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直线电机理论与设计课程报告

哈尔滨工业大学

直线电机的理论与设计课程报告

题目：

磁悬浮推进系统的国内外研究现状

院（系）电气工程及其自动化

学科：

电机与电器

导师：

寇宝泉

研究生：

瞿国澄

学号：

15S106111

磁悬浮推进系统的国内外研究现状

磁悬浮技术简称EML技术，时利用磁场作用使物体悬浮的一种技术，磁悬浮技术最早可以追溯到1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔最早提出的磁悬浮技术的与那里。

并于1934年申请获得了世界第一项有关磁悬浮技术的专利，为这一全新的驱动技术奠定了基础，随着电子技术的发展，磁悬浮技术得到了长足的进步，其中德国与日本在磁悬浮运输中研究与应用最为成熟。

磁悬浮列车的产生改变传统轨道车辆依靠摩擦力推进的方式，利用磁悬浮直线电机驱动技术使得车体可以悬浮无摩擦的推进时交通技术发展的重大突破，被誉为时21世纪最理想的一种交通工具，同时，磁悬浮列车与常规列车相比拥有非常突出的优点，主要表现为：

（1）速度更快，一般可以达到500Km/h以上

（2）安全可靠，无翻车或者脱轨的危险

（3）无污染，乘坐舒适，没有轮轨接触的噪声与振动

（4）占地小，可以高架对轨道沉重低。

（5）对于复杂地形的适应性更强，爬坡能力更强，转弯半径小

（6）造价相对不高，整体结构易维修，节能[1]

1．磁悬浮系统

利用电磁场实现装置悬浮的方式很多，按照悬浮的原理可以分为三大类，超导磁悬浮电磁式磁悬浮（EMS）和电动式磁悬浮（EDS）。

1.1超导磁悬浮

当一个磁体靠近超导体时，超导体会感生出一个大小相等，方向相反的涡流磁场，保持其内部磁感应强度为0，此时超导体表现为完全的抗磁性，这种现象称为迈斯拉效应。

（如图1-1）迈斯拉效应对接近的超导体产生一个足够大的磁作用力造成物体处于悬浮状态，由于超导体内部产生的涡流磁场阻止超导体表面的磁通变化,产生阻止磁体运动的钉扎效应,所以能够实现物体的稳定悬浮[2]。

1.1.1超导-永磁排斥型高温超导磁悬浮系统

中国和德国的研究机构都进行了迈斯纳效应悬浮的研究工作,其基本原理为将高磁通密度的永磁材料钕铁硼敷设在轨道表面,在车辆底部设置高温超导体,这种磁悬浮方案的优点在于其悬浮能耗可以认为只是保持超导体低温环境所需要能耗[3]。

图1-1迈斯拉效应

2000年12月，西南交通大学超导技术研究所研发制备了我国首台可载人演示的高温超导磁悬浮实验车（图1-20），其高温超导体育常规永久磁体构成磁悬浮系统，并且由传统感应直线电机实现推力驱动，试验车的研制推进了超导磁悬浮技术在交通运输领域的应用与研究，同时俄罗斯、德国、日本和巴西等过也在进行类似的载人高温超导体磁悬浮的研究，并有样车问世[4]。

图1-2超导磁悬浮实验车

1.1.2电动斥力型磁悬浮

电动斥力型磁悬浮列车利用同性磁极之间相互推斥的原理来实现车辆悬浮，它是由动子上的高温超导线圈磁体和轨道上闭合的感应线圈或铝环组成。

对一定的磁悬浮系统来说希望其浮阻比大些。

为了保持一定的悬浮力，采用零磁通法，便可以在不减小浮力的条件先减小线圈的磁阻力。

日本山梨试验线上的超导磁悬浮列车正是利用悬浮导向线圈“8”字形结构（如图1-3），上下半部线圈的交链磁通相互抵消，因此线圈中午感应电流和悬浮力产生。

向下移动超导线圈时，上下交链的磁通不均衡，交链磁通差值与位移成正比。

电流及悬浮力也与下降位移成正比。

当磁悬浮列车保持静止或者行驶速度小于80km/h时，感应电流未足够大使列车浮起，需要车轮起支撑作用[5]。

图1-3日本山梨超导磁悬浮列车

日本采用的低温超导体电动斥力（EDS）技术的高速列车系统是目前最成功的EDS系统。

日本于1962年开始EDS系统的研究，1970年开始对低温超导体磁悬浮列车的研究，并于1977年建成了宫崎试验线，1997年建成了山梨试验线，并进行了低温超导磁悬浮列车的实际运行测试。

应用低温超导体线圈磁体与轨道上的“8”字线圈相互作用产生了磁悬浮和导向力，并于2003年12月创造了581km/h的世界纪录。

在1999年，东海旅客铁道公司开始了基于高温超导线圈的EDS型磁悬浮列车的研究，随后开发了基于Bi-2223/Ag带材的高温超导线圈磁体用于磁悬浮列车的运行测试，并于2005年12月创造了553.9km/h的最高时速[1]。

1.1.3电磁吸引型

电磁吸引型时电磁力主动控制悬浮，不管列车运行与否，即使是静止时也能实现悬浮，因此列车可以是低速可以是高速。

应用高温超导材料的EMS磁悬浮系统可以由若干个U型铁芯及高温超导线圈和永磁体轨道组成（如图1-4），每个U形铁芯上绕有一个或两个高温超导线圈以构成两个磁极，由磁极的磁场与永磁轨道构成闭合回路，从而产生吸力，实现系统的悬浮。

图1-4EMS磁悬浮系统

2005年清华大学应用超导研究中心设计了一台EMS型高温超导磁悬浮实验装置（如图1-5），它由4个独立的磁路单元组成，每个U型铁芯绕有两个高温超导线圈构成的两个磁极，与轨道产生引力，以使动子被吸引悬浮[6]。

图1-5EMS型高温超导磁悬浮实验装置

1.2常导电磁式磁悬浮

吸引力型磁悬浮列车是利用了磁体与导磁轨道之间的吸引力而使列车悬浮起来的。

吸引力型磁悬浮列车的悬浮系统是一个开环含有正反馈环节的不稳定系统，为了保证悬浮的稳定性，必须外加反馈控制来实时调节可控电磁铁的励磁电流，从而改变悬浮力的大小，使悬浮力与车体重力保持动态平衡，从而使车体稳定悬浮于额定气隙。

由于利用了电磁铁，因此又称此类磁悬浮方式为电磁悬浮型。

该类型磁悬浮列车以德国研制的Transrapid（TR）系列磁悬浮列车和日本的HSST系列磁悬浮系统为代表。

TR07是常导电磁吸引式磁悬浮列车（EMS式）（如图1-6）。

它是采用安装在车辆转向架上的常导电磁铁和地面导向轨上的磁浮与导向铁进行磁悬浮和导向控制,用直线电机驱动。

根据测量的悬浮气隙和加速度等信号不断调整悬浮电磁铁中的电流大小以保持悬浮气隙稳定在10mm左右。

车上的导向电磁铁对轨道侧面产生侧向吸力以对车辆进行导向。

该类型磁悬浮列车的优点在于悬浮系统结构简单，而且无论车速高低或者静止状态均能保持稳定的悬浮力，因此不需要特别安装辅助轮。

但其车体较重，而且悬浮和导向均需要主动控制[7]。

图1-6TR07常导电磁吸引式磁悬浮列车

1.3常导电动式磁悬浮

电动式磁悬浮方案以日本的超导磁悬浮,美国的Magplane磁飞机,高频线圈,日本和美国等国家正在研究的永磁磁轮为代表。

其基本原理为导体材料表面的时变磁场在导体中感应产生方向相反的涡流磁场,涡流磁场和原磁场相互作用在导体材料和原磁场之间产生斥力作为系统悬浮力,实现电动式磁悬浮（如图1-7）。

电动式磁悬浮可以由变化的磁场,运动的磁场或运动且变化的磁场实现。

图1-7电动式磁悬浮

美国Magplane公司的磁飞机项目也是一种比较具有代表性的磁悬浮方案,图1-8是磁飞机的样车照片和原理结构图。

磁飞机系统的推进形式与Transrapid系统相同,悬浮和导向利用永磁磁铁运动产生的斥力实现。

磁飞机的轨道系统采用"U"字形导轨,利用车底中央安装的推进磁铁和轨道底部中央铺设的绕组初级线圈构成的同步直线电机实现悬浮列车的推进,车底两侧安装的悬浮磁铁在列车行进过程中在轨道两侧的导体板中感应出涡流产生斥力,同时实现悬浮和导向,磁飞机与日本MLX超导磁悬浮系统具体采用的悬浮力性质有所不同,但同样来源于磁体运动产生的斥力,两者在车辆静止时都无法产生悬浮力[8]。

图1-8磁飞机结构图

2.磁悬浮列车推进系统

在德国磁悬浮列车的悬浮与驱动系统中,悬浮和驱动系统既有联系又有区别。

其联系主要在于悬浮和驱动是一个有机整体,它们统一于作为列车运行关键部件的长定子直线同步电动机;其区别主要在于悬浮和驱动在列车运行中发挥的作用是不一样的,而且体现在同步电机上,就分别是初级（长定子）和次级（悬浮磁铁）。

磁悬浮推进系统大致分为直线感应电机推进、直线同步电机推进以及直线磁阻电机推进型。

2.1直线感应电机推进型

直线感应电动机是由一个定子（即初级）和一个转子（即次级）组成。

各方面的考察表明,若以直线电动机作为牵引之用,最好把初级装在车上,让轨道本身作为次级。

如图2-1为德国设计的带短定子的EMS磁悬浮列车，此设计方案仅用于草案审查并于1983年结束。

原因是直线电机端部效应会产生附加损耗和附加力,这些附加损耗和附加力是随着速度的增加而增加。

高速直线感应电动机的这种附加力在低滑差区域是制动力。

而且气隙对直线电动机是一个不利因素。

采用直线感应电动机的常导磁悬浮列车的气隙比普通感应电动机的气隙大约大10倍,故直线感应电动机的励磁电流约需相应地增大10倍,使电动机的功率因数下降到0.5～0.6左右,从而其效率也只有0.5～0.6左右[9]。

图2-1短定子的EMS磁悬浮列车

2.2直线同步电机推进型

近几十年,直线同步电动机逐渐引起各国科学家的重视,这主要是因为异步工作方式的效率低下及同步方式运行的优点所决定的。

直线同步电动机的历史可以追溯到195年,H.Kenper为40t重的车辆设计了同步推动和悬浮系统,车辆可以运行到250km/h,此直线同步电动机系统具有80000N的推力和98%的效率。

直线同步电动机可以分为铁心式和空心式两类。

铁心式直线同步电动机可以有多种结构型式。

直流磁场的激磁方式可以是常导式,也可以由超导体激磁绕组来激磁。

虽然原理上直线同步电动机作成电枢移动式或是磁场多动式都可以,但似乎后一种型式更实用些。

最普通的直线同步电动机是凸极直线同步电动机结构原理如图2-2所示,其直流激磁绕组由车上的电源供给,地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。

直线同步电动机的这种结构与直线感应电动机相比最大的优点是用直流电激磁,因而提高了功率因数,而三相绕组的激磁,功率因数较低,最大的缺点是三相绕组导致了轨道成本的增加。

为了减少供电费用,三相绕组通常采用分段供电方式。

德国Emsland和日本Miyazakl所建造的磁悬浮列车采用的都是这种型式的直线同步电动机[10]。

图2-2直线同步电动机

2.3开关磁阻式电机推进型

开关磁阻式直线电机（LSRM）,其结构类同于旋转式开关磁阻电机（SRM）和直线步进电机。

LSRM是一种特殊的直线运动电机,与旋转式开关磁阻电机（SRM）相比,它相当于沿SRM圆周方向,将旋转的定、转子展开,展开后,对应转子部分为LSRM次级,对应定子部分为LSRM初级。

对于用于有轨驱动的LSRM来说,其次级长度一般远大于初级长度。

由于制造工艺方面的制做,LSRM初、次级之间的气隙一般远较SRM定、转子间的气隙大。

在结构上,LSRM又类同于多相、带磁铁、单边、短初级、次级开槽的直线步进电机。

但由于LSRM与直线步进电机应用场合不同,导致了两者功率大小（LSRM功率一般远大于直线步进电机功率）不同,结构也有所不同,从而两者的设计计算方法也不一样。

此外,LSRM也不同于磁阻式直线电机。

在一般的磁阻式直线电机中,其次级为开槽的铁轨,初级为常规的三相直线感应电机初级。

由于磁阻式直线电机在产生一定的直线推力的同时,又能产生一定的磁浮力,因此,它适用于需要恒速传动和磁浮力的各种驱动设备,国外一些国家已将它作为中小功率运输车辆的动力。

但该种电机采用三相交流供电,电机运行的功率因数低,大功率情况下对电网将带来不利影响。

在结构上,LSRM次级与磁阻式直线电机一样,不同的是其初级采用集中绕组。

LSRM由于应用了现代大功率电力电子技术,初级采用直流激磁,从根本上解决了磁阻式直线电机功率因数低的问题。

有关分析表明,LSRM同样具有串激直流牵引电机特性,可广泛应用于各种有轨牵引驱动,尤其适用于磁悬浮列车的驱动[11]。

图2-3开关磁阻式电机

图2-3为普通的8/6极4相LSRM电机,每相两个线圈（两线圈反向串联）,次级为整块式铁心导轨,其长度远大于初级铁心长度。

与普通的开关磁阻电机不同,LSRM次级铁心导轨固定不动,而带线圈的初级铁心在电磁牵引力作用下呈直线运动。

LSRM的工作原理与旋转式开关磁阻电机类似,当初级绕组通以电流时,将在初、次级铁心中产生磁通。

由于磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合,因而在初、次级铁心间会产生磁拉力,此磁拉力就是LSRM初级运动的电磁牵引力。

3.磁悬浮平台

伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，磁悬浮技术以其直接定位、无摩擦、无间隙以及高速高精度等优势，已经成功运用到新一代高速高精的定位平台中，出现了很多不同形式的磁悬浮定位平台结构。

3.1磁悬浮平台特点与分类

目前，磁悬浮定位平台在欧美与日本等发达国家发展快速，其中世界很多著名公司和机构，如三大芯片光刻公司的日本Nikon、Canon和荷兰ASML都在进行磁悬浮定位工作的研究[30-31]。

国内西安交通大学、清华大学、中国科学院长春光机所等单位也在开展此方面研究工作［32－34］。

现在已涌现出很多形式的磁悬浮定位平台结构，从不同的角度可进行不同的分类，以下介绍一些典型分类的磁悬浮定位平台。

根据悬浮力和驱动力是否由同一部件提供，磁悬浮定位平台可分为两类:

一类是悬浮力和驱动力由同一部件提供，故结构简单，但该结构未能完全实现悬浮力和推力间的解耦，悬浮控制和水平推力控制之间相互影响，使各自由度的驱动装置之间产生耦合和诸多不确定性，这就使控制较复杂［35］。

典型的例子是麻省理工学院的学者们［36］制造的世界第一台高精度六自由度磁悬浮平面电机（如图3-1），它采用Halbach永磁体阵列方式，与定子线圈既产生水平驱动力，同时也产生悬浮力，其定位精度可达5nm。

还有荷兰埃因霍温大学的学者们［37］设计的TU型六自由度磁浮定位平台，其定子为U形结构，T形动子在U形空间中运动，T形动子上缠有线圈，用以产生水平推力，悬浮力由定子上的3个悬浮线圈产生。

具体结构如图3-2所示。

图3-1图3-2

另一类是采用两个部件分别来实现悬浮和驱动，既有平面运动部件，又有悬浮运动部件。

这种结构实现了悬浮力和推力间的解耦，控制较为简单，但由于电磁线圈铁芯与永磁体之间的吸引力，使得系统具有明显的非线性，从而影响定位平台的运动稳定性与定位精度［38－40］。

这种结构有韩国忠州大学KWANG等［41］设计的悬浮定位平台（如图3-3），还有美国德克萨斯州A＆M州立大学机械工程系的学者们［42］研制的六轴三角形结构的磁悬浮定位平台（如图3-4），xy平面运动范围为100μm，z方向有10μm运动范围，运动精度可达0.01μm。

图3-3图3-4

从运动方式的不同，磁悬浮定位平台可分为动磁式与动圈式两种，结构形式如图3-5。

动磁式是指永磁体装在动子上随动子运动，结构简洁不需要拖线缆，且易安排定子绕组散热

图3-5

进行冷却设计;缺点是若采用小动子大绕组结构则通电大绕组太浪费能源，且在绕组交界处时会产生驱动力波动和悬浮力波动;若采用大动子小绕组结构则永磁体阵列质量太大从而降低系统响应速度，降低了整个系统动态性能指标。

从支撑原理上看，磁悬浮定位平台可分为排斥式和吸引式。

排斥式磁悬浮系统的关键问题是与永磁体相对立磁场如何产生。

一方面是对立磁场使永磁体退磁曲线上的工作点变化从而导致磁场波动，另一方面是铁芯线圈距永磁体太近时其铁芯会被反向磁化，于是斥力变吸力平衡被破坏，而距离太远则斥力太弱，所以排斥型悬浮一般利用低温超导技术。

超导体具有抗磁效应，可获得比常导电磁铁大出数倍数量级的足够高强的磁通密度，产生强大的磁场斥力足以把物体高高悬浮起来，悬浮间隙可达100～200mm，但制造成本极为昂贵。

吸引式磁悬浮特点正好与排斥式相反。

垂向磁场力大且不附加水平力，悬浮运动与水平运动几乎解耦，这对于改进整个系统运动性能、提高定位精度非常重要，所以目前多数磁悬浮平台是以吸力型为主［43－44］。

吸引式磁悬浮平台的主要缺陷:

产生吸力的电磁铁必须通过L型支架安装于动平台下方，由于L型支架的刚度较低，导致平台的承载能力受限。

吸引式磁悬浮以其刚度高、可控性好的优势将具有更好的前景，磁悬浮轴承和磁悬浮飞轮就是成功的例子。

3.2磁悬浮平台驱动方式

目前，多数的磁悬浮定位平台是二维的，即采用的是磁浮支承加平面驱动的方式，可以把这种组合方式平台叫做磁悬浮平面电机。

如果按照平面驱动运动方案的不同，磁悬浮定位平台又可分为层叠式、变磁阻式和洛伦兹力式。

层叠式是采用传统xy工作台式的层叠结构来间接定位。

如台湾大学CHENMY设计的磁悬浮xy工作平台（如图3-6）就使用两个磁悬浮直线电机叠起来形成平面运动。

但用直线驱动和悬浮导轨技术来搭建层叠式xy工作台并不合适，严重浪费磁悬浮技术提供的技术能力。

图3-6

变磁阻平面电机具有结构简单、容易控制等优点，但存在推力波动大、定位精度低、动定子间吸力大、磁路饱和严重、发热量大等诸多问题，因此这种平面运动方案只适合精度不高的场合。

最早的平面直接定位机构是Sawyer磁阻型平面电机（如图3-7），20世纪60年代末期开发成功后80年代又进行了改进以提高其精度［45］，其本质是平面步进电机，x向绕组保证动子沿x轴方向移动，与它正交的绕组保证动子沿着y轴方向移动。

香港理工大学的学者［46］设计一种采用3个磁阻电机实现悬浮的平面定位系统（如图15），其以电磁阻原理来实现平台磁悬浮。

图3-7

洛伦兹力平面驱动式［47］是借鉴直线电机驱动原理，通过把直线电机的永磁列和绕组在平面上周期对称布置以产生洛伦兹力从而驱动动子作平面运动［48］，产生洛伦兹力的原理如图3-8。

洛伦兹力平面驱动式定位精度高、响应速度快。

其中麻省理工学院的学者制造的磁悬浮平面电机如图3-9和韩国忠州大学的平面电机均是采用洛伦兹力进行平面驱动的。

图3-8图3-9

3.3国内外平面电机研究现状

德国学者PeterDittrich教授于2006年提出一种感应式平面电机[49]，该平面电机具有3个方向上的自由度，分别为在平面上绕X、Y轴的平动和绕Z轴的转动。

其结构如图3-10（a）所示，该电机在动子上安装气浮轴承，采用空

气悬浮方式使动子克服重力得以悬浮；在动子下方的定子表面覆盖一层铜，同时安装在动子下方的2维位置传感器将通过检测定子表面的敷铜层来获得动子位置信息。

动子上下方分别安装有4个感应绕组，分别提供在X、Y平面上的定位

驱动力以及动子绕Z

轴的旋转力矩。

电机实物图见图3-10（b）所示，该电机在平面上的定位精度为23μm，运动范围为100mm，最大进给速度为0.36m/s。

虽然感应型平面电机可利用简单的次级平面实现大行程平面驱动，但是其电机机

图3-10（a）图3-10（b）

电特性比较复杂。

因此，它的分析研究常常是基于简化的原理，故感应型平面电机很难满足高精度定位的要求，但适合于大负载平面驱动。

2015年北京理工大学博士谢虎提出全新的基于Halbach永磁阵列和平面线圈的双层驱动、夹层结构磁悬浮定位平台夹层结构磁悬浮定位平台电磁系统构建XY水平移动平台，双层驱动力共同作用在移动平台上的“共平面”方式消除阿贝误差带来的影响，由于磁悬浮结构的平台不存在机械摩擦、间隙、爬行等影响运动精度的因素，有利于实现高分辨率的驱动，采用上层吸力型直线电机和下层斥力型直线电机作为驱动装置。

创新的提出搭载永磁涡流阻尼器增加系统控制品质，最对位移传感器的选择和安装进行研究，并搭建磁悬浮定位平台整体如图3-11所示。

图3-11

整个磁悬浮定位平台采用“夹层”结构模式，各部件均采用对称结构形式。

包括基座，2组上定子绕组，2组下定子绕组，移动平台，4组永磁阵列，3个柔性铰链，工作平台，永磁涡流阻尼器等。

2组永磁阵列安装在十字形状移动平台的下方，对称布置，与2组下定平面线圈绕组作用，构成2个一组斥力型直线电机，产生一个方向的水平驱动力和垂直方向的悬浮力（斥力），另外2组永磁阵列安装在移动平台的上方，对称布置，同下方的2组永磁阵列错开90º，与2组上定子平面线圈绕组作用，构成2个一组吸力型直线电机，产生另一方向的水平驱动力和垂直方向的悬浮力（吸力）。

2个斥力型直线电机和2个吸力直线电机共同作用使平台悬浮，上层的吸力直线型电机负责磁悬浮平台的一个方向水平运动，下层的斥力直线型电机负责另一个方向的水平运动，这种结构的优点是提高了悬浮稳定性的同时，使系统线性度大大提高，同时又能起到磁悬浮轴承的作用，保持平台的平衡。

在平台发生转动的情况下，由2个斥力型直线电机或者2个吸力型直线电机分别施加相反方向的驱动力，纠正平台的转动偏差。

两组电机同时作用实现平台的6自由度的运动，如图2.3所示，具体为沿Z方向的平动，沿X方向的平动，沿Y方向的平动，绕Z轴的转动，绕X轴的转动和绕Y轴的转动。

移动平台在上层的吸力型直线电机和下层的斥力型直线电机的共同作用下运动，构成夹层结构，与直线电机直接作用的移动平台通过3个柔性铰链同工作平台连接，永磁涡流阻尼器安装在移动平台下方。

X、Y方向的水平驱动力共同作用在同一移动平台上，避免了由两个一维平台通过搭积木方式构建二维平台所产生的阿贝误差。

移动平台的运动通过3个柔性铰链传递到工作平台，使工作平台和移动平台具有相同的运动，柔性铰链以移动平台中心为圆心间隔120º均匀配置，可有效消除由于温度变化引起的工作平台和移动平台之间的变形误差。

考虑到温度变化可能造成的变形误差，所有结构在平面内完全对称配置，充分考虑影响系统精度的各种因素。

由于目前高精度光栅尺类的长距离位移传感器只能进行一维位移的测量，能够实现远距离非接触纳米精度测量的位移传感器只有激光干涉仪，因此本文采用激光干涉仪及微晶玻璃反射镜作为位移传感装置测量移动平台两个方向的位移及转动，2块微晶玻璃反射镜固定在工作台的底面。

为提高系统的响应，在材料及尺寸上进行轻量化的优化设计，通过合理的结构设计及理论分析，从结构上满足纳米精度定位要求[50]。

2009年，美国TexasA&MUniversity韩裔教授Kim的博士生HoYu在其博士学位论文中提出了新的气浮式平面电机[51]。

该电机结构如图3-12所示，电机动子形状为三角形，定子上安装有永磁阵列，动子中安装有三个线圈。

线圈通以交流电后，即产生电磁力驱动动子进行平面运动。

动子在三角形各端点附近安装有三个空气轴承，依靠空气轴承所提供的排斥力实现动子在定子平面的悬浮。

图3-12气浮式平面电机

2008年，荷兰艾恩德霍芬科技大学提出使用音圈电机作为支撑方式的动磁式永磁同步平面电机[67]。

该电机的悬浮原理图如图3-13所示，该电机在水平驱动方式上采用动磁式永磁同步驱动，通过固定初级线圈和附于动子平板永磁阵列旁的次级线圈之间的耦合感应，提供水平方向的驱动。

在支撑方式上，该电机在动子下安装9个音圈电机，通过驱动音圈电机线圈所产生的排斥力来使动子悬浮，消除摩擦力。

图3-13

直流排斥式支撑方案原理简单，线圈利用率高，控制性能良好，能够达到纳米级的控制精度。

因此在高精密定位中，该方案能够达到优良的效果。

然而其不足之处在于动子上的永磁体只能在驱动线圈的范围内移动，因此基于该支撑方案的悬浮平面电机在平面内的运动范围非常有限，很难超过2mm×2mm。

4.国内外磁悬浮列车最新研究现状

4.1真空管道磁悬浮列车

真空管道磁悬浮时速能达到4000km，而能耗却不到航客机1/10，噪音和废气污染及事故率接近于零，这是真空管道磁悬浮列车的惊人特点。

作为新一代磁悬浮列车，真空管道磁悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈，用数小时完成环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。

简而言之，就是建造一条与外部空气隔绝的管道，将管内抽为真空后，在其中运行磁悬浮列车等交通工具，由于没有空气摩擦的阻碍，列车将运行至令人瞠目结舌的高速，大大缩短地球表面任意地点间的时空阻隔。

管道由于是密封的，可以在海底及气候恶劣地区运行而不受任何影响。

任何一种地面交通工具，不管是否悬浮