磁懸浮技術在電梯中的應用前景

焦一帆

摘 要：隨著城市化的普及，樓層建筑呈現高層化。電梯作為一種垂直交通工具，對城市的發展越來越重要。自電梯誕生之日起，人們對電梯的舒適性、方便性、便捷性、快速性等方面的追求從未止步。如何將磁懸浮技術應用在豎直導軌上的技術，也就是磁懸浮電梯，也應該進行嘗試。本文就磁懸浮技術在電梯中的應用進行了討論。

關鍵詞：磁懸浮；電梯；應用前景

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A

磁懸浮電梯是一種以磁懸浮技術應用于電梯的產物。把磁懸浮列車豎起來開，但是其中還有很多技術問題有待于解決。這種技術主要是通過結合運用磁鐵的吸引及排斥作用使得物體懸浮靜止在半空。不像以往的舊式電梯需要靠垂直軌道牽引升降，它去除了傳統電梯的鋼纜、曳引機、鋼絲導軌、配重、限速器、導向輪、配重輪等復雜的機械設備。新型的磁懸浮電梯在轎廂內裝有磁鐵，在移動時與電磁導軌（直線電機）上的電磁線圈通過磁力相互作用綜合調整，使得轎廂與導軌“零接觸”。由于不存在摩擦磁懸浮電梯于運行時非常安靜并更加舒適，還可以達到傳統電梯無法企及的極高速。該種電梯適用于樓宇用梯、發射平臺及太空電梯等載人、載物的垂直運輸設備。該種電梯非常節能。它根據電磁感應原理可以利用電磁導軌切割磁感線的形式來回收轎廂動能及勢能，使得它的能耗極大地降低。

1.磁懸浮技術原理及概述

自磁懸浮技術開發以來，科學工作者便致力于將磁懸浮技術應用在工業，生活等領域中。就目前而言，磁懸浮技術比較成熟的是電磁懸浮技術。另外磁懸浮技術主要包括光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，如圖1所示。高頻電磁場在金屬表面會產生渦流，產生一個力，托起金屬球。這種原理就是電磁懸浮技術（Electromagnetlc Levitate），簡稱EML技術。從力學上看，電磁懸浮技術就是通過高頻電場產生一個洛倫茲力，在合適的空間配置下，使洛倫茲力的方向同重力的方向相反，力作用平衡，實現電磁懸浮。其中高頻電場是一個十分重要的因素。在高頻電場放置一個金屬樣品時，高頻電廠會在金屬表面產生高頻渦流，高頻渦流與外磁場相互作用就會使金屬受到一個洛倫茲力，這也是洛倫茲力的產生方式。一般高頻電廠的是將交變電流為104Hz～105Hz的通過線圈中產生的。

2.傳統電梯的問題

（1）重心不能完全重合而造成的電梯平衡問題一直困擾著電梯界多年。傳統電梯的設計原理是曳引繩的拉力同電梯的重力達到力的平衡，從而工作。這種平衡僅僅是理論上的計算，即使在無人情況下達到了實際應用的平衡，也無法滿足在載人工況下力的平衡。傳統電梯要求曳引繩的中心與轎廂中心完全重合，但是在實際工況中，不太可能達到。載人的狀況千變萬化，乘客在轎廂中的位置分布也是隨機的，這樣在導靴與導軌之間的磨損就是不可避免地存在，有的時候會很嚴重，從而導致服務質量的問題。關于導靴磨損嚴重的反饋和事故等也常常出現，網上出現的電梯事故也多是這種原因。而導軌使用問題往往是在使用一段時間出現的，這種狀況恰好說明了是磨損的問題。磁懸浮技術應用在導軌上恰好解決了這個問題，磁懸浮電梯的導靴不與導軌直接接觸，這樣就不會出現磨損的問題，并且還可以省去導靴這個部件，使電梯的結構簡單化。

（2）噪音污染。平穩性不好也一直困擾著傳統電梯，根本無法得到解決。接觸便會產生摩擦，理論上0摩擦的接觸是不存在的。導靴與導軌是采用機械接觸的，所以也會產生摩擦，產生噪聲。現在的技術在導軌的接頭處是無法做到無縫連接的，再加上導軌表面粗糙度精度有限，如今市面上導軌的精度一般在0.4左右，使用的是機械拋光在電解的方式。所以導靴在導軌上運行時會產生撞擊聲、摩擦聲，且速度越快噪聲越大。另外受限于技術，導軌的直線度也無法保證有很高的精度，隨著樓層的增高，電梯航程便會加大，從而降低電梯的直線度，當電梯運行很快時，轎廂中的乘客就會感覺道明顯的晃動感，也就是平穩性差。

3.磁懸浮電梯的應用前景

隨著磁懸浮技術在高速鐵路上的應用，技術越來越成熟，人們對此懸浮技術的應用前景充滿了期待，期待磁懸浮技術更好地改造生活中，生產中的工作方式。同為運輸工具的電梯應用磁懸浮技術是人們考慮的方向。舒適性和安全性越來越考驗如今的電梯。隨著樓層越來越高，電梯的航程也越來越遠，如今的老式電梯明顯不能解決這個問題。而磁懸浮技術恰恰可以很好地解決這些問題。電磁懸浮系統、推進系統和導向系統是磁懸浮電梯正常運行需要的3個系統。

（1）電磁懸浮系統利用電磁鐵和導軌上的鐵磁導軌相互吸引產生的力懸浮，是一種吸力懸浮系統。磁懸浮電梯工作時，是利用吊架上的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力同導軌軌道兩側的繞組發生鐵磁反作用將掉吊架與導軌分離，實現懸浮的目的。輪軌在垂直方向是無接觸支撐和接觸導向的。為了保證掉吊接和導軌軌道之間的懸浮間隙，高精度的電子調整系統被應用。（2）推進系統是指一種利用反作用原理為設備提供推力的裝置。其是磁懸浮電梯導向和運行的動力，其由馬達來實現。（3）導向系統顧名思義就是來引到電梯吊架的系統，磁懸浮電梯的導向系統是利用側向力來完成吊架沿著導軌的方向平穩運動。永久磁鐵和電磁鐵組成了復合磁鐵裝置，利用復合磁鐵裝置，吊架導靴和升降導軌有一定的縫隙，不需要兩者接觸就可以升降轎廂。裝置的布置也是符合力學平衡原理。取轎廂的上下梁的兩端4個位置，兩塊磁鐵相向安裝在磁鐵中，位于板狀導軌的兩側，另外用于檢測導軌位置關系的傳感器也需要安裝。導軌和磁鐵裝置的位置關系就是通過這些裝置來控制的。

4.磁懸浮電梯的優缺點

優點：（1）導軌的粗糙度不影響電梯的運行，減少了加工成本，減少了直線度和扭曲度的影響。（2）提高了舒適性，磁懸浮電梯運行平穩，不受重心、摩擦和噪音的影響。（3）克服安裝偏差，提高安全性。（4）使用電能，利用永久磁鐵，節能。（5）速度快。（6）磁懸浮電梯運行軌道長，高達數百米，適用于現代化樓層。（7）有利于環保，減少污染。（8）維護成本低。

缺點：（1）由于磁懸浮電梯和現有的電梯工作原理不同，必須從新設計制造新的導軌，無法在原有設備的基礎上進行利用和改造，需要一定的經濟基礎。（2）相對于常規電梯，磁懸浮電梯制動能力下降。（3）穩定性和安全性需要實際考驗。（4）無法避免磁場對人體的影響。

結語

隨著經濟的快速發展，樓房高層化已經成為趨勢，這也是為了利用空間和增加土地利用率所采取的措施。所以對電梯的舒適性和速度有了要求。常規電梯明顯對這方面的要求滿足不了，粗懸浮技術就是在這種情況下走進我們的視野。可以預見，磁懸技術隨著超導材料和超低溫技術的發展，磁懸浮電梯應用在電梯上的成本便會大大降低，磁懸浮電梯就會出現在我們的日常生活中，電梯的性能和舒適度就會大大提高，磁懸浮電梯就會同目下的常規電梯飛馳在高樓大廈之中，給我們的生活增添舒適和快捷。

參考文獻

[1]張鋼，虞烈，謝友柏.電磁軸承的發展與研究[J].軸承，1997（10）：13-17+44.

[2]李慧敏，枉希宣.磁懸浮軸承的研究現狀和發展趨勢[J].軸承，2003（6）：50-52.