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)的應用也有兩種相應的形式:一種是利用磁鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統,它利用超導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計的系統,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)一般可以分為常導懸浮、超導懸浮和永磁體懸浮三種。所謂常導、超導和永磁體懸浮,分別是指形成懸浮力需要利用常溫導體制造的電磁鐵、超導材料制造的電磁鐵和永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
常導磁懸浮是利用通入直流電流的常導線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng),對鐵磁材料產(chǎn)生的吸引力來(lái)實(shí)現懸浮。由于這種懸浮方式本質(zhì)上是不穩定的,因此需要對懸浮氣隙進(jìn)行閉環(huán)控制,調節線(xiàn)圈的電流來(lái)控制吸引力的大小,從而實(shí)現被懸浮物體的穩定懸浮。為提高磁感應強度,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)控制系統來(lái)維持穩定懸浮,被懸浮物必須是導磁體。
高頻感應線(xiàn)圈產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)可以在金屬中感應出電渦流,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)現斥力懸浮。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以對任何導電體可以實(shí)現靜止懸浮,不要求懸浮體是導磁體。這種方法已經(jīng)應用于高純度、高熔點(diǎn)金屬的熔煉,由于感應懸浮方法的懸浮力決定于感應電流的大小,而且一般采用常導線(xiàn)圈,能耗較大,應用面較窄。
永久磁鐵是使用硬磁材料充磁后所具有的很強的剩磁效應制造的。由于無(wú)論采用斥力還是吸引力方式實(shí)現懸浮,永磁體在使用中都是不消耗能源的,因此在節能要求高的場(chǎng)合有特殊的優(yōu)勢。其缺點(diǎn)是永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)難以控制,因此需要和常導電磁鐵組合使用。而且強永磁體制作成本高,普通材料又難以產(chǎn)生足夠的磁感應強度,因此工作受到限制。
超導懸浮是在空心超導線(xiàn)圈中通入強電流,從而產(chǎn)生強磁場(chǎng)實(shí)現懸浮。超導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,所以常與常導方式結合使用。利用斥力懸浮時(shí),是讓超導體與另一個(gè)導體產(chǎn)生相對運動(dòng),利用在另一導體中產(chǎn)生的感應電流來(lái)獲得斥力。超導電磁鐵懸浮常用于磁懸浮列車(chē)。超導電磁鐵懸浮的優(yōu)點(diǎn)是系統是自穩定的,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,超導懸浮系統需要復雜的液氮冷卻系統。
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)機械磨損、低能耗、低噪聲和低維護費。
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用,而且可以長(cháng)期工作無(wú)需潤滑和維護。
3) 可以實(shí)現主動(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中得到應用,也易于實(shí)現計算機控制,進(jìn)而實(shí)現運動(dòng)、監控及自動(dòng)檢測和診斷,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,大大減輕了應力,可以降低系統制造成本,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) 由于磁懸浮系統是以電磁力完成懸浮、導向和驅動(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)其高速穩定性和可靠性還需很長(cháng)時(shí)間的運行考驗。
2) 常導磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低。因此磁懸浮列車(chē)對線(xiàn)路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術(shù)更高。
3) 超導磁懸浮技術(shù)由于渦流效應懸浮能耗較常導技術(shù)更大,冷卻系統重,其造價(jià)也相對較高,整個(gè)系統也復雜,而且強磁場(chǎng)對人體與環(huán)境都有影響。