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磁悬浮技术原理及分类

来源:宇恒磁业 发布时间:2021-10-23 17:05:56 点击:

   悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等,其中磁悬浮技术比较成熟。磁悬浮技术实现形式比较多,主要可以分为系统自稳的被动悬浮和系统不能自稳的主动悬浮等。磁悬浮列车是由无接触的磁力支承、磁力导向和线性驱动系统组成的新型交通工具,主要有超导电动型磁悬浮列车、常导电磁吸力型高速磁悬浮列车以及常导电磁吸力型中低速磁悬浮。

  
  磁悬浮原理
  
  磁悬浮技术的系统,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换成控制信号,然后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,从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此,不论转子受到向下或向上的扰动,转子始终能处于稳定的平衡状态。
  
  磁悬浮分类
  
  抗磁质悬浮
  
  1842年,英国物理学家Earnshow在研究点粒子集在静电力作用下的稳定静止问题时提出著名的恩肖理论,这个定理后来被推广到满足平方反比例定律力场中的物体静止平衡问题。
  
  恩肖指出,物体处于稳定的静止状态需要两个条件,物体在平衡点处合力为零同时物体在平衡点处合力的通量小于零。其中第二条件,合力通量小于零保证了物体的动态稳定,也就是物体受到扰动后,所受到的合力仍然指向平衡点。
  
  对于永磁体与铁磁质、永磁体之间的作用力满足平方反比关系,所以根据恩肖理论,永磁体之间或者永磁体与铁磁质之间是不可能产生稳定的磁悬浮的。
  
  恩肖理论中的两个条件后来被布鲁贝克(Braunbeck)于1939年应用于磁介质或者电介质在磁场或者电场中的稳定问题。布鲁贝克指出对于相对磁导率小于1的磁介质可以在静磁场中保持稳定。
  
  相对磁导率小于1的磁材料,通常成为抗磁质,这种磁悬浮通常称为抗磁质悬浮。但是抗磁质的磁化率绝对值往往很小,磁化率最大的抗磁质为热解碳,其磁化率为-400e-6,所以抗磁质悬浮往往需要比较强的磁场。金属金属铋、锑、水以及绝大多数的有机物都是抗磁质,2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈- 盖姆在1997首次成功用16T的磁场将一只青蛙悬浮。
  
  超导斥力悬浮
  
  除了抗磁质外超导体处于超导态时,由于迈斯纳效应磁通不能穿透超导体,其磁化率等于-1,所以其满足布鲁贝克推论的条件,这种悬浮称为超导体斥力悬浮。
  
  超导钉扎悬浮
  
  对于非理想第二类超导体来说,其具有钉扎效应,当非理想第二类超导体处于混合态时,非理想第二类超导体可以俘获并钉扎磁力线,与磁场产生钉扎力,利用钉扎效应也可以产生磁悬浮,这种悬浮称为钉扎悬浮或者量子悬浮。
  
  涡流悬浮
  
  对于常规磁介质,比如弱磁性材料,其相对磁导率接近于1,当其表面或者内部产生涡流时,相当于产生抗磁效应,使物体等效相对磁导率小于1。当然涡流悬浮也可以利用,楞次定律来解释。涡流悬浮通常使用交流电源、电磁铁和导电的弱磁材料比如铜、铝作为悬浮物体。
  
  电动悬浮
  
  电动悬浮也是涡流原理,但是涡流的产生并不是因为磁源交变,而是因为磁体与弱磁性材料之间发生相对移动。比如,磁体(永磁体或者超导磁体)在铝板或者铜板上快速移动,那么铝板或者铜板上会感应涡流,涡流阻碍磁体与铜板与铝板的相对运动,运动方向产生磁阻力,垂直方向产生使物体可以悬浮浮力。
  
  主动控制悬浮
  
  主动控制悬浮是对不能够自稳的悬浮系统采用闭环控制的方法是悬浮稳定的一种悬浮技术。电磁吸力悬浮是主动控制悬浮的一种。
  
  此外还有谐振悬浮、自旋稳定悬浮等多种形式的悬浮技术。
 
钕铁硼磁铁.jpg