永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的磁場(chǎng)分析

陳 濤,趙智宇,李 東，徐方超，孫 鳳,韋 偉

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；3.中國(guó)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(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和現(xiàn)代家電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(yīng)用，虛擬磁場(chǎng)技術(shù)不僅提高了磁懸浮系統(tǒng)磁場(chǎng)的仿真精度，對(duì)磁場(chǎng)特性的研究也提出了更高的要求。為了使磁懸浮技術(shù)達(dá)到穩(wěn)定、精確的工作狀態(tài)，通過(guò)運(yùn)用可靠、準(zhǔn)確和實(shí)用的仿真計(jì)算分析，可以節(jié)省大量的時(shí)間和成本。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)整個(gè)磁場(chǎng)的仿真分析方法已經(jīng)成功運(yùn)用于磁懸浮系統(tǒng)、磁飽和表面效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及磁懸浮列車等[7-11]。

本文針對(duì)一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行磁場(chǎng)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(dòng)原理，建立系統(tǒng)二維仿真模型，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析永磁體的回轉(zhuǎn)磁場(chǎng)特性以及鐵球的表面磁通密度分析，得出仿真結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行分析。

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

永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由懸浮部分和非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(jī)和兩個(gè)電渦流傳感器。柱形永磁鐵安裝在音圈電機(jī)的輸出軸上，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱形永磁鐵在豎直方向上移動(dòng)，永磁鐵的位移由音圈電機(jī)上方的電渦流傳感器測(cè)量，鐵球的懸浮位移由鐵球下方的電渦流傳感器測(cè)量。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)換器轉(zhuǎn)換后，輸入給PC機(jī)，通過(guò)dSPACE控制器和PD控制方法來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)功率放大器控制音圈電機(jī)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(dòng)部分

非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分包括四個(gè)同規(guī)格的徑向磁化盤狀永久磁鐵和四個(gè)直流伺服電機(jī)以及編碼器。每個(gè)盤狀永磁鐵安裝在直流伺服電機(jī)的輸出軸上，與懸浮球的水平距離相同，以控制每個(gè)盤狀永磁鐵的回轉(zhuǎn)。四個(gè)永磁鐵的回轉(zhuǎn)可驅(qū)動(dòng)鐵球的回轉(zhuǎn)，鐵球的回轉(zhuǎn)角度由激光傳感器測(cè)量。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，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器以及用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)驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖

2 非接觸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)原理

永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)原理圖如圖4所示，鐵球位于四個(gè)盤狀永磁鐵的中心。在垂直方向上，由于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱形永磁鐵吸引鐵球，使鐵球在垂直方向上移動(dòng)；在水平方向上，四個(gè)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(gè)徑向磁化的永磁鐵，其磁極平行布置，且同級(jí)相對(duì)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，四個(gè)盤狀永磁鐵均以同一速度向同一方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

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)(如圖4箭頭方向所示)，鐵球繞其縱軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，永磁鐵Ⅰ吸引磁點(diǎn)S，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)，磁點(diǎn)S正對(duì)于磁鐵Ⅰ，鐵球旋轉(zhuǎn)90°，四個(gè)永磁鐵也旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)永磁鐵繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁鐵Ⅳ吸引磁點(diǎn)S，S點(diǎn)朝向永磁體Ⅳ方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此表明，四個(gè)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(jìn)行自轉(zhuǎn)。

圖4 旋轉(zhuǎn)原理圖

3 回轉(zhuǎn)磁場(chǎng)特性分析

為了探究永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水平面內(nèi)的磁場(chǎng)，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(chǎng)分布形狀是圓形，且磁場(chǎng)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(dòng)系統(tǒng)的二維模型

假設(shè)永磁體的旋轉(zhuǎn)角度為φ，當(dāng)情況如圖5所示時(shí)，φ等于0°。在永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立具有四個(gè)永磁體驅(qū)動(dòng)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(gè)圓表示所在磁場(chǎng)，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(qiáng)弱。

圖6 四個(gè)永磁鐵作為驅(qū)動(dòng)磁鐵時(shí)的磁場(chǎng)分析結(jié)果

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，該系統(tǒng)由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)盤狀永磁鐵以控制懸浮物的上下移動(dòng)、由四個(gè)直流伺服電機(jī)控制四個(gè)盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮物的回轉(zhuǎn)。為了探究永磁懸浮回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水平面內(nèi)的磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)仿真分析研究四個(gè)永磁鐵與鐵球之間的磁場(chǎng)關(guān)系。研究結(jié)果表明：使用四個(gè)永磁鐵作為鐵球的驅(qū)動(dòng)磁體時(shí)，鐵球在四個(gè)永磁鐵的變化磁場(chǎng)中心，永磁鐵旋轉(zhuǎn)引起附近磁場(chǎng)的變化，鐵球受到磁場(chǎng)變化的影響，會(huì)以自轉(zhuǎn)的形式逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)永磁鐵勻速轉(zhuǎn)動(dòng)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。

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