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發(fā)表時間:2011-4-9 15:13:48 IP:113.244.146.209 |
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主題:關(guān)于磁力應(yīng)用領(lǐng)域的報告 |
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(一) 現(xiàn)有的磁力應(yīng)用工程
1.磁力起重設(shè)備
過去使用一種電磁式起重機，用電磁鐵做吸盤，吸起大量鋼鐵，到了指定地點后斷電，電磁力消失，這些鋼鐵就被堆放起來。這種起重機在吸、舉和移動過程中要消耗掉大量電能，很不經(jīng)濟。近來發(fā)展起電脈沖永磁起重機。在吸盤上有一個充磁、退磁的充放電系統(tǒng)。當吸盤放到待運的鋼鐵上時，對永磁回路系統(tǒng)進行脈沖充磁，永磁體達到高工作點，產(chǎn)生強大的吸引力，把成噸的鋼鐵牢牢的吸住。當?shù)竭_指定的堆放位置時，對永磁回路系統(tǒng)施加一個適當大小的反脈沖，使永磁體退到低工作點，吸力大大減弱，這成噸的鋼鐵就被堆放在指定位置了。
永磁起重技術(shù)，是永磁材料應(yīng)用的新領(lǐng)域之一，也是起重技術(shù)發(fā)展中的一個新方向。永磁起重裝置的基本特征是:在起重作業(yè)過程中，不需要通電流，靠強大的永磁體的磁力把鋼鐵等鐵磁性物件吸吊起來。因此，相對于傳統(tǒng)的電磁式起重而言，永磁起重的最大優(yōu)點，是節(jié)省能源。因為不存在因停電而發(fā)生事故的問題，所以永磁起重裝置的另一個優(yōu)點是安全可靠。又由于不需要防斷電裝置，因此有利于降低成本。一般而言，永磁起重裝置的體積和重量，要比同級的電磁式的裝置小而輕。永磁起重技術(shù)，顯示出美好的前景，然而目前它尚處于發(fā)展階段，還有不少問題，需要進一步研究。
2.電磁離合器
(1) 摩擦式
摩擦式是把相對著的一個或兩個以上的摩擦面壓在一起，靠摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，在摩擦力的加壓或釋放方法方面有電磁力加壓、彈簧釋放和彈簧加壓、電磁力釋放兩種。一般前者占壓倒多數(shù)，后者在停電時也處于動作狀態(tài)，適用于非常停止等用途。電磁摩擦離合器與其它離合器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，外型小，使用上的限制少等特點，作為一般產(chǎn)業(yè)等用途目前是用量最多的。
(2) 牙嵌式
靠在主動側(cè)和從動側(cè)的轉(zhuǎn)矩傳遞面上的齒和齒的嚙合來傳動轉(zhuǎn)矩的離合器，稱作電磁牙嵌式離合器。由于轉(zhuǎn)矩是靠齒的嚙合而機械的進行傳遞，和摩擦式相比體積小，傳遞轉(zhuǎn)矩大。
(3) 氣隙式
粉末離合器使用磁性粉末作為動力傳遞的媒體，動作部分有同心圓筒形和盤形，前者占壓倒多數(shù)。在特性方面的特征有傳遞的轉(zhuǎn)矩和主動側(cè)與被動側(cè)的轉(zhuǎn)速滑差大小無關(guān)，傳遞轉(zhuǎn)矩和勵磁電流大致成比例等。
3. 除鐵器
除鐵器是一種用于清除塊狀或粉狀物料中雜鐵的除鐵裝置。按磁力來源不同，可分為電磁除鐵器和永磁除鐵器。電磁除鐵器實質(zhì)上是一種直流電磁鐵，其勵磁線圈在通電過程中產(chǎn)生強磁場，將非磁性物料中的鐵件吸起。永磁除鐵器是以高矯頑力、高剩磁的稀土磁性材料釹鐵硼和鐵氧體組成磁源，以形成強力磁場，用于吸除鐵磁性雜物。
較早的除鐵器就是把電磁鐵懸掛在膠帶輸送機的上方，當輸送的物料中有鐵器通過時就被吸出來附集在電磁鐵表面上。其缺點是：要把這些鐵器清除下來必須切斷電源之后才能自動脫落；另外，電磁鐵運行消耗功率比較大，有鐵時吸鐵，無鐵時等待，這樣一部分電能就白白浪費了。后來通過改進，將原來的固定吊掛改為可在軌道上自由行走，往返于膠帶輸送機上方和外側(cè)卸料區(qū)，并在膠帶輸送機上電磁鐵工作區(qū)來料方向一定距離處安裝鐵器探測儀，組成除鐵器自動控制系統(tǒng)。當膠帶輸送機停機及無鐵時，除鐵器斷電停在位于膠帶輸送機一側(cè)的卸料區(qū);當膠帶輸送機輸送的物料中有鐵器通過時，探測儀會發(fā)出信號讓除鐵器自動行走到膠帶輸送機的上方工作區(qū)，且延時自動送電工作。此時鐵件準確到達就立即被電磁鐵吸上來，隨后除鐵器自動離開工作區(qū)返回，到達卸料區(qū)后自動斷電卸料，如此反復(fù)動作合理除鐵。這套裝置仍不完善，只適于少量斷續(xù)出現(xiàn)鐵器的清除，不能滿足所有用戶的需要。
4.磁選機
在選礦生產(chǎn)線中，磁選機是不可或缺的設(shè)備，配合給礦機、提升機、傳送機、粉碎機等可組成完整的選礦生產(chǎn)線。經(jīng)過洗凈和分級的礦物混合料在傳送到磁選機上時，由于各種礦物的比磁化系數(shù)不同，經(jīng)由磁力和機械力將混合料中的磁性物質(zhì)分離開來。
較早的應(yīng)用是電磁選礦機，后來，以強磁永磁鐵為基礎(chǔ)的稀土磁力輥分選機(REMS)干式磁選的發(fā)展與電磁選礦機相比提高了分選效果和處理能力，并降低了基建費用和生產(chǎn)成本。在減少機器所需占地面積方面，這種方法也是有利的。
強磁選機的原理如圖1所示。移動膠帶上的干礦物給到磁力輥上，磁力、重力和離心力等通過移動式分離器近側(cè)的磁性礦物的偏轉(zhuǎn)完成分選作業(yè)。磁性礦物的磁性越高，其流動就越趨向于跟隨在磁力輥表面周圍，非磁性礦物在它離開常規(guī)膠帶輸送機端部時將早先拋落。
5.電磁軸承
電磁軸承（Magnetic Bearing，簡稱MB），又稱為磁懸浮軸承，是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸的一種新型、高性能軸承。它的工作原理就是通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的軸偏差信號，將該信號送入控制器，通過功率放大器控制電磁鐵中的電流，從而產(chǎn)生電磁力的變化使轉(zhuǎn)子懸浮于規(guī)定的位置。
與傳統(tǒng)的滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機械接觸，轉(zhuǎn)子可以運行到很高的轉(zhuǎn)速，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中。
磁懸浮軸承是一個復(fù)雜的機電耦合系統(tǒng)，它由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子和定子組成(徑向軸承結(jié)構(gòu)如圖2，推力軸承結(jié)構(gòu)如圖3)，通常它們都是由鐵磁疊片構(gòu)成的。轉(zhuǎn)子疊片裝在軸徑上，定子疊片上開有槽，并纏繞著線圈以提供磁力�？刂葡到y(tǒng)指控制轉(zhuǎn)子位置的電氣系統(tǒng)，簡單的控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和功率放大器組成(如圖4)。傳感器是檢測元件，其中，位置傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的偏移情況，速度傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子的運動速度;控制器是整個磁懸浮軸承的核心，其性能決定了磁懸浮軸承的好壞，其作用是對傳感器檢測到的位置偏差信號進行適度的運算，使得轉(zhuǎn)子有高精度的定位，在外力的干擾作用下能通過迅速而恰當?shù)碾娏髯兓罐D(zhuǎn)子回到基準位置;功率放大器則向電磁鐵提供產(chǎn)生電磁力所需的電流。
6.磁懸浮
磁懸浮列車是一種全新的列車。它依靠電磁場特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛托起，使整個列車懸浮在線路上，利用電磁力進行導(dǎo)向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力來推動列車前進的最新穎的第五代交通運輸工具。
一般的列車，由于車輪和鐵軌之間存在摩擦，限制了速度的提高。磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導(dǎo)軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機牽引．直線電機的一個級固定于地面，跟導(dǎo)軌一起延伸到遠處；另一個級安裝在列車上．初級通以交流，列車就沿導(dǎo)軌前進．列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機的線圈），磁體隨列車運動時，使設(shè)在地面上的線圈（或金屬板）中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場和列車上的磁體（或線圈）之間的電磁力把列車懸浮起來．懸浮列車的優(yōu)點是運行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達到550km／h．懸浮列車減速的時候，磁場的變化減小，感應(yīng)電流也減小，磁場減弱，造成懸浮力下降．懸浮列車也配備了車輪裝置，它的車輪像飛機一樣，在行進時能及時收入列車，�？繒r可以放下來，支持列車．
7.磁共振成像技術(shù)
磁共振成像(M R I)是當前最先進的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，是二十世紀醫(yī)學(xué)成像最重要的進展之一，也是世界上最先進的大型醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備。它在醫(yī)療診斷方面一個最突出的特點是對軟組織的顯像特別清晰，迄今為止，沒有一種現(xiàn)存的影像診斷設(shè)備能與磁共振成像MRI設(shè)備相比擬，尤其是在提供腦、脊髓、骨骼肌肉的精美結(jié)構(gòu)和解剖細節(jié)方面更沒有比MRI成像更有效的設(shè)備，這是由于磁共振成像的原理完全不同于CT成像，超聲成像和同位素成像。它是基于一種新型的成像原理。
通常CT成像是依靠X線照射人體而被人體組織所吸收，人們依靠X線穿過人體不同的斷層組織而發(fā)生衰減的數(shù)值大小將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的灰度，從而獲取不同斷層的灰度像。MRI的成像原理與CT成像原理完全不同，它是依靠在強大的靜磁場和射頻脈沖作用之后，人體內(nèi)部的大量氫質(zhì)子釋放出來的無線電信號，被體外的接收線圈所接收，人們將被接收的無線電信號再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的灰度，從而獲取人體不同斷層的灰度像。對于不同斷層的空間位置及其每個斷層上每個提供不同灰度像素的氫質(zhì)子的空間位置，則由梯度磁場Gx, Gy, Gz來完成。這樣一來，磁共振成像即建立于分子量級的基礎(chǔ)之上，換句話說，MRI成像的清晰度遠遠超過了CT圖像。因而MRI成像設(shè)備在近二十年來得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。
8.磁場下的結(jié)晶技術(shù)
磁場下的結(jié)晶技術(shù)主要就是指的用電磁力抑制金屬流動中的渦流，使結(jié)晶過程更順利。
熔化的金屬從一個容器(如鐵水包)倒入另一容器(如中間鐵水包)時，經(jīng)常產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。渦流的產(chǎn)生容易將雜質(zhì)帶入金屬中，使其質(zhì)量變劣。利用電磁力來抑制這種渦流現(xiàn)象，其中電磁力的施加方法有兩種：一種是加水平方向的磁場，另一種是加垂直方向的磁場。當采用水平方向磁場抑制渦流時，磁場越強的部位應(yīng)調(diào)節(jié)在渦流產(chǎn)生的地方。這樣，對渦流的抑制效果越好。當采用垂直方向磁場抑制渦流時，抑制的效果不僅與磁場的方向有關(guān)，而且與渦流引起的金屬凸出或凹入位置有關(guān)，以及渦流是否在水平面上旋轉(zhuǎn)有關(guān)。實驗結(jié)果已表明，水平方向的磁場抑制作用比垂直方向的磁場抑制作用要好。因為在后一情況下，金屬的凸出或凹入是隨機的，很難控制磁場來滿足有效抑制的條件。
9.磁力探傷
磁力探傷是在不損壞原材料和制品的前提下，利用材料的鐵磁性能以檢驗鋼鐵等鐵磁性材料的表面或接近表面的微小缺陷，如裂紋、夾雜物、白點、折疊、縮孔、結(jié)疤等。
進行磁力檢驗時，首先要將試件磁化。一般來說，無缺陷的材料，其磁性分布是均勻的，任何部位的導(dǎo)磁都相同。因此，各個部位的磁通量也很均勻，磁力線通過的方向不會發(fā)生變化。反之，如果材料的均勻度受到某些缺陷(如裂縫、孔洞、非磁性夾雜物或其他不均勻組織)的破壞，就在該缺陷處的導(dǎo)磁率偏低時，則通過該處的磁力線就受到歪曲而偏離原來方向。這樣，就會形成局部“漏磁磁場”，而這些漏磁部位便產(chǎn)生弱小磁極。此時，如果把磁粉噴撒在試樣表面上，則有缺陷的漏磁處就會吸收磁粉，表明吸收磁粉處就是缺陷。在表皮下的缺陷所引起的磁漏則較弱，其痕跡也較模糊。離表皮過深的缺陷不易發(fā)現(xiàn)。
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(二)磁力應(yīng)用領(lǐng)域的新動向
1. 電磁軸承前景廣闊
電磁軸承具備許多突出優(yōu)點，因此它受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的普遍關(guān)注。但目前磁懸浮軸承的實際應(yīng)用中還存在著以下問題:(1)造價高。目前實現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮的軸承系統(tǒng)多較為復(fù)雜，造價比傳統(tǒng)軸承高，僅應(yīng)用于某些特殊需要的場合。(2}磁懸浮軸承的剛度和承載能力使大規(guī)模應(yīng)用還有一定難度。磁懸浮軸承剛度的大小取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成現(xiàn)在多采用可控電磁鐵來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，提供的剛度和阻尼都比較小，承載能力比同等條件下的傳統(tǒng)軸承小，這也制約了磁懸浮軸承的應(yīng)用范圍。
目前國內(nèi)對電磁軸承的研究分散在個別單項研究上，研究模型主要針對簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，因此距投人實用還有一段距離。從總體上看，目前國內(nèi)外對于電磁軸承的研究具有以下幾個發(fā)展趨勢。
(1)在系統(tǒng)建模時，不再是基于簡單懸浮物體的解耦控制，而是更多地考慮了整個系統(tǒng)各狀態(tài)間的耦合效應(yīng)，包括軸向與徑向、徑向與徑向之間的耦合以及陀螺效應(yīng)等。這反映了人們對電磁軸承認識的進一步深化。
(2)在理論分析時，不象以往的研究者那樣，多在系統(tǒng)的控制策略以及其實現(xiàn)方面埋頭苦干，而是更重視系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，從而改進控制方法。有時需要進一步考慮非線性的影響，用非線性理論對電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡點和周期解以及穩(wěn)定性進行判別，進而研究在系統(tǒng)參數(shù)變化時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解的結(jié)構(gòu)變異，即解的分岔問題，并研究在任意給定的初始條件下或系統(tǒng)受擾后，系統(tǒng)響應(yīng)的長期發(fā)展結(jié)果，即研究非線性系統(tǒng)解的全局性態(tài)，再結(jié)合數(shù)字控制手段使系統(tǒng)參數(shù)和性能進一步優(yōu)化、提高。這說明轉(zhuǎn)子動力學(xué)和其他相關(guān)領(lǐng)域的研究成果被自覺地運用到電磁軸承的研究中，對電磁軸承的發(fā)展起到了促進作用。
(3)基于全局的優(yōu)化設(shè)計，除了要讓電磁軸承自身以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿足相應(yīng)的機械要求外，還應(yīng)從系統(tǒng)的角度考慮電磁軸承的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性。這為電磁軸承的產(chǎn)品化創(chuàng)造了一個更廣闊的應(yīng)用前景。
(4)越來越多的采用數(shù)字控制。為了達到更高的性能要求，計算機在電磁軸承系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要，控制器的數(shù)字化、集成化和計算機化使電磁軸承的硬件系統(tǒng)趨于結(jié)構(gòu)化、模塊化，這有利于電磁軸承的標準化、系列化和商品化。而相應(yīng)發(fā)展的軟件越來越多地采用了基于現(xiàn)代控制理論的各種控制算法，如滑模控制、非線性模糊控制、自適應(yīng)控制等，使得電磁軸承更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向發(fā)展。
(5)開展了對無傳感器電磁軸承、無軸承電機和超導(dǎo)電磁軸承等更新型電磁軸承的研究。這表明對電磁軸承的研究正向著縱深方向發(fā)展。
在應(yīng)用方面，目前國內(nèi)有些單位如西安交通大學(xué)、上海大學(xué)、國防科技大學(xué)等正在致力于電磁軸承的工程實際應(yīng)用研究，不斷開發(fā)新的應(yīng)用產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域�？梢钥吹�，電磁軸承將要象計算機一樣進入一個普及應(yīng)用的新階段，其發(fā)展前景是非常遠大的。
2. 納米技術(shù)方興未艾
納米技術(shù)在磁力領(lǐng)域的應(yīng)用研究正在逐漸興起。納米技術(shù)是指在納米(1nm=10－9m)尺度范圍內(nèi)認識和改造世界的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。最近經(jīng)理論計算與實驗測定證明了某些原子團簇的磁性與大塊材料或單個原子的磁性不同。值得注意的是非磁性的固體當維數(shù)減小到以團簇形式存在時，將呈現(xiàn)出鐵磁性。這將給鐵磁理論和磁性應(yīng)用帶來突破性的進展。實驗表明，納米材料在力、熱、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常結(jié)構(gòu)下的同成份材料特殊得多的性能。以下這些就是納米技術(shù)在磁力領(lǐng)域的一些應(yīng)用嘗試：
�。�1）納米晶巨能積復(fù)合永磁材料：1988年日本已研制出納米級軟磁材料“Finement”，它具有鐵基非晶體材料的高飽和磁化強度及鈷基非晶材料的優(yōu)良高頻特性，在開關(guān)電源、磁放大器、高頻變壓器、抗電磁濾波器（EMIF）等中得到應(yīng)用。最近提出一個創(chuàng)新的納米晶復(fù)合交換耦合巨能積永磁材料的設(shè)想。由于軟磁材料的飽和磁化強度Ms高，但矯頑力（HC）小，而永磁材料HC大而Ms小，如能將這兩種材料復(fù)合在一起，通過相界之間的交換耦合，在納米范圍內(nèi)復(fù)合而成一種新型永磁材料。這類永磁材料磁能積的理論值可達106J/m3,稱之謂“兆焦爾磁體”。
�。�2）納米磁流體：它是采用納米磁粉與一種液體均勻混合而成的膠狀液體，它兼有磁性固體和液體的特點，可用于軸承制動系統(tǒng)作磁液傳感器，可用于高靈敏度測量和非接觸式測量等。
�。�3）目前，美國已發(fā)明了攜帶納米藥物的芯片，放入人體，它能引導(dǎo)藥物集中到患處提高療效。德國醫(yī)學(xué)家成功地將磁性納米粒子用葡萄糖分子包裹注入腫瘤部位，使腫瘤部位完全被磁場封閉，然后通電加熱到47℃，將癌細胞慢慢殺死，而絲毫不影響周圍的正常組織。
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