中圖分類號：TN201文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and research on optical drive rotating structure of antimagnetic levitation pyrolytic graphite

YU Mingxin，CAO Mingrui，LI Jianlang （School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200o93，China）

Abstract： The optical drive movement of anti-magnetic levitation pyrolytic graphite is of great significance to the optical manipulation of objects and the acquisition of optical energy. At present， the existing rotating system of optical drive based on pyrolytic graphite has the problems of low rotating speed and low energy conversion efficiency. Therefore， it is proposed to adjust the magnetic field around the magnetic levitation pyrolytic graphite to directionally enhance its rotation. Specifically， a magnetic levitation base structure with circular magnetic field defects was designed to improve the rotation speed of pyrolytic graphite under irradiation. Firstly， based on the magnetic field theory and heat conduction theory， a numerical analysis model was established， and the realization mechanism and motion law of the magnetic levitation pyrolytic graphite optical drive were explained. Then the optical driving effect of the designed magnetic levitation structure was verified by experiments. The results showed that the maximum rotation speed of pyrolytic graphite was 3.5r/s driven by semiconductor laser with wavelength of 808nm and power of 200mW Compared with the original structure， in the power range of 20 to 200mW ，drivenby the laserwith the same optical power， the rotating speed of the pyrolytic graphite was increased by 1 to 2 times. It had better stability and lower rotation threshold power. The research results provide reference for the design of optical drive rotating devices and new optical energy collection systems.

Keywords： anti-magnetic levitation; optical drive rotation; pyrolytic graphite; permanent magnet

引言

磁懸浮技術(shù)具有無摩擦特性，能減少物體間的接觸磨損，被廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械與軌道交通設(shè)備（如軸承、電機(jī)、列車等）[1-3]。目前該技術(shù)主要依賴主動懸浮方式，需要外界持續(xù)供能以維持懸浮狀態(tài)。而抗磁懸浮是一種被動懸浮方式，具有抗磁性的物體能在磁場中產(chǎn)生與原磁場相反的感應(yīng)磁場，從而受到磁場的斥力，甚至懸浮于磁場中?？勾艖腋〉膶崿F(xiàn)無需外界能量的輸入?？勾艖腋∽畹湫偷睦邮浅瑢?dǎo)體的邁斯納效應(yīng)，即超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，但實現(xiàn)超導(dǎo)需要保持極低的溫度，同樣需要消耗大量能量。在常溫下，自然界中許多物質(zhì)的抗磁性都很弱，無法在較低的磁場中實現(xiàn)懸浮，但熱解石墨卻表現(xiàn)出顯著的抗磁性[4-5]，能在永磁鐵提供的磁場中穩(wěn)定懸浮。

熱解石墨不僅能在常溫下實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，還能在光操縱下實現(xiàn)多種運(yùn)動。光驅(qū)動方法具有遠(yuǎn)程操縱與無接觸的特性，不需要使用額外供源組件。已有的光驅(qū)動方法，如光鑷、光致熱泳等只能實現(xiàn)微納尺寸物體的驅(qū)動[6-7]，而磁懸浮熱解石墨的光驅(qū)動則實現(xiàn)了大尺寸物體的直接操縱。2012年，Kobayashi等[首次實現(xiàn)了磁懸浮熱解石墨的光驅(qū)動。他們采用不同的永磁懸浮結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了熱解石墨的平移運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但沒有解釋磁懸浮熱解石墨在光驅(qū)動下沿不同方向旋轉(zhuǎn)的機(jī)理。2021年，童鑫等通過計算懸浮熱解石墨在光驅(qū)轉(zhuǎn)動過程中扭矩及勢能的變化，從理論上證實了導(dǎo)致磁懸浮熱解石墨在光驅(qū)動下沿不同方向轉(zhuǎn)動的機(jī)理，即嵌套永磁體間存在的偏心導(dǎo)致了熱解石墨的旋轉(zhuǎn)。目前，基于光驅(qū)動的磁懸浮熱解石墨已實現(xiàn)初步應(yīng)用，包括磁懸浮轉(zhuǎn)盤激光器、懸浮微型貨物裝配機(jī)器人以及新型光功率傳感器等[10-12] 。

在已有研究中，光誘導(dǎo)磁懸浮熱解石墨的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在 300mW 激光驅(qū)動下僅達(dá)到 0.33r/s^[8] 由于光能轉(zhuǎn)化效率偏低，其在光驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的實際應(yīng)用受到顯著制約。對磁懸浮基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、設(shè)計，是提高熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動速度的有效方法。為此設(shè)計了一種帶有圓形缺陷的嵌套永磁結(jié)構(gòu)，在環(huán)形分布的磁場中引入圓形磁場缺陷。相比原始永磁結(jié)構(gòu)，圓孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場缺陷更集中，磁場強(qiáng)度在局部區(qū)域的突變更大，在同等功率光照下，熱解石墨產(chǎn)生的扭矩更大。本文從理論和實驗兩方面說明了熱解石墨在光照下的轉(zhuǎn)動機(jī)理及運(yùn)動規(guī)律，并比較了原始磁懸浮結(jié)構(gòu)與本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)對熱解石墨的光驅(qū)動效果。

1 數(shù)值計算

為分析懸浮抗磁物質(zhì)在磁場中的運(yùn)動狀態(tài)，首先計算了永磁體的空間磁場分布，然后計算了抗磁物質(zhì)在磁場中的受力及力矩[13-14]，據(jù)此來判斷抗磁物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律。抗磁懸浮系統(tǒng)為無電流的靜磁場系統(tǒng)，可采用等效磁荷法計算永磁體產(chǎn)生的空間磁場分布[15-16]，其中磁鐵由等效磁荷分布模擬，通過磁荷分布得到總磁場 H ，進(jìn)一步可以得到抗磁物質(zhì)所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的分布

B=μ₀（H+M）

式中： μ₀ 為真空磁導(dǎo)率； M 為磁化強(qiáng)度。對于熱解石墨，其具有較高的晶格取向，在不同方向上的抗磁化率 χ 有一定差異，其磁化強(qiáng)度 M 可以表示為

M=χ?H=χ_xH_x+χ_yH_y+χ_zH_z

式中： χ 在 x-y 平面的值 χ_x=χ_y=-0.85×10^-4 在 z 方向（軸向）的值 χ_z=-4.5×10^-4 。

接下來計算熱解石墨在磁場中的受力。由于熱解石墨的磁化方向與原磁場方向相反，因此它會受到原磁場的斥力。熱解石墨在磁場中的抗磁力可以表示為

圖，它由圓形熱解石墨以及釹鐵硼（NdFeB）永磁體組成。為了描述激光在熱解石墨表面的照射位置，以熱解石墨表面的圓心為原點(diǎn)，以磁鐵表面的基準(zhǔn)軸線 L₁ 的方向為極軸，建立極坐標(biāo)系，通過照射角 θ 及距原點(diǎn)的距離 R 確定激光在熱解石墨上的照射位置。實驗采用波長為 808nm 的半導(dǎo)體耦合激光，激光照射點(diǎn) P 的直徑約為1.5mm 。熱解石墨懸浮于永磁體結(jié)構(gòu)正上方，半徑為 6mm ，厚度為 50μm 。對于NdFeB永磁體，原始的永磁懸浮結(jié)構(gòu)，即不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。它是由軸向充磁的柱形磁體M₁ 與環(huán)形磁體 M₂ 相互嵌套而成。熱解石墨可以穩(wěn)定懸浮于嵌套磁鐵軸向表面上方。在該結(jié)構(gòu)中， M₂ 的內(nèi)外半徑 R₂ 與 R₃ 分別為 6mm 與11mm ， M₁ 的半徑 R₁ 為 5mm 。由于 R₁ 與 R₂ 尺寸不匹配以及永磁體間磁場力的作用， M₂ 的軸心 O₁ 相對 M₁ 的軸心 o 會發(fā)生一定偏移，偏心量為 Δx ，且 Δx 的值可調(diào)。該永磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱解石墨旋轉(zhuǎn)的機(jī)理為：內(nèi)外磁體間尺寸 R₁ 與R₂ 的不匹配，使具有旋轉(zhuǎn)對稱性分布的磁場發(fā)生偏移，熱解石墨在光照下受到非均衡變化的磁力，產(chǎn)生 z 軸方向的扭矩，驅(qū)動其發(fā)生旋轉(zhuǎn)。但受限于該結(jié)構(gòu)，熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動速率較低。

式中： f 為抗磁物質(zhì)在磁場中的力密度； V 為抗磁物質(zhì)的體積。其中， f 可以表示為[16]

f=χ_xB_x²+χ_yB_y²

懸浮熱解石墨的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由磁力矩導(dǎo)致，通過計算熱解石墨磁力矩的方向及大小可以判斷其轉(zhuǎn)動的方向及大小[18-19]

式中： τ 為扭矩； r 為抗磁物質(zhì)相對轉(zhuǎn)軸的位置矢量。抗磁懸浮系統(tǒng)中抗磁物質(zhì)的磁化方向始終與原磁場方向相反，因此式（5）中的第一項M×B 恒為0。此外，熱解石墨在 x-y 平面繞z 軸轉(zhuǎn)動，其扭矩沿 z 軸方向，進(jìn)一步化簡式（5）可以得到熱解石墨的軸向扭矩 τ_z 為

式中： 為單位抗磁物質(zhì)相對轉(zhuǎn)軸的距離；f_x 與 f_y 為單位抗磁物質(zhì)在 x，y 軸方向的力密度分量。

本文設(shè)計的永磁懸浮結(jié)構(gòu)，即圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。它由柱形磁鐵 M₃ 與環(huán)形磁鐵 M₄ 嵌套組成。采用圓形嵌套結(jié)構(gòu)不僅能將熱解石墨限制在中心穩(wěn)定位置，防止熱解石墨偏移出磁場范圍，而且磁體產(chǎn)生的環(huán)形磁場分布與圓形熱解石墨的形狀相匹配，熱解石墨在轉(zhuǎn)動時受到的磁阻低。其中 M₄ 的外半徑 r₃ 為 11mm 與原始結(jié)構(gòu)不同的是，圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)中環(huán)形磁鐵 M₄ 的內(nèi)半徑 r₂ 與柱形磁鐵 M₃ 半徑 r₁ 等大，都為 6mm 。內(nèi)外磁鐵的完美嵌套，增大了熱解石墨轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定性。此外，該結(jié)構(gòu)不再通過嵌套磁體間尺寸的不匹配來產(chǎn)生非均勻磁場，而是在柱形磁體中引入直徑為 d 的圓形通孔來產(chǎn)生磁場缺陷，使得熱解石墨周圍的磁場非均衡分布。環(huán)形磁鐵軸心與圓形通孔軸心的距離為 L 。相比原始永磁結(jié)構(gòu)在整個環(huán)形區(qū)域產(chǎn)生的非均勻磁場，圓孔產(chǎn)生的磁場缺陷更集中，磁場強(qiáng)度在局部區(qū)域的突變更大，在同等功率光照下熱解石墨產(chǎn)生的峰值轉(zhuǎn)速更高。為了準(zhǔn)確比較兩種結(jié)構(gòu)

2 理論模擬與實驗分析

2.1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1（a）為磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動裝置

的性能差異，模型間參數(shù)基本保持一致，磁鐵高度都為 10mm ，剩余磁通密度均為 1.4T ，且沿z 軸方向。

2.2磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動機(jī)理分析

針對本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，分析其在光照條件下驅(qū)動熱解石墨的原理及運(yùn)動規(guī)律。利用COMSOL軟件建立了如圖1（a）所示的抗磁懸浮系統(tǒng)等效模型，結(jié)合式（3）得到熱解石墨的懸浮高度為 0.8mm 。因此，分析了嵌套磁鐵正上方0.8mm 處 x-y 平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。圖2（a）～（c）所示分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度在不同方向的分布。 B_x 與 B_y 大小為 -0.4～0.4T ，且關(guān)于x 軸對稱分布。但在圓孔周圍，其大小及方向發(fā)生了突變。 B_z 大小為 -0.1～0.5T ，也關(guān)于 x 軸對稱分布，且在環(huán)形分布的磁場中產(chǎn)生了明顯的磁場缺陷。這說明磁場的分布情況與設(shè)計相符。

光對磁懸浮熱解石墨的作用是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動的重要條件之一。光照射下，熱解石墨吸收光子能量生成光生載流子。載流子通過非輻射復(fù)合引發(fā)晶格振動加劇，導(dǎo)致軌道磁矩的有序度降低，抗磁化率顯著下降。這一變化使得材料在磁場梯度中受到的排斥力減弱，最終引發(fā)其懸浮狀態(tài)的動態(tài)調(diào)整。利用COMSOL軟件的固體傳熱接口模擬了局部激光照射下熱解石墨表面的溫度分布。熱解石墨的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

此外，模擬采用了具有高斯分布的功率為100mW 的激光，激光波長為 808nm ，光斑直徑為 1.5mm 。激光作用于熱解石墨表面距離圓心5mm 的位置，熱解石墨的初始溫度為 20°C 。如圖3所示，激光照射區(qū)域的溫度最高，遠(yuǎn)離激光照射的區(qū)域，溫度逐漸降低。整個熱解石墨的溫度呈梯度分布，最大溫差約為 1.9^°C 。而熱解石墨的抗磁化率是溫度的函數(shù)，其在 x 與 y 軸方向的分量為 χ_x=χ_y=（0.25T-135）×10^-6 ，在 z 軸方向分量為 ，其中 T 為熱力學(xué)溫度[20]。因此，在激光作用下，熱解石墨的抗磁化率將以光照區(qū)域為中心，呈梯度分布，從而使熱解石墨的受力狀態(tài)發(fā)生改變。

令 θ 為 45^° ， R 為 5mm ，將上述激光加熱模型與抗磁懸浮模型耦合?？勾艖腋∧Ｐ椭袩峤馐目勾呕士赏ㄟ^激光加熱模型中的溫度分布情況求得。最終，得到磁懸浮熱解石墨在光照下的受力分布，結(jié)果如圖4（a）所示。圖中點(diǎn)P 所示區(qū)域為激光照射位置。可以觀察到，激光照射區(qū)域所受磁場磁力會減小，從而使得熱解石墨的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)發(fā)生改變。此外，當(dāng)激光功率為 100mW 時，通過式（6），可以求得熱解石墨在 z 軸方向的扭矩 τ_z 為 1.51nN?m 。由扭矩右手定則可知，熱解石墨將以逆時針方向轉(zhuǎn)動。據(jù)此，通過理論模擬得到熱解石墨在激光照射下的運(yùn)動狀態(tài)。

根據(jù)上述分析方法，討論了熱解石墨在激光驅(qū)動下的轉(zhuǎn)動規(guī)律。主要分析了熱解石墨的扭矩與光照射角 θ 的關(guān)系，并比較了兩種永磁結(jié)構(gòu)在不同 θ 下扭矩大小的變化，結(jié)果如圖4（b）所示。對于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，由于熱解石墨的轉(zhuǎn)速受偏心量 Δx 的影響，因此討論了 Δx 分別為0.5、1.0、1.5與 2.0mm 時的情況。結(jié)果表明，熱解石墨在 θ 為 90^° 或 270^° 時具有最大扭矩。此外，當(dāng) Δx 從 0.5mm 增大到 2.0mm 時，扭矩先增大后減小，當(dāng) Δx=1.5mm 時，熱解石墨具有最大扭矩 （0.73nN?m） ）。因此，增大 Δx 也是提高熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)速的方法之一。對于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，將 L 初步設(shè)置為 3mm ，分別討論了 d 為2.0、2.6與 3.2mm 時熱解石墨的扭矩變化。由圖4（b）可知，隨著 d 增大，扭矩也逐漸增大，當(dāng) d=3.2mm 時，熱解石墨的最大扭矩約為 1.51nN?m 。由分析結(jié)果可知，對于相同規(guī)格的熱解石墨，在相同光功率下，圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大扭矩約為不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)的2.07倍。

對于本文所提出的圓孔缺陷永磁體，其結(jié)構(gòu)參數(shù) d 與 L 對熱解石墨的光驅(qū)動效果影響較大，對此進(jìn)行討論，以得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖4（b）可知，在 θ=45^° 時，熱解石墨具有最大扭矩，因此將激光照射角度設(shè)置為 45^° ，激光功率為 100mW ， R 為 5mm 。圖5（a）為熱解石墨的扭矩隨 d 的變化曲線，當(dāng) L 為2.0、3.0和4.0mm 時，隨著 d 從0增大到 3.6mm ，扭矩呈增大趨勢，說明在一定條件下， d 越大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速越快。圖5（b）為熱解石墨的扭矩隨L 的變化曲線，當(dāng) d 為2.0、2.6和 3.2mm 時，隨著 L 由0增大到 4.0mm ，扭矩均表現(xiàn)為先增大后減小，當(dāng) L=3.2mm 時，扭矩增至最大。

2.3 實驗結(jié)果討論

分析討論了熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動機(jī)理，并通過數(shù)值計算初步比較了兩種永磁結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動效果，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù) L 的大?。?3.2mm ）。作為對比，實驗中選用了3種規(guī)格的 d （2.0、2.6和3.2mm ）。此外，理想情況下 r₁ 與 r₂ 應(yīng)等大，但由于制作誤差，實際磁體樣品中 r₁ 需略小于r₂ ，兩磁鐵才能相互嵌套。經(jīng)測量 r₁ 與 r₂ 的實際差值約為 30μm ，遠(yuǎn)小于 R₁ 與 R₂ 之間的差值（ 1.0mm^′ ，因此可以忽略制作誤差對結(jié)果的影響。圖6所示為懸浮于圓孔缺陷永磁體上方的熱解石墨在不同光照角度的激光驅(qū)動下的轉(zhuǎn)動方向。在一個周期內(nèi)，當(dāng) θ∈（0^°，100^°） 時，熱解石墨呈逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng) θ∈[100^° ， 260^°] 或為0^° 時，呈靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng) θ∈（260^° ， 360^° ）時，呈順時針轉(zhuǎn)動。該結(jié)果與圖4所示模擬結(jié)果一致。

測量了激光功率為 100mW ， R=5mm 時熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨 θ 的變化情況，結(jié)果如圖7所示，自定義逆時針轉(zhuǎn)動為正，順時針轉(zhuǎn)動為負(fù)。對于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，根據(jù)前文的分析可知，在一定范圍內(nèi)增大 Δx 可以有效增大熱解石墨的扭矩。但實際上，當(dāng) Δx 較大時，邊緣磁場會發(fā)生明顯偏移，熱解石墨將嚴(yán)重傾斜，水平轉(zhuǎn)動也因此受到阻礙。綜合考慮，將嵌套磁鐵的最大偏心量 Δx 設(shè)置為 1.0mm 。圖7（a）展示了 Δx 為 0.4， 0.7 與 1.0mm 時，熱解石墨的轉(zhuǎn)速變化曲線。當(dāng) θ 為 90^° 或 270^° 時，熱解石墨有最大轉(zhuǎn)速。此外，當(dāng) θ 相同時， Δx 越大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速越高，當(dāng) Δx=1.0mm 時，其最高轉(zhuǎn)速約為0.61r/s 。對于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果如圖7（b）所示，曲線變化規(guī)律與圖4（b）所示的模擬結(jié)果基本保持一致。在整個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速隨 d 的增大而增大，當(dāng) d 分別為2.0、2.6與 3.2mm 時，熱解石墨的最大轉(zhuǎn)速分別為1.45、1.70和 1.82r/s 。結(jié)果表明，在同等光功率下，基于本文提出的圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速有顯著提升，在 100mW 的激光功率驅(qū)動下，熱解石墨的峰值轉(zhuǎn)速提高了約2倍。

最后，討論了激光功率與熱解石墨最大光驅(qū)動轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并對比了兩種永磁結(jié)構(gòu)在不同功率下對熱解石墨的驅(qū)動效果，結(jié)果如圖8所示。激光功率為 20～200mW 時，對于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的最大轉(zhuǎn)速隨激光功率的增加而增大，但對于不同的 Δx ，熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨功率的變化率不同。在 Δx=1.0mm ，激光功率為 200mW 時，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速約為 1.70r/s 。對于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速也隨激光功率的增加而增大。在同一激光功率下，隨著 d 增大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速也隨之增大。在 d= 3.2mm ，激光功率為 200mW 時，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速約為 3.5r/s 。

在 20～200mW 功率范圍內(nèi)，相比原始永磁結(jié)構(gòu)，基于本文提出的永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速提高了 1～2 倍。且對于原始永磁結(jié)構(gòu)，當(dāng)Δx 較大時，熱解石墨在 x-y 平面內(nèi)傾斜嚴(yán)重，尤其在低功率時轉(zhuǎn)速顯著下降，轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性更差。基于本文中提出的永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨轉(zhuǎn)動所需的閾值功率更低，約為 20～30mW ，而對于原始永磁結(jié)構(gòu)，其所需轉(zhuǎn)動閾值功率為 30～ 50mW ?？傮w而言，本文提出的永磁結(jié)構(gòu)能有效增大磁懸浮熱解石墨的光能利用率，提升光驅(qū)轉(zhuǎn)動速度，并具有更好的穩(wěn)定性和更低的轉(zhuǎn)動閾值功率。

3結(jié)論

針對已有磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)存在的低光能轉(zhuǎn)化率、低轉(zhuǎn)速等問題，設(shè)計了一種作為磁懸浮基底的帶孔圓形嵌套永磁體。通過調(diào)控懸浮熱解石墨周圍磁場產(chǎn)生局部缺陷，提高了光驅(qū)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化率與熱解石墨的峰值轉(zhuǎn)速。首先，通過數(shù)值模擬得到懸浮熱解石墨在光照下的受力分布以及扭矩大小，據(jù)此分析熱解石墨懸浮于永磁體上方的光驅(qū)轉(zhuǎn)動規(guī)律，并對比了兩種不同磁體結(jié)構(gòu)對熱解石墨的驅(qū)動效果。接著，進(jìn)一步通過實驗進(jìn)行驗證，測量了熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨光照角度和激光功率的變化曲線。結(jié)果表明，對于本文所提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，隨著激光功率的增加，熱解石墨的轉(zhuǎn)動速率呈線性增大，在光功率為 200mW 時，獲得了 3.5r/s 的最高轉(zhuǎn)速。在 20～200mW 功率范圍內(nèi)，同等光功率下，基于本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速提高了 1～2 倍，且具有更好的穩(wěn)定性與更低的轉(zhuǎn)動閾值功率。此研究為新型無摩擦光驅(qū)動器械及光熱太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。

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