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 : 电子科学与技术 指导老师 : 年 月 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 院 系 理学院 电子科学与技术系 专 业 电子科学与技术 年 级 姓 名 题 目 常导 /超导磁悬浮 演示实验装置 的控制 指导教师 评 语 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 毕业设计（论文）任务书 班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 年 月 日 完
2、成日期： 年 月 日 题目 常导 /超导磁悬浮 演示实验装置 的控制 1、本论文的目的、意义 本 文 目的是通过磁悬浮技术的理论研究，让跟多的人认识磁悬浮，了解磁悬浮。通过本 文 的理论知识的介绍，我 自己设计 制作了一个简单的磁悬浮装置，用于 实现磁 悬浮原理。 通过一个简单的装置就能实现磁悬浮原理，让人们认识到磁悬浮并不是遥不可及的。 本文的意义是通过对磁悬的原理分析，结合自做的小装置，希望更多采用磁悬浮技术产品应用到高校的实验室和日常生活 中。让人们更多的认识磁悬浮，普及磁悬浮知识。 2、学生应完成的任务 了解磁悬浮的基本知识，磁悬浮技术的应用，磁悬浮技术在国外以及在国内的发展情况。了解
3、超导体的性质，超导磁悬浮的基本原理，并且结合实际中应用最广泛的超导磁悬浮列车说出其具体的工作原理。了解常导磁悬浮的基本知识及实现原理 ，并且能够对现有的常导磁悬浮列车了解出其工作原理。理论分析在超导 /常导磁悬浮系统中的控制过程，方法。学生根据自己所学习到的知识设计一个小模型，用来演示磁悬浮现象。 整个装置用于解释和说明磁悬浮原理和现象。通过这个装置，使磁悬浮的演示实验内容更加丰富。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周） 第一部 查找与论文有关的英文资料和论文资料 ( 1 周 ) 第二部分 学习磁悬浮相关的理论知识 ，进行对英文文献的学习
4、和翻译。 ( 2 周 ) 第三部分 了解 所写 论文的目的、 意义 。并开始构思论文的内容。 (3 周 ) 第四部分 根据设计的装置购置所需的器材，并且完成设计的装置。 (3 周 ) 第五部分 攥 写 论 文 ， 并 完 成 设 计 装 置 的 制 作 (3 周 ) 评阅及答辩 ( 周 ) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 目 录 摘 要 6 第一章 绪论 9 1. 1 问题提出 9 1. 2 磁悬浮的应用小装置举例 10 1. 3 磁悬浮列车简介 11 1.3.1 德国的常导磁悬浮列车 13 1.3.2 日本的超导磁悬浮列
5、车 13 1.3.3 中国磁悬浮列车的研究状况 14 1. 4 磁悬浮列车 悬浮方式 15 1.4.1 电动悬浮（ EDS，磁斥式） 15 1.4.2 电磁悬浮（ EMS，磁吸式） 16 1.4.3 永磁悬浮（ PMS，磁吸式） 16 1. 5 本文研究的主要内容、目标与方法 19 第二章 常导磁悬浮的物理模型 20 2 1 常导磁悬浮列车的物理模型 20 2.1.1 悬浮力的公式推导 20 2.1.2 磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力 21 2.1.3 磁浮列车的驱动原理 21 2.1.4 参数 24 2.1.5 悬浮力损失的原因分析 25 2.1.6 悬浮力的补偿 26 2. 3 常导磁悬浮
6、系统设计 30 第三章 超导磁悬浮的物理模型 32 3. 1 超导体基本现象 32 3. 2 超导磁悬浮的原理 41 3. 3 超导磁 悬列车的物理模型 42 3. 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 50 4. 1 概述 50 4. 2 主要部件尺寸、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 6 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
7、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
8、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
9、， 磁悬浮的 控制 ，演示实验装置 ， 磁悬浮列车 Abstract 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 As 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 already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into
10、 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 point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the
11、 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 suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop
12、 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 of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce supercond
13、uctive magnetic suspension deeply progressively. Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that elec
14、tromagnetic 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. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more ex
15、tensive 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 electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension cont
16、rol 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 experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspe
17、nsion. 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 suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with rea
18、l electro-magnet, simple means this can achieve the the same goal too. This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach.
19、西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 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业设计（论文） 第 9 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
20、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 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
21、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：
22、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 10 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
23、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
24、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。 2） 磁悬浮电动牙刷的工作原理： 这种牙刷能够利用高速音波振动除去牙垢，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，
