本文从高铁工程发展的角度出发，陈述了中国高铁工程发展概况，解读了只有工程技术和工程科学的紧密结合才能实现高铁工程领跑，才能保持中国高铁工程继续领跑世界；回顾了中国高铁快速崛起、领跑世界的历程，包括酝酿期、探索期、成熟期和发展期；复兴号高速列车已经成为中国高铁自主创新的成功范例，标志着中国高铁工程由跟跑、并跑到领跑，初步实现了工程领跑. 分析了中国高铁工程领跑面临德国、法国和日本等国家轮轨高铁更高速度、数字化转型以及日本和美国等国家高速及超高速管道磁悬浮高铁发展的严峻挑战. 提出了围绕“轮轨天下，超导未来”等应对严峻挑战的积极对策，并展望了高铁时代和后高铁时代轮轨高铁的发展趋势和磁悬浮高铁的未来...

悬浮架是承载EMS（electro-magnetic suspension）型中低速磁浮列车运行的关键子系统，影响列车的悬浮稳定性、舒适性和安全性，需要对其进行深入研究. 围绕国内外EMS型中低速磁浮列车应用案例，介绍了（悬挂）端置式悬浮架、（悬挂）中置式悬浮架的技术方案和特征，总结了主要技术指标. 结合悬浮架技术研究、发展现状，讨论了磁轨作用关系、运动解耦能力、动力学性能、结构强度以及悬浮冗余设计五大研究方向，通过对研究内容梳理和总结，归纳了现有前沿科学问题和工程技术挑战：一是轨距亟须统一；二是动态磁轨关系研究欠缺；三是悬浮架横向动力学有待研究；四是悬浮架疲劳强度分析及试验不足；五是悬浮架机...

电动悬浮列车具有速度高、悬浮间隙大、安全系数高等优点，在超高速磁悬浮列车领域具有十分光明的应用前景. 车载超导磁体是超导电动悬浮列车的核心组成部分之一，其服役可靠性是列车安全运行的重要基础. 本文系统地阐述国内外电动悬浮列车的发展历史及现状，针对国内外电动悬浮系统中车载超导磁体的结构和技术方案进行对比和总结. 高温超导磁体技术已经成为超导电动悬浮领域的重要发展方向，在列车行驶过程中车载超导磁体系统的热稳定性和振动稳定性是影响其可靠服役的重要因素. 高温超导磁体闭环运行技术、轻量小型化低温系统结构设计、高强度低漏热支撑结构设计等将是未来超导电动悬浮系统中车载超导磁体需要重点研究和解决的关键技术难...

为改善车辆电磁主动悬架功率过大的问题，提出一种考虑能耗的改进线性二次型调节器（linear quadratic regulator，LQR）控制策略. 首先，介绍电磁主动悬架的结构，由等效磁路法得出直线电机的推力模型，再建立电磁主动悬架的动力学模型；其次，在传统的LQR加权系数优化模型基础上提出增加有关能耗的约束条件，设计了一种改进LQR控制策略；最后，使用MATLAB/Simulink进行仿真，通过主动力大小进行控制器正确性的验证，并对比分析随机路面下的能耗与动力学效果. 结果表明：改进LQR控制策略的主动力大小符合优化时约束的概率最低为99.89%；改进LQR控制策略与原LQR控制策略相比...

目前磁悬浮转子系统的解耦控制研究主要基于刚性转子系统，但在高转速、高支撑刚度下，转子的弹性模态不能忽视. 针对磁悬浮柔性转子的解耦控制问题，首先，建立柔性转子模型，采用模态截断法进行简化，通过状态反馈解耦得到解耦系统；然后，基于解耦系统设计了内模控制器，针对状态变量不易通过传感器获取的特点设计状态观测器；最后，仿真分析系统的解耦效果. 仿真结果表明：未解耦系统的位移响应中含有与系统固有频率相关的多个频率成分，而解耦后系统的位移响应仅含激励同频成分；同一坐标平面内的机械耦合由10⁻⁵ m数量级减小到${10^{ - 6}}$ m数量级，由陀螺效应引起的两径向方向间的耦合由${10^{ - 6}}...

为提高超高速永磁电动悬浮系统的综合性能，围绕浮重比、浮阻比和悬浮刚度3个重要指标开展了多目标性能优化研究. 首先，对永磁电动悬浮系统进行横向延拓，推导三维电磁力模型，并进行有限元仿真分析；然后，针对浮重比、浮阻比和悬浮刚度的多目标优化问题，提出基于“系统级+子系统级”架构的并行优化策略，实现了线性加权意义下的系统性能最优. 最后，搭建了“Halbach永磁阵列+凸缘式铝制转盘”实验平台，验证上述优化策略在提高系统性能上的有效性. 研究结果表明：在超高速工况下，理论解析计算得到悬浮力与仿真结果误差在8%以内，而磁阻力几乎没有误差；通过优化设计，浮重比从11.0提升至18.3，增幅为75.50%；...

为研究高速磁悬浮车辆直线谐波发电机的发电特性，首先，基于空间谐波法，提出超导线圈的磁动势分布模型，并推导超导线圈在三维空间内磁感应强度分布公式；其次，基于悬浮线圈与超导线圈间的电磁耦合关系，计算悬浮线圈电流的感应磁场，分析得知悬浮线圈五次谐波磁场用于感应集电；然后，将悬浮线圈五次谐波磁场作为集电线圈的激励，推导集电线圈感应电动势的解析式；最后，以日本山梨线MLX01型磁浮列车为工程背景，利用数值解析值、有限元仿真和日本山梨线实测数据进行了对比分析. 研究结果表明：超导线圈磁感应强度、感应电动势和集电功率的解析值与有限元仿真、实测数据的相对误差均在10%以内，验证了磁动势分布模型和解析模型的有效...

电磁铁为中低速磁浮列车提供悬浮力，其与轨道发生相对运动时，在轨道上产生涡流，同时，轨道涡流产生的外加磁场抵消了部分电磁铁产生的原磁场，进而使得电磁铁提供的悬浮力下降. 为此，首先分析轨道涡流的形成规律，以及列车不同速度时涡流对气隙磁场的影响，进一步研究了列车速度对悬浮力的影响；其次，采用叠片F轨的方法来抑制涡流效应，结合叠片F轨提升悬浮力的机理，分析F轨不同叠片层数结构下轨道涡流对悬浮力的影响；最后，以长沙磁浮快线电磁铁结构为例，使用有限元软件进行仿真分析. 结果表明：使用叠片F轨后可以降低轨道中的涡流，随着叠片数量的增加，气隙磁场逐渐逼近静态条件下的气隙磁场；悬浮电磁铁模块的端部线圈以120...

针对电磁悬浮列车悬浮控制器因轨道不平顺所引发的未知非线性力和传递函数不确定问题，提出一种基于模型参考自适应的自学习控制方案，控制算法中可调参数根据系统状态、误差和时间调整，使悬浮间隙稳定在恒定数值；学习率根据目标间隙误差大小动态调节，避免可调参数调节过慢，同时保证在稳定悬浮时间隙波动更小；通过李雅普诺夫稳定性判据证明了模型参考自适应控制系统的稳定性；通过MATLAB/Simulink对所提出的控制方案进行仿真. 研究结果表明：自学习模型参考自适应控制算法间隙的均方根误差为0.12，设定合适的可调参数初始值并对其限幅能够提升控制器的鲁棒性；在单悬浮架测试时，控制器获取到加速度信号，所提出算法的上...

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1，1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性. 研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影...

体外循环生命支持系统（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）可替代人的心、肺工作，为挽救生命创造机会，在这次抗击新冠疫情中屡建奇功，被称为“救命神器”. 针对作为ECMO动力源的磁悬浮人工心脏泵，本文对其磁悬浮系统和无接触高效率磁耦合驱动装置进行了研究；在多入多出智能控制系统控制下实现了磁悬浮人工心脏泵变速稳定运行，并开展了磁悬浮人工心脏泵的压力、流量和转速实验；用所研制的磁悬浮人工心脏泵进行了3 d的动物实验后自主撤机. 研究结果表明：体外循环磁悬浮离心血泵表现出良好的稳定运行特性，保持转速不变，在流量变化较大时，进出口压力差变化不大；体外循环磁悬...

为了增大高温超导钉扎磁悬浮列车的悬浮力和提升安全性，提出了抱轨式改进型悬浮架系统，首先，采用等效处理方法计算了高温超导块材阵列和永磁轨道之间的悬浮力，并利用悬浮力实验装置测量两者的悬浮力，实验验证了等效处理方法的正确性；其次，基于等效处理方法得到改进型悬浮架系统的悬浮力，利用悬浮力和悬浮间隙的关系建立了单个改进型悬浮架本体在轨道不平顺简谐激励下的动力学模型，进一步基于线性微分方程理论推导得到简谐激励下的幅频方程；最后，研究了运行速度和阻尼对稳态振幅的影响，得到阻尼在最高运行速度下应取的范围. 研究结果表明：在质量、刚度、轨道不平顺波长和幅值一定的情况下，稳态振幅的大小取决于运行速度和阻尼，且稳...

为解决磁悬浮球系统模型不确定性和易受外部干扰影响的问题，提出一种基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制（GFTSMC）方法. 首先，分析了磁悬浮球系统的数学模型并建立动态方程；然后，设计终端滑模干扰观测器（TSMDO），用以观测和估计系统所受到的扰动，经证明，该观测器对扰动的估计误差能在有限时间内收敛；其次，为克服系统不确定性和外部干扰的影响，设计了基于终端滑模干扰观测器的全局快速终端滑模控制器，可以实现系统的全局快速收敛，所设计的控制律不含切换项，能削弱抖振，以提高系统的抗干扰性和鲁棒性；最后，对所提出的TSMDO-GFTSMC进行了仿真验证，结果表明：与基于扩张状态观测器的连续滑模控...

为了研究顶部籽晶熔融织构法制备的钇钡铜氧超导块材在Halbach永磁轨道上的准静态悬浮力弛豫特性，定义了弛豫完整过程，划分为激励过程（含起始状态、中间过程、终止状态）、弛豫过程和稳态结果；在激励过程起始和终止状态相同时，通过搭建的悬浮力测试装置，研究了复杂中间过程对稳态结果的影响；基于磁化和Anderson-Kim模型建立了弛豫分析模型，对力弛豫规律进行分析和总结. 研究结果表明：4种不同中间过程位移形式的稳态结果趋于一致，但位移过程中的最大悬浮力受到往返次数以及速度的影响，其中最大悬浮力点分布在随时间对数衰减的曲线周围；弛豫过程前终止状态的悬浮力与移动速度正相关，经过弛豫过程后的稳态结果趋于...

为改善平板式永磁电动悬浮导向能力弱、磁阻力大的问题，提出一种新型的永磁电动悬浮系统. 首先，阐述系统的结构及原理并建立包含磁体纵向边端效应的三维电磁力解析模型并求解；其次，搭建三维有限元模型，通过对比解析模型计算结果与有限元仿真结果验证了解析模型的准确性和可靠性，并基于有限元模型分析了电磁力的时域特征和磁体与轨道线圈间的电磁耦合过程；最后，以浮重比和浮阻比为性能指标，研究了系统的悬浮性能及浮阻特性，其结果与平板式电动悬浮系统进行对比分析. 研究结果表明：该系统具有可行性，其结构简单、能耗低、浮阻比大且克服了导体板式永磁电动悬浮导向能力弱、浮阻比小的问题；在中高速域内，其浮阻比可达65，是平板式...

为了探究悬浮电磁铁剩磁对EMS (electro-magnetic suspension)中低速磁浮列车垂向电磁力的影响，首先，分析了悬浮电磁铁相对磁导率变化规律，并基于等效磁路法建立单电磁铁悬浮模型；其次，根据Jiles-Atherton磁滞理论研究了悬浮电磁铁的极限磁滞回线状态，分析了悬浮电磁铁剩磁的动态作用；最后，通过电磁力台架试验开展垂向电磁力对比验证，并提出了最大化利用电磁效率的措施. 研究结果表明：在线圈电流处于0～20 A时，悬浮电磁铁剩磁近似等于常量，垂向电磁力的主要影响因素是线圈电流；在线圈电流处于20～40 A时，悬浮电磁铁达到磁饱和状态，且由于处于极限磁滞状态使得悬浮电磁...

为更加精确、快速地分析高速磁浮悬浮电磁铁的电磁力特性，实现与控制、动力学模型的良好匹配，提出一种基于非线性材料的高速磁浮悬浮电磁铁电磁力建模方法. 首先，在搭建电磁铁等效磁路（equivalent magnetic circuit, EMC）模型时，考虑了导磁材料自身的非线性，导磁材料的磁阻计算以内部磁通为基础，推导以电压及间隙为输入，电流及电磁力为输出的电磁铁解析模型，计算电磁力-间隙-电流特性，并与传统EMC模型进行对比分析；其次，搭建电磁铁有限元（finite element method, FEM）模型，对非线性EMC模型的结果进行验证；最后，采用地面试验台对悬浮电磁铁进行电磁力测试，...

为有效降低系统固有频率，获得外部振动在多频段的强衰减，以永磁电磁混合作动器为负刚度结构提出并设计了一种准零刚度的磁悬浮隔振平台，实现了基于模糊PID (proportional integral differential)算法的振动主动控制系统. 首先，通过特性分析与参数计算，基于准零刚度理论完成了准零刚度磁悬浮隔振平台的方案设计；其次，建立磁悬浮隔振系统模型，提出基于模糊PID算法的振动主动控制策略，可主动调节系统的等效刚度和阻尼；最后，基于Speedgoat实时目标机开发振动主动控制系统，搭建隔振测试平台，并开展了隔振性能测试. 研究结果表明：本文设计的准零刚度磁悬浮隔振平台通过采用模糊P...

为解决传统磁流变阻尼器存在工作介质易沉降、密封要求较高，且中高频激励下阻尼器刚度快速增大，能耗衰减严重的问题，制备并测试了一种沉降稳定性能良好且密封要求低的磁流变复合材料，建立改进的Herschle-Bulkley模型用以表征复合材料的力学性能；基于该复合材料设计加工出一种剪切式磁流变阻尼器，并设计实验测试中、高频激励下阻尼器的性能响应规律. 研究结果表明：3 A电流激励下，当测试频率由5 Hz增大至20 Hz时，阻尼器动态刚度由4.87 × 10⁵ N/m增加到6.29 × 10⁵ N/m，且全频段阻尼器单周期耗能均在0.04 J左右，验证了所设计的磁流变阻尼器在中高频振动工况下的耗能能力.

为实现中速磁浮列车悬浮系统的数据驱动异常检测，首先，引入基于参数化残差的异常检测方法；然后，针对当前悬浮系统的异常先验信息非常缺乏的问题，建立悬浮系统健康数据置信集和异常数据置信集，确定悬浮系统的异常检测评估函数与阈值；接着，异常误报率固定时以最小化异常漏检率为设计目标，从数理角度设计满足该目标的最优参数向量，并以此构建基于最低漏检率的悬浮系统异常检测算法；最后，以长沙磁浮快线的悬浮系统运行数据为例，对悬浮系统的间隙突变异常、砸轨异常和加速度传感器异常进行分析和检测. 结果表明，在异常误报率为5%时，所提出的方法能够实现3种典型异常的全部检测，不存在对3种异常的漏检和对正常数据段的误检，最大异...

基于新发现的永磁体与超导线圈之间的相互作用规律，提出了利用永磁体与闭合超导线圈构成新型短时能量转换/存储装置. 通过在不同永磁体运动路径和运行速度时进行的多组实验，测量和分析了永磁体与闭合超导线圈相互作用过程中永磁体处在不同位置时的相互作用力和超导线圈内电流，验证所提装置原理的可行性并掌握其功能规律；进一步测量在静止状态时超导线圈中电流随时间的衰减情况，得到该装置的损耗特征. 研究结果显示：该装置可在无需附加发电机/电动机条件下实现机械能→电磁能→机械能转换，能量效率达到9成以上. 该新型超导能量转换/存储装置在城市轨道车辆制动能量回收再利用和航母舰载机辅助电磁弹射等领域具有广泛的应用前景.

为改善电机转矩性能，同时降低永磁材料成本，首先，根据飞轮电池的运行模式，提出飞轮电机的设计要求，并选取输出转矩、转矩脉动和永磁体用量为设计目标；在此基础上，采用等效磁路法和有限元法计算电机的主要尺寸和性能，同时确定合适的槽极配合以及初始结构参数；其次，使用相关系数法分析该电机各结构参数与优化目标之间的相关性，并合理划分转子尺寸和定子尺寸的优先级；最后，采用有限元代理模型和多目标优化算法（非支配排序遗传算法Ⅱ，NSGA-Ⅱ）相结合的方法对设计参数进行逐级寻优，并通过场路联合仿真和样机实验进行验证. 研究结果表明：采用参数优先级划分的方式可以减少优化过程中数据点的采样，缩短了整个过程中有限元分析的...

为解决低频隔振领域存在的低固有频率和高承载力之间的矛盾，设计了一种新型高静-低动刚度磁弹簧元件. 首先，基于电磁场理论和分子电流法建立磁弹簧的弹簧力和刚度模型；其次，建立系统的动力学模型，同时分析线圈通入不同电流时对位移传递率的影响，并与等效线性弹簧进行比较；最后，研制实验样机并进行实验研究. 仿真与实验结果表明：磁弹簧气隙-刚度曲线呈先平缓后急剧的非线性关系，具有明显的高静-低动刚度特性；其刚度与电流近似线性关系，磁弹簧可通过改变电流实现较大范围的刚度调整，且刚度响应迅速；在未通入电流时，相对于等效线性弹簧，起始隔振频率和传递率峰值降低26%，在通入负向额定电流时，起始隔振频率和传递率峰值降...

极靴一体化磁性液体密封具有良好的应用前景，为研究极靴一体化磁性液体密封耐压性能的影响因素，对一体化极靴结构参数进行了分析. 首先，推导了磁性液体密封结构的耐压公式；其次，使用有限元仿真分析磁性液体密封结构的耐压性能，首次分析了有无薄壁、薄壁厚度、极齿与薄壁的轴向距离以及多级极靴尺寸分布比例对于磁性液体密封结构耐压的影响；最后，加工了极靴一体化磁性液体密封装置，搭建实验台进行实验研究. 结果表明：一体化极靴比传统极靴磁性液体密封耐压略小，但相差不大；薄壁厚度以及极齿与薄壁轴向距离均与密封结构耐压值成反比；对于多级极靴结构，磁铁之间的极靴长度大于两侧极靴长度，更利于磁性液体密封的耐压.

为了研究在选矿分离过程中实现对非导磁物质进行精密分选的问题，基于磁性液体一阶浮力原理，探讨永磁体作为磁源时，通过改变永磁体与磁性液体的距离从而改变浸没在磁性液体中的非磁性物体的受力情况；设计了自动浮选分离结构模型，其中用于磁源升降的电动剪叉式升降平台的升降行程为100 mm，通过磁源升降给磁性液体提供不同的磁场强度；设计了用于分离非磁性物料的直角坐标机器人和末端执行器，实现对悬浮在不同高度的非磁性物体的打捞分离；利用ANSYS Maxwell软件对设计的模型进行二维和三维仿真，近似计算出非磁性物体所受到的一阶浮力，为升降平台的承重能力设计提供了依据. 仿真计算结果表明：指定非导磁圆柱体在磁性液...

为了有效抑制转子系统的不平衡振动，本文提出将考虑动态刚度的电磁阻尼器应用于转子系统中. 首先，建立转子系统运动方程并对其进行无量纲化；其次，基于等效磁路法，建立了考虑涡流效应的电磁阻尼器模型，分析了涡流效应对电磁阻尼器刚度的影响，并采用非线性动态自适应惯性权重的PSO算法对电磁阻尼器的PID （比例、积分、微分）3个控制参数进行优化；最后，对转子的动力学特性进行了分析. 研究结果表明：在涡流效应的影响下，电磁阻尼器的刚度是动态变化的，当转速为100 kHz时，理论上位移刚度和电流刚度分别下降了10.0%、6.6%；通过非线性动态自适应惯性权重的PSO算法优化得到的PID参数响应快，超调量小，能...

为满足磁浮车悬浮间隙传感器在供电和信号传输方面的需求，提出了一种无线电能与信号全双工同步传输方法. 首先，建立悬浮间隙传感器无线能量与信号全双工同步传输系统，在能量回路中采用S/LCC补偿结构以实现稳压效果，并在信号接收回路采用LC并联支路抑制同侧信号载波干扰；其次，对系统电能传输特性和信号传输特性进行了分析；然后，重点分析了信号传输电压增益、能量传输对信号传输的干扰以及双向信号传输之间的串扰，得出系统参数对系统传输特性影响的规律；最后，搭建20 W的实验平台进行实验验证. 实验结果表明：信号接收回路中采用的LC并联支路可有效消除信号之间的串扰，能量传输对信号传输影响较小，验证了所提拓扑结构可...