永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的磁場分析

陳 濤,趙智宇,李 東，徐方超，孫 鳳,韋 偉

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110142；3.中國華錄 松下電子信息有限公司，遼寧 大連 116023)

0 前言

磁懸浮技術(shù)已廣泛應用于工業(yè)自動化和現(xiàn)代家電等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域[1-3]。隨著永磁與電磁軟件[4-6]在磁懸浮技術(shù)中的不斷應用，虛擬磁場技術(shù)不僅提高了磁懸浮系統(tǒng)磁場的仿真精度，對磁場特性的研究也提出了更高的要求。為了使磁懸浮技術(shù)達到穩(wěn)定、精確的工作狀態(tài)，通過運用可靠、準確和實用的仿真計算分析，可以節(jié)省大量的時間和成本。目前，計算機技術(shù)的快速發(fā)展，對整個磁場的仿真分析方法已經(jīng)成功運用于磁懸浮系統(tǒng)、磁飽和表面效應的旋轉(zhuǎn)電機以及磁懸浮列車等[7-11]。

本文針對一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)進行磁場分析，介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動原理，建立系統(tǒng)二維仿真模型，并在此模型的基礎(chǔ)上進一步分析永磁體的回轉(zhuǎn)磁場特性以及鐵球的表面磁通密度分析，得出仿真結(jié)果并對其進行分析。

1 永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)是由懸浮部分和非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.1 懸浮部分

懸浮部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 懸浮部分結(jié)構(gòu)圖

懸浮部分包括柱形永磁鐵、音圈電機和兩個電渦流傳感器。柱形永磁鐵安裝在音圈電機的輸出軸上，音圈電機驅(qū)動柱形永磁鐵在豎直方向上移動，永磁鐵的位移由音圈電機上方的電渦流傳感器測量，鐵球的懸浮位移由鐵球下方的電渦流傳感器測量。永磁鐵的位移信號和鐵球的旋轉(zhuǎn)角度信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，輸入給PC機，通過dSPACE控制器和PD控制方法來控制整個系統(tǒng)，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，經(jīng)過功率放大器控制音圈電機的上下伸縮，以確保鐵球的穩(wěn)定懸浮。

1.2 非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動部分

非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動部分包括四個同規(guī)格的徑向磁化盤狀永久磁鐵和四個直流伺服電機以及編碼器。每個盤狀永磁鐵安裝在直流伺服電機的輸出軸上，與懸浮球的水平距離相同，以控制每個盤狀永磁鐵的回轉(zhuǎn)。四個永磁鐵的回轉(zhuǎn)可驅(qū)動鐵球的回轉(zhuǎn)，鐵球的回轉(zhuǎn)角度由激光傳感器測量。電機安裝在系統(tǒng)的框架上，由電機驅(qū)動永磁鐵實現(xiàn)永磁鐵在豎直方向上和水平方向上的移動和轉(zhuǎn)動。永磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度由電機編碼器記錄，通過編碼器接口將信號反饋到dSPACE控制器，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，信號經(jīng)過功率放大器以及用PD控制方法來控制電機的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)四個永磁鐵與鐵球在同一水平面上，并以相同的旋轉(zhuǎn)速度進行旋轉(zhuǎn)。

圖3 回轉(zhuǎn)驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)圖

2 非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動原理

永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)原理圖如圖4所示，鐵球位于四個盤狀永磁鐵的中心。在垂直方向上，由于音圈電機驅(qū)動柱形永磁鐵吸引鐵球，使鐵球在垂直方向上移動；在水平方向上，四個盤狀永磁鐵與鐵球位于同一平面內(nèi)，與鐵球距離相等。每個徑向磁化的永磁鐵，其磁極平行布置，且同級相對。在運動過程中，四個盤狀永磁鐵均以同一速度向同一方向進行旋轉(zhuǎn)。

鐵球表面上磁點S的位置決定鐵球的旋轉(zhuǎn)角度，當四個盤狀永磁鐵同向旋轉(zhuǎn)時(如圖4箭頭方向所示)，鐵球繞其縱軸逆時針旋轉(zhuǎn)，永磁鐵Ⅰ吸引磁點S，S點向永磁鐵Ⅰ方向轉(zhuǎn)動，當S點距離永磁鐵Ⅰ最近時鐵球停止旋轉(zhuǎn)。此時，磁點S正對于磁鐵Ⅰ，鐵球旋轉(zhuǎn)90°，四個永磁鐵也旋轉(zhuǎn)90°。當永磁鐵繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，永磁鐵Ⅳ吸引磁點S，S點朝向永磁體Ⅳ方向轉(zhuǎn)動。由此表明，四個盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)，磁感線的變化使得鐵球以反方向、同速度進行自轉(zhuǎn)。

圖4 旋轉(zhuǎn)原理圖

3 回轉(zhuǎn)磁場特性分析

為了探究永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)在水平面內(nèi)的磁場，使用ELF/Magic軟件分析其磁鐵布置方式下的二維模型。在模型中，鐵球和磁鐵的直徑為30 mm，鐵球與永磁鐵的中心之間的距離是40 mm。鐵球和永磁鐵的磁場分布形狀是圓形，且磁場的直徑是120 mm。鐵球的材料為鐵，磁鐵的材料為銣鐵硼。

圖5 永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的二維模型

假設(shè)永磁體的旋轉(zhuǎn)角度為φ，當情況如圖5所示時，φ等于0°。在永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立具有四個永磁體驅(qū)動鐵球旋轉(zhuǎn)的分析模型，如圖6所示，其中中間的小圓為鐵球，四周小圓為永磁鐵，整個圓表示所在磁場，箭頭表示磁通量的方向，并且箭頭的稀疏密表示磁密度的強弱。

圖6 四個永磁鐵作為驅(qū)動磁鐵時的磁場分析結(jié)果

磁體從0°旋轉(zhuǎn)到90°時的分析結(jié)果如圖6a～6d所示。仿真結(jié)果表明：當磁體旋轉(zhuǎn)時，鐵球表面以及周圍的強磁密度點變化。如圖6a所示，強磁密度點的數(shù)量是兩個，為鐵球表面的上下最高點。磁鐵勻速轉(zhuǎn)動至30°時，如圖6b所示，強磁密度點的數(shù)量也為兩個，但其位置發(fā)生變化，上側(cè)的強磁密度點向左偏移，下側(cè)的強磁密度點向右偏移，由于磁場的變化，給鐵球一個逆時針旋轉(zhuǎn)的力，使鐵球逆時針旋轉(zhuǎn)。磁鐵勻速轉(zhuǎn)動至60°時，如圖6c所示，相比于0°情況，強磁密度點的位置逆時針旋轉(zhuǎn)約60°，四個永磁鐵的磁密度強度是相等的，并且永磁鐵表面上的強磁密度點的變化角度約等于永磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度。磁鐵轉(zhuǎn)動至90°時，如圖6d所示，四個永磁鐵旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強磁密度點，在鐵球的左右兩側(cè)，相比于0°時強磁密度點的位置，已旋轉(zhuǎn)約90°。因此，當使用四個永磁鐵作為驅(qū)動磁體時，鐵球在四個永磁鐵的變化磁場內(nèi)，永磁鐵旋轉(zhuǎn)引起附近磁場的變化，鐵球受到磁場變化的影響，會以自轉(zhuǎn)的形式逆時針旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

本文針對一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)進行磁場分析，該系統(tǒng)由音圈電機驅(qū)動盤狀永磁鐵以控制懸浮物的上下移動、由四個直流伺服電機控制四個盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)懸浮物的回轉(zhuǎn)。為了探究永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)在水平面內(nèi)的磁場，通過磁場仿真分析研究四個永磁鐵與鐵球之間的磁場關(guān)系。研究結(jié)果表明：使用四個永磁鐵作為鐵球的驅(qū)動磁體時，鐵球在四個永磁鐵的變化磁場中心，永磁鐵旋轉(zhuǎn)引起附近磁場的變化，鐵球受到磁場變化的影響，會以自轉(zhuǎn)的形式逆時針旋轉(zhuǎn)，四個永磁鐵勻速轉(zhuǎn)動一定角度，鐵球所旋轉(zhuǎn)的角度與永磁鐵的角度大致相等，且方向相反。

[1] 莫雙鑫,劉少克.中低速磁懸浮列車空氣阻力計算[J].機車電傳動,2015,4:49-52.

[2] 于慎波,鮑萌.永磁同步電主軸定子齒形狀對轉(zhuǎn)矩脈動的影響分析.重型機械,2016,3:28-32.

[3] 張鋼,孟慶濤,鐘永彥,等.五自由度全永磁軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮特性分析[J].機械工程學報,2015,(51)5:56-63.

[4] 郝麗.基于Ansoft 的電磁場實驗仿真軟件研發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(9):104-106.

[5] 盧東方,王毓華,何平波,等.基于ANSYS的履帶式永磁磁選機磁場模擬[J].中國有色金屬學報,2014,24(8):2188-2194.

[6] 尚玲艷,周堅剛.基于MATLAB的鋼板磁懸浮系統(tǒng)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2006,18(s2):982-984.

[7] 秦新燕,肖鵬程.基于Ansoft的電機設(shè)計及瞬態(tài)分析[J].湖北第二師范學院學報,2011,28(2):89-92.

[8] 洪華杰,李杰,李淑娟.基于虛擬樣機的磁懸浮列車運動學仿真分析[J].機車電傳動,2005,(2):40-44.

[9] H Dindo,D Zambuto,G Pezzulo.Motor simulation via coupled internal models using sequential Monte Carlo[J].International Joint Conference on Ijcai,2011:2113-2119.

[10] 舒光偉,Reinhold Meisinger.基于Simulink的磁懸浮控制系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2008,20(8):2168-2176.

[11] 王揚彬,徐兵,劉英杰.基于Ansoft及AMEsim的電磁鐵動態(tài)特性仿真分析[J].機床與液壓,2008,36(9):104-108.