磁懸浮技術(shù)原理及分類

懸浮技術(shù)主要包括磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、電懸浮、粒子束懸浮等，其中磁懸浮技術(shù)比較成熟。磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)形式比較多，主要可以分為系統(tǒng)自穩(wěn)的被動懸浮和系統(tǒng)不能自穩(wěn)的主動懸浮等。磁懸浮列車是由無接觸的磁力支承、磁力導(dǎo)向和線性驅(qū)動系統(tǒng)組成的新型交通工具，主要有超導(dǎo)電動型磁懸浮列車、常導(dǎo)電磁吸力型高速磁懸浮列車以及常導(dǎo)電磁吸力型中低速磁懸浮。

磁懸浮原理

磁懸浮技術(shù)的系統(tǒng)，是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

磁懸浮分類

抗磁質(zhì)懸浮

1842年，英國物理學(xué)家Earnshow在研究點粒子集在靜電力作用下的穩(wěn)定靜止問題時提出著名的恩肖理論，這個定理后來被推廣到滿足平方反比例定律力場中的物體靜止平衡問題。

恩肖指出，物體處于穩(wěn)定的靜止狀態(tài)需要兩個條件，物體在平衡點處合力為零同時物體在平衡點處合力的通量小于零。其中第二條件，合力通量小于零保證了物體的動態(tài)穩(wěn)定，也就是物體受到擾動后，所受到的合力仍然指向平衡點。

對于永磁體與鐵磁質(zhì)、永磁體之間的作用力滿足平方反比關(guān)系，所以根據(jù)恩肖理論，永磁體之間或者永磁體與鐵磁質(zhì)之間是不可能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁懸浮的。

恩肖理論中的兩個條件后來被布魯貝克（Braunbeck）于1939年應(yīng)用于磁介質(zhì)或者電介質(zhì)在磁場或者電場中的穩(wěn)定問題。布魯貝克指出對于相對磁導(dǎo)率小于1的磁介質(zhì)可以在靜磁場中保持穩(wěn)定。

相對磁導(dǎo)率小于1的磁材料，通常成為抗磁質(zhì)，這種磁懸浮通常稱為抗磁質(zhì)懸浮。但是抗磁質(zhì)的磁化率絕對值往往很小，磁化率最大的抗磁質(zhì)為熱解碳，其磁化率為-400e-6，所以抗磁質(zhì)懸浮往往需要比較強的磁場。金屬金屬鉍、銻、水以及絕大多數(shù)的有機物都是抗磁質(zhì)，2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安德烈-蓋姆在1997首次成功用16T的磁場將一只青蛙懸浮。

超導(dǎo)斥力懸浮

除了抗磁質(zhì)外超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，由于邁斯納效應(yīng)磁通不能穿透超導(dǎo)體，其磁化率等于-1，所以其滿足布魯貝克推論的條件，這種懸浮稱為超導(dǎo)體斥力懸浮。

超導(dǎo)釘扎懸浮

對于非理想第二類超導(dǎo)體來說，其具有釘扎效應(yīng)，當非理想第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)時，非理想第二類超導(dǎo)體可以俘獲并釘扎磁力線，與磁場產(chǎn)生釘扎力，利用釘扎效應(yīng)也可以產(chǎn)生磁懸浮，這種懸浮稱為釘扎懸浮或者量子懸浮。

渦流懸浮

對于常規(guī)磁介質(zhì)，比如弱磁性材料，其相對磁導(dǎo)率接近于1，當其表面或者內(nèi)部產(chǎn)生渦流時，相當于產(chǎn)生抗磁效應(yīng)，使物體等效相對磁導(dǎo)率小于1。當然渦流懸浮也可以利用，楞次定律來解釋。渦流懸浮通常使用交流電源、電磁鐵和導(dǎo)電的弱磁材料比如銅、鋁作為懸浮物體。

電動懸浮

電動懸浮也是渦流原理，但是渦流的產(chǎn)生并不是因為磁源交變，而是因為磁體與弱磁性材料之間發(fā)生相對移動。比如，磁體（永磁體或者超導(dǎo)磁體）在鋁板或者銅板上快速移動，那么鋁板或者銅板上會感應(yīng)渦流，渦流阻礙磁體與銅板與鋁板的相對運動，運動方向產(chǎn)生磁阻力，垂直方向產(chǎn)生使物體可以懸浮浮力。

主動控制懸浮

主動控制懸浮是對不能夠自穩(wěn)的懸浮系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方法是懸浮穩(wěn)定的一種懸浮技術(shù)。電磁吸力懸浮是主動控制懸浮的一種。

此外還有諧振懸浮、自旋穩(wěn)定懸浮等多種形式的懸浮技術(shù)。