胡 帥，陳曉岑，張 麗，余海濤

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

磁懸浮是利用磁場(chǎng)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(wěn)定懸浮于某一位置的一種技術(shù)[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(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于航天航空、能量儲(chǔ)能裝置、軌道交通等領(lǐng)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(chǎng)間異性相吸的特性產(chǎn)生吸引力平衡重力使懸浮體懸浮，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的性能參數(shù)可以在線調(diào)節(jié)[4]。但是由于被懸浮體的四周鑲嵌有相關(guān)部件，在懸浮時(shí)效果并不直觀，同時(shí)由于磁懸浮技術(shù)的特殊性，其懸浮氣隙會(huì)受到傳感器檢測(cè)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(dāng)懸浮體出現(xiàn)水平位置偏移時(shí)，僅僅依靠邊緣效應(yīng)將其拉回中心位置，穩(wěn)定區(qū)域小。而下推式磁懸浮裝置主要是依靠磁場(chǎng)間同性相斥的特性，利用永磁體之間產(chǎn)生的斥力進(jìn)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(jìn)行微調(diào)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)很小。這種支承方式由于是基于永磁斥力，相對(duì)于上拉式的電磁吸引力，有較強(qiáng)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(duì)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(yīng)用較多，也有很多產(chǎn)品化的例子，如磁懸浮地球儀，磁懸浮音箱等[8]?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)多對(duì)懸浮體的控制進(jìn)行研究，而對(duì)懸浮體和定子永磁體具體參數(shù)對(duì)懸浮性能的影響這一基本問題研究較少。針對(duì)這種情況，對(duì)下推式磁懸浮裝置進(jìn)行建模，仿真得到懸浮體、定子永磁體和懸浮力的關(guān)系，對(duì)永磁電磁混合的磁懸浮三維支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，該裝置是用于該結(jié)構(gòu)的一種試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 下推式磁懸浮裝置結(jié)構(gòu)

下推式磁懸浮裝置結(jié)構(gòu)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(huán)組成[9]。其中懸浮體為釹鐵硼永磁材料，定子磁環(huán)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(gè)電磁極柱均布在定子磁環(huán)內(nèi)部。

圖1 下推式磁懸浮裝置結(jié)構(gòu)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(huán)的充磁方向相同。當(dāng)兩者處于軸對(duì)稱中心時(shí)，兩者產(chǎn)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(dāng)兩者之間的排斥力等于懸浮體重量時(shí)，懸浮體就能在豎直方向(Z軸)保持平衡。當(dāng)懸浮體選定后，懸浮體質(zhì)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(wěn)定懸浮。

水平方向工作原理如圖3所示，在定子永磁環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布4個(gè)電磁極柱，極柱上均繞有電磁線圈，相對(duì)極柱線圈反向串聯(lián)，形成差動(dòng)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(chǎn)生可控的電磁力來平衡懸浮體偏移時(shí)定子磁環(huán)產(chǎn)生的吸力。當(dāng)懸浮體向右(X軸正方向)偏移時(shí)，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(chǎn)生磁力，右電磁極柱產(chǎn)生對(duì)懸浮體的斥力，左電磁極柱產(chǎn)生對(duì)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(duì)下推式磁懸浮裝置線圈電流、磁場(chǎng)、懸浮力進(jìn)行模擬仿真。Ansoft建立幾何模型主要包括創(chuàng)建項(xiàng)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(shí)體，然后再對(duì)這些簡單實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算得到復(fù)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(shù)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(shù)界面圖

圖6 釹鐵硼永磁體材料參數(shù)界面圖

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行建模，并賦予材料特性，最終得到該模型的網(wǎng)格劃分三維模型如圖7所示。該模型的網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖7 三維實(shí)體模型

圖8 網(wǎng)格劃分

3 幾何參數(shù)對(duì)懸浮性能的影響分析

3.1 懸浮體幾何參數(shù)對(duì)懸浮性能的影響

本裝置在設(shè)計(jì)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(shù)對(duì)懸浮性能的影響時(shí)，假設(shè)定子環(huán)形永磁鐵參數(shù)及前提條件設(shè)為定值，具體參數(shù)如表1所示。

表1 定子環(huán)形永磁鐵及預(yù)設(shè)參數(shù)

分析懸浮體內(nèi)部永磁鐵的直徑與厚度對(duì)懸浮性能的影響時(shí)，可以認(rèn)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(shí)保證懸浮穩(wěn)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(shù)對(duì)懸浮力的影響如圖9所示。

從圖9可以看出，浮子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)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(shì)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(shù)對(duì)懸浮力的影響

3.2 定子永磁體幾何參數(shù)對(duì)懸浮性能的影響

在仿真分析各參數(shù)對(duì)懸浮性能的影響時(shí)，假設(shè)懸浮體參數(shù)及前提條件設(shè)為定值，具體參數(shù)如表2所示。

分析定子永磁鐵的內(nèi)外徑與厚度對(duì)懸浮性能的影響時(shí)，同樣可以認(rèn)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(nèi)外徑及厚度分別為R1、R2和H。定子永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)懸浮力的影響如圖10所示。

表2 懸浮體永磁鐵預(yù)設(shè)參數(shù)

圖10 定子永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)懸浮力的影響

從圖10可以看出，定子永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(nèi)徑和厚度對(duì)懸浮力的影響趨勢(shì)相同，都是隨著幾何尺寸的增大，懸浮力先增大后減??；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(xù)增大，然后穩(wěn)定在5 N左右。

4 結(jié)論

筆者介紹了下推式磁懸浮裝置的結(jié)構(gòu)并建立了三維模型，設(shè)置懸浮體和定子永磁體不同的幾何參數(shù)，仿真得到懸浮力與幾何尺寸的變化關(guān)系。

(1)懸浮體大小永磁塊的厚度對(duì)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(duì)懸浮力的影響趨勢(shì)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(nèi)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(xù)增大，然后穩(wěn)定，對(duì)于本文結(jié)構(gòu)大約穩(wěn)定在5 N左右。

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