永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性研究

韋 偉，金嘉琦，孫 鳳，佟 玲

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

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永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性研究

韋 偉，金嘉琦，孫 鳳，佟 玲

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

針對(duì)一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性進(jìn)行分析。介紹了永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和鐵球的回轉(zhuǎn)原理，并在此基礎(chǔ)上用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證回轉(zhuǎn)的盤狀永磁鐵的磁場(chǎng)特性和鐵球表面的磁化特性。將盤狀永磁鐵布置成三種不同的方式，通過(guò)對(duì)比分析鐵球的回轉(zhuǎn)速度來(lái)驗(yàn)證影響其回轉(zhuǎn)特性的因素，以得到永磁鐵的相對(duì)最優(yōu)布置方式。上述研究及結(jié)果為永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供理論基礎(chǔ)及參考。

永磁懸??；回轉(zhuǎn)特性；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；仿真

0 引言

隨著新型永磁材料的發(fā)展，單位體積的磁能大幅度提高[1]，并由于其無(wú)噪聲、低能耗的優(yōu)越性能，在電機(jī)、電訊、電聲器材、磁力儀器、醫(yī)療器械、自動(dòng)化設(shè)備和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。

磁懸浮技術(shù)作為一種迅速發(fā)展的技術(shù)，具有長(zhǎng)壽命、無(wú)污染、無(wú)噪聲、低能耗、不受任何速度限制、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]，不僅應(yīng)用于磁懸浮列車[4]，而且在磁懸浮軸承、磁懸浮飛輪儲(chǔ)能、磁懸浮精密平臺(tái)、磁懸浮冶煉等方面也被廣泛應(yīng)用[5-8]。隨著永磁材料應(yīng)用于磁懸浮技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)永磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。張鋼等人[9]對(duì)一種六磁環(huán)五自由度被動(dòng)全永磁軸承系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，并探究了被動(dòng)全永磁軸承系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定懸浮的可能性。張海龍等人[10]提出了2種永磁懸浮直線導(dǎo)軌平臺(tái)的方案，并利用Ansoft Maxwell磁場(chǎng)有限元分析軟件進(jìn)行了平臺(tái)承載能力和剛度的計(jì)算分析。金俊杰等人[11]采用兩對(duì)雙列對(duì)稱布置的非接觸主動(dòng)永磁懸浮支承,構(gòu)建了四點(diǎn)支承的永磁懸浮傳送裝置，應(yīng)用LQR控制方法仿真分析未解耦系統(tǒng)的懸浮特性，并采用反饋解耦控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制仿真。王偉明等人[12]提出一種磁懸浮平臺(tái)，該平臺(tái)下附著4個(gè)永磁陣列和定子線圈，構(gòu)成四個(gè)磁懸浮電機(jī)，磁懸浮電機(jī)同時(shí)提供垂直懸浮力和水平驅(qū)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)x、y方向運(yùn)動(dòng)與改變懸浮高度。

在永磁懸浮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)懸浮物的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。劉蕾等人[13]提出了一種軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)在驅(qū)動(dòng)繞組中通入三相交變電流產(chǎn)生周向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與其在磁懸浮球中感應(yīng)出的渦流相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；劉洋等人[14]在分析磁懸浮球控制原理的基礎(chǔ)上，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)重為1kg的小球穩(wěn)定懸浮,而且使其以可變速度繞軸線旋轉(zhuǎn)；水野毅等人[15]提出一種用于測(cè)量懸浮物位置的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由八個(gè)上下差動(dòng)控制的電磁鐵組成，懸浮物的旋轉(zhuǎn)在控制信號(hào)中疊加兩相AC信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)懸浮物的穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)。

作者已提出一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，分別用直線運(yùn)動(dòng)式[16]和磁鐵回轉(zhuǎn)式[17]測(cè)量回轉(zhuǎn)永磁體的磁化特性，驗(yàn)證懸浮物的回轉(zhuǎn)特性。本文提出了一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并闡述其回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)和原理，利用高斯計(jì)對(duì)鐵球和永磁鐵的磁場(chǎng)特性進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)分別對(duì)三種驅(qū)動(dòng)磁鐵的布置方式進(jìn)行回轉(zhuǎn)速度的研究分析，從而得到控制系統(tǒng)回轉(zhuǎn)特性較優(yōu)的布置方式。

1 永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制方法

永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：懸浮部分和回轉(zhuǎn)部分。懸浮部分由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱形永磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵球的上下懸浮，回轉(zhuǎn)部分是通過(guò)四個(gè)直流伺服電機(jī)來(lái)控制四個(gè)盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)鐵球的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 永磁懸浮回轉(zhuǎn)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。柱形永磁鐵位于音圈電機(jī)輸出軸上，音圈電機(jī)工作帶動(dòng)永磁鐵上下移動(dòng)，滑塊與傳感目標(biāo)也隨之移動(dòng)。上側(cè)的電渦流傳感器測(cè)量音圈電機(jī)輸出軸的位移，即柱形永磁鐵的位移，下側(cè)的電渦流傳感器測(cè)量鐵球的旋轉(zhuǎn)角度。永磁鐵的位移信號(hào)和鐵球的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，由dsPACE控制器和PD控制方法來(lái)控制系統(tǒng)，以確保鐵球的穩(wěn)定懸浮。

圖2 懸浮部分的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 回轉(zhuǎn)部分

回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。盤狀永磁鐵固定在直流伺服電機(jī)的輸出軸上，電機(jī)安裝在系統(tǒng)的框架上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁鐵實(shí)現(xiàn)永磁鐵在豎直方向上和水平方向上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度由電機(jī)編碼器記錄，通過(guò)編碼器接口將信號(hào)反饋到DSPACE控制器，用PD控制方法來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)四個(gè)永磁鐵與鐵球在同一水平面上，并以相同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 PD控制器

PD控制器的控制框圖由圖4所示。將永磁體Ⅰ(永磁體的編號(hào)見(jiàn)圖5)的旋轉(zhuǎn)角度作為永磁鐵Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的參考角度，經(jīng)PD控制器計(jì)算后，控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，永磁鐵Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的旋轉(zhuǎn)角度是由永磁鐵Ⅰ的旋轉(zhuǎn)角度與其PD控制器所計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)角度之和，并與實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度作差所得到的最終值來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度控制。

圖4 PD控制器的控制框圖

2 回轉(zhuǎn)原理

系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)原理如圖5所示，該圖為系統(tǒng)的俯視圖。鐵球與四個(gè)永磁鐵位于同一水平面上，且置于四個(gè)永磁鐵的中心。每個(gè)永磁鐵在徑向方向上磁化，磁極平行布置，且同極相對(duì)。四個(gè)永磁鐵旋轉(zhuǎn)方向一致，并保持同一個(gè)相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)四個(gè)永磁體以相同的速度旋轉(zhuǎn)或停止。

圖5 系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)原理圖

鐵球表面上磁點(diǎn)S的位置決定鐵球的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)四個(gè)盤狀永磁鐵同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵球繞其縱軸旋轉(zhuǎn)，永磁鐵Ⅰ吸引S點(diǎn)，S點(diǎn)向永磁鐵Ⅰ方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)S點(diǎn)距離永磁鐵Ⅰ最近時(shí)鐵球停止旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，S點(diǎn)正對(duì)于磁鐵Ⅰ，鐵球旋轉(zhuǎn)90°，四個(gè)永磁鐵同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)四個(gè)永磁鐵繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁鐵Ⅱ吸引磁點(diǎn)S，S點(diǎn)朝向永磁體Ⅱ方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此表明，四個(gè)盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)的變化使得鐵球以反方向、同速度進(jìn)行自轉(zhuǎn)。

3 回轉(zhuǎn)特性分析

3.1 永磁鐵的回轉(zhuǎn)特性

為了驗(yàn)證盤狀永磁鐵的回轉(zhuǎn)特性，使用高斯計(jì)測(cè)量盤狀永磁鐵的磁通密度。當(dāng)永磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別記錄鐵球與高斯計(jì)的距離為20mm、30mm、50mm、70mm和100mm時(shí)的磁通密度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，盤狀永磁鐵的磁通密度曲線類似于正弦曲線。由此表明，鐵球表面磁通密度的影響呈周期性變化，永磁鐵與鐵球距離越近，所產(chǎn)生的磁通密度越大，磁力越大。

圖6 盤狀永磁鐵的磁通密度特性

3.2 鐵球的磁通密度分析

測(cè)量鐵球表面剩磁大小的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，本實(shí)驗(yàn)使用高斯計(jì)置于鐵球的任意一側(cè)，來(lái)測(cè)量鐵球的磁通密度。首先，鐵球靜止時(shí)，鐵球與高斯計(jì)距離最近的點(diǎn)，即為鐵球表面的最大磁化點(diǎn)；其次，鐵球固定于鋁管的頂端，測(cè)得最大磁化點(diǎn)的位置位于鐵球的頂部；最后，標(biāo)記鐵球的經(jīng)度線，每隔5°測(cè)量一次鐵球的磁通密度，并標(biāo)記于經(jīng)度線上。

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

鐵球表面的磁通密度如圖8所示，外圓的磁通密度為1mt，內(nèi)圓的磁通密度為-1mt，中心點(diǎn)的磁通密度為-1.5mt，緯線度數(shù)由外圓至中心依次為60°、30°、0°、-30°和-60°，磁通密度由外圓至中心依次遞減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同位置的磁通密度是不同的，最大的磁通密度點(diǎn)為0°緯線與195°經(jīng)線的交點(diǎn)，其值為-1.16mt。

圖8 鐵球表面的磁通密度分布圖

4 基于MATLAB的仿真結(jié)果

將四個(gè)盤狀永磁鐵分為三種配置方式：①只使用永磁鐵Ⅰ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵；②使用永磁鐵Ⅰ、Ⅲ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵；③使用四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵。利用MATLAB的仿真軟件，對(duì)永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行鐵球速度的階躍響應(yīng)、鐵球回轉(zhuǎn)的穩(wěn)態(tài)速度以及驅(qū)動(dòng)磁鐵的輸入速度和鐵球輸出速度的關(guān)系進(jìn)行分析。鐵球的轉(zhuǎn)速?zèng)]有反饋到控制系統(tǒng)中，即旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

4.1 系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)分析

在上述模型中，對(duì)三種驅(qū)動(dòng)永磁體配置方式進(jìn)行了速度的階躍響應(yīng)分析。

永磁鐵的階躍信號(hào)和鐵球的階躍響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。僅使用磁鐵Ⅰ時(shí)，當(dāng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，鐵球向磁鐵旋轉(zhuǎn)的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并引起振動(dòng)；使用磁體Ⅰ和Ⅲ鐵球時(shí)，鐵球的速度響應(yīng)快，同時(shí)也存在振動(dòng)，鐵球的速度可以反映出磁鐵的速度；使用所有的磁鐵時(shí)，鐵球的速度呈周期性變化，存在振動(dòng)，且振幅和周期遠(yuǎn)小于前者。因此，磁鐵的數(shù)量越多，鐵球的反應(yīng)速度越快，且振動(dòng)相對(duì)變小，呈周期性變化。

(a)永磁鐵的階躍輸入

(b)永磁鐵Ⅰ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(c)永磁鐵Ⅰ和Ⅲ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(d)四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

4.2 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速度分析

由于鐵球在懸浮時(shí)存在振動(dòng)，所以，對(duì)三種驅(qū)動(dòng)永磁體配置方式進(jìn)行了速度的穩(wěn)態(tài)分析。

盤狀永磁體Ⅰ的速度約為0.5 r/s時(shí)，模擬鐵球在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度，如圖10所示。明顯看出，鐵球的速度均為0.5 r/s，但是前兩種配置方式的鐵球速度波動(dòng)較大。因此，四個(gè)永磁鐵驅(qū)動(dòng)鐵球旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比另外兩種情況更穩(wěn)定。

(a)永磁鐵Ⅰ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(b)永磁鐵Ⅰ和Ⅲ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(c)四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

4.3 輸入速度與輸出速度的關(guān)系

為了檢驗(yàn)永磁鐵的輸入速度和鐵球的輸出速度之間的關(guān)系，對(duì)永磁體的速度施加斜坡信號(hào)，如圖11所示。

只使用永磁鐵1作為驅(qū)動(dòng)磁鐵時(shí)，鐵球的速度與磁體的速度呈上升趨勢(shì)，但曲線存在波動(dòng)；使用永磁鐵I和III作為驅(qū)動(dòng)磁鐵時(shí)，曲線趨勢(shì)與前者類似，但曲線的波動(dòng)很大，速度變化快；使用四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵時(shí)，梯度約為1，鐵球的速度和磁鐵的速度相差不大，且曲線波動(dòng)較小。因此，驅(qū)動(dòng)磁鐵數(shù)量越多，輸入速度和輸出速度之間的速度波動(dòng)越小，懸浮越穩(wěn)定。

(a)永磁鐵Ⅰ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(b)永磁鐵Ⅰ和Ⅲ作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

(c)四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵

5 結(jié)論

本文對(duì)永磁懸浮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性進(jìn)行研究：

(1)介紹本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及鐵球的回轉(zhuǎn)原理，通過(guò)對(duì)柱形永磁鐵的高度控制和四個(gè)盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)控制，可對(duì)懸浮球的懸浮以及旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制；

(2)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證永磁鐵和鐵球的回轉(zhuǎn)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：永磁鐵磁通密度的影響呈周期性變化，永磁鐵與鐵球距離越近，產(chǎn)生的磁力越大；鐵球表面不同位置的磁通密度是不同的，最大的磁通密度點(diǎn)為0°緯線與195°經(jīng)線的交點(diǎn)，其值為-1.16mt。

(3)對(duì)三種永磁鐵驅(qū)動(dòng)的配置方式進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)磁鐵的數(shù)量增多，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)，鐵球的旋轉(zhuǎn)越穩(wěn)定，并且磁鐵的輸入速度和鐵球的輸出速度之間的線性度相對(duì)提高。使用四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵時(shí)，系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性最優(yōu)。

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(編輯 李秀敏)

Study on Rotational Characteristic of Permanent Magnetic Suspension and Rotation System

WEI Wei， JIN Jia-qi， SUN Feng， TONG Ling

(School of Mechanical Engineering ,Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

Rotary characteristic research and analysis of permanent magnetic suspension and rotation system is carried out.The structure of permanent magnetic suspension and rotation system and spinning principle of iron ball is introduced, and based on this,magnetic field characteristic of the rotational disk magnet and magnetization characteristic on the surface of iron ball are verified by experiments.Disk magnets are arranged in three different ways,through the comparison and analysis of the rotation speed of the ball,the influencing factors of the rotary characteristic is validated to get the optimal way from permanent magnets arrangements.The research and result can provide the theoretical basis and reference for the further experiment of permanent magnetic suspension and rotation system．

permanent magnetic suspension；rotational characteristic；rotation drive；simulation

1001-2265(2017)06-0066-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.017

2016-10-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51105257, 51310105025)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃 (LQJ2014012)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M571327)

韋偉(1989—)，女，遼寧錦州人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)以及半主動(dòng)饋能懸架，(E-mail) weiwei19890809@163.com；金嘉琦(1955—)，男，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫軠y(cè)量理論與技術(shù)研究，(E-mail)jjq612@126.com。

TH16；TG65

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