作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势：首先，它克服了传统轮轨铁路
25、提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在 1825 年，经过 140 年努力，其运营速度才突破 200 公里/小时，由 200 公里/小时到 300 公里/小时又花了近 30 年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300 公里/小时高速铁路的造价比 200 公里/小时的准高速铁路高近两倍，比 120 公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是 1969 年在德国出现的，日本是 1972 年造出的。可仅仅十年后的 1979 年，磁悬浮列车技术就
26、创造了 517 公里/小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入 500 公里/小时实用运营的建造阶段。第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达 400-500 公里/小时，超导磁悬浮可达 500-600 公里/小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300 公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于 700 公里时才优越。而 500 公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的
27、旅行距离将达 1500西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 公里以上。第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为 500 公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的 13。据德国试验，当TR 磁悬浮列车时速达到 400 公里时，其每座位公里能耗与时速 300 公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到 300 公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低 33。1.3.1 德国的常导磁悬浮列车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
28、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悬浮间隙为 10 毫米，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像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，它就像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有电时，由于电磁感应而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像电机的“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。1.3.2 日本的超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的
