下推式混合磁懸浮裝置的設計與仿真研究

胡 帥，陳曉岑，張 麗，余海濤

(武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

磁懸浮是利用磁場間同性相斥、異性相吸的特性克服物體自身的重力，將物體穩定懸浮于某一位置的一種技術[1]。由于被懸浮體懸浮于空間中，不與任何物體接觸，因此避免了由于接觸摩擦引起的磨損與能量損耗[2]。磁懸浮技術有諸多優點，其廣泛應用于航天航空、能量儲能裝置、軌道交通等領域[3]。

常見的磁懸浮展示裝置有上拉式磁懸浮裝置和下推式磁懸浮裝置。上拉式磁懸浮裝置電磁線圈在被懸浮體上面，依靠磁場間異性相吸的特性產生吸引力平衡重力使懸浮體懸浮，這種方式的優點是系統的性能參數可以在線調節[4]。但是由于被懸浮體的四周鑲嵌有相關部件，在懸浮時效果并不直觀，同時由于磁懸浮技術的特殊性，其懸浮氣隙會受到傳感器檢測距離的約束，被懸浮體的上端面與頂部線圈的距離很小，視覺效果不明顯[5]；另外上拉式磁懸浮裝置僅在豎直方向有控制，在水平方向上無控制，因此其在水平方向上的抗干擾能力很弱，當懸浮體出現水平位置偏移時，僅僅依靠邊緣效應將其拉回中心位置，穩定區域小。而下推式磁懸浮裝置主要是依靠磁場間同性相斥的特性，利用永磁體之間產生的斥力進行支承[6]，不需要消耗大量的外部能耗去抵消被懸浮體的重力，在水平方向僅需要電磁線圈進行微調，其線圈電流約等于零，這種零功率懸浮方式不用體積龐大的電磁線圈，因此其系統結構很小。這種支承方式由于是基于永磁斥力，相對于上拉式的電磁吸引力，有較強的抗干擾能力。下拉式懸浮裝置懸浮體浮在底座上面，懸浮體的上端面沒有任何支承裝置，相對上拉式懸浮裝置有更好的視覺效果，可以更有效地向人們展示磁懸浮的魅力[7]。

目前下推式磁懸浮裝置應用較多，也有很多產品化的例子，如磁懸浮地球儀，磁懸浮音箱等[8]。現有的文獻多對懸浮體的控制進行研究，而對懸浮體和定子永磁體具體參數對懸浮性能的影響這一基本問題研究較少。針對這種情況，對下推式磁懸浮裝置進行建模，仿真得到懸浮體、定子永磁體和懸浮力的關系，對永磁電磁混合的磁懸浮三維支承結構進行研究，該裝置是用于該結構的一種試驗驗證。

1 下推式磁懸浮裝置結構

下推式磁懸浮裝置結構模型如圖1所示，主要由被懸浮體、電磁極柱、電磁線圈和定子磁環組成[9]。其中懸浮體為釹鐵硼永磁材料，定子磁環為鐵氧體永磁材料，電磁極柱由電工純鐵制成，為圓柱狀，極柱上安裝有電磁線圈，4個電磁極柱均布在定子磁環內部。

圖1 下推式磁懸浮裝置結構示意圖

永磁材料充磁方向如圖2所示，被懸浮體和定子磁環的充磁方向相同。當兩者處于軸對稱中心時，兩者產生的磁通如圖2所示。定子和浮子之間的磁路不能形成閉合回路，因此兩者之間為斥力，并且隨著浮子的上升，兩者之間的磁鏈逐漸減少，因此兩者之間的斥力隨著懸浮高度的增加逐漸減少。

圖2 永磁材料充磁方向圖

豎直方向上的工作原理如下：懸浮體有一定的重量，因此當兩者之間的排斥力等于懸浮體重量時，懸浮體就能在豎直方向(Z軸)保持平衡。當懸浮體選定后，懸浮體質量就確定下來，在豎直方向上的某一處，懸浮體重量等于排斥力，在豎直方向就可以穩定懸浮。

水平方向工作原理如圖3所示，在定子永磁環內側均勻分布4個電磁極柱，極柱上均繞有電磁線圈，相對極柱線圈反向串聯，形成差動控制[10]。 僅僅依靠永磁力無法保證懸浮體在水平方向懸浮，因此需要電磁極柱產生可控的電磁力來平衡懸浮體偏移時定子磁環產生的吸力。當懸浮體向右(X軸正方向)偏移時，懸浮體受到X軸正方向上的吸力，X方向上的電磁極柱線圈通電產生磁力，右電磁極柱產生對懸浮體的斥力，左電磁極柱產生對懸浮體的吸力，如圖3所示。同樣的，在Y軸方向類似。

圖3 水平方向工作原理圖

2 下推式懸浮裝置建模

采用Ansoft Maxwell軟件對下推式磁懸浮裝置線圈電流、磁場、懸浮力進行模擬仿真。Ansoft建立幾何模型主要包括創建項目、定義分析類型、建立幾何模型和定義及分配材料等步驟。

在Ansoft三維建模中，可以直接繪制簡單的三維實體，然后再對這些簡單實體進行布爾運算得到復雜模型。該模型中包含4種材料，分別是空氣、銅、軟磁材料和永磁材料。其中，繞組線圈為銅，電磁極柱為軟磁材料，其B-H曲線如圖4所示；永磁材料有兩種，一種是鐵氧體，另一種是釹鐵硼，其材料參數界面如圖5和圖6所示。

圖4 軟磁材料B-H曲線

圖5 鐵氧體永磁體材料參數界面圖

圖6 釹鐵硼永磁體材料參數界面圖

根據上述參數進行建模，并賦予材料特性，最終得到該模型的網格劃分三維模型如圖7所示。該模型的網格劃分如圖8所示。

圖7 三維實體模型

圖8 網格劃分

3 幾何參數對懸浮性能的影響分析

3.1 懸浮體幾何參數對懸浮性能的影響

本裝置在設計過程中，永磁鐵之間的斥力與浮子的重力平衡，電磁力則抵消外部干擾力。在仿真分析各參數對懸浮性能的影響時，假設定子環形永磁鐵參數及前提條件設為定值，具體參數如表1所示。

表1 定子環形永磁鐵及預設參數

分析懸浮體內部永磁鐵的直徑與厚度對懸浮性能的影響時，可以認為浮子與底座之間的距離等于浮子永磁鐵與定子永磁鐵的間隙。為了減少漏磁，同時保證懸浮穩定性，浮子永磁鐵由兩塊大小不一的圓柱形永磁鐵疊加而成。其中，大、小永磁塊的半徑及厚度分別為r1、h1和r2、h2。不同參數對懸浮力的影響如圖9所示。

從圖9可以看出，浮子結構參數對懸浮力的大小有較大的影響。其中圖9(a)和圖9(d)表明大小永磁塊的厚度對懸浮力的影響剛好相反，隨著h2的增大，排斥力的大小是先增大后減小，而隨著h1的增大，排斥力的大小則是先減小后增大；從圖9(b)和圖9(c)可以看出大小永磁塊的外徑都懸浮力的影響趨勢相同，且隨著外徑的r1和r2的增大，懸浮力的大小均是先增大后減小，然后再增大。

圖9 懸浮體幾何參數對懸浮力的影響

3.2 定子永磁體幾何參數對懸浮性能的影響

在仿真分析各參數對懸浮性能的影響時，假設懸浮體參數及前提條件設為定值，具體參數如表2所示。

分析定子永磁鐵的內外徑與厚度對懸浮性能的影響時，同樣可以認為浮子與底座之間的距離等于浮子永磁鐵與定子永磁鐵的間隙。其中，定子永磁塊的內外徑及厚度分別為R1、R2和H。定子永磁體結構參數對懸浮力的影響如圖10所示。

表2 懸浮體永磁鐵預設參數

圖10 定子永磁體結構參數對懸浮力的影響

從圖10可以看出，定子永磁體結構參數對懸浮力的大小有較大的影響。其中圖10(a)和圖10(c)表明定子永磁體的內徑和厚度對懸浮力的影響趨勢相同，都是隨著幾何尺寸的增大，懸浮力先增大后減小；而從圖10(b)可以看出隨著定子永磁體外徑的R2增大，懸浮力先持續增大，然后穩定在5 N左右。

4 結論

筆者介紹了下推式磁懸浮裝置的結構并建立了三維模型，設置懸浮體和定子永磁體不同的幾何參數，仿真得到懸浮力與幾何尺寸的變化關系。

(1)懸浮體大小永磁塊的厚度對懸浮力的影響是相反的，隨著大永磁塊厚度h2增大，懸浮力的增大后減小，而隨著小永磁塊厚度h1的增大，懸浮力則是先減小后增大。

(2)懸浮體大小永磁塊的外徑對懸浮力的影響趨勢相同，隨著外徑的r1與r2的增大，懸浮力的大小均是先增大后減小，然后再增大。

(3)隨著定子永磁體內徑R1的增大，懸浮力先增大后減小。而隨著定子永磁體外徑R2的增大，懸浮力先持續增大，然后穩定，對于本文結構大約穩定在5 N左右。

(4)定子永磁體的厚度對懸浮力的影響與內徑相同，都是隨著幾何尺寸的增大，懸浮力先增大后減小。