MATLAB模擬磁懸浮系統(tǒng)的磁場分布

陳鋼 傅吉波

摘要：為了了解單個(gè)磁體磁場分布的情況，進(jìn)而探究磁懸浮系統(tǒng)的磁場分布，利用MATLAB的電磁場模擬功能（即運(yùn)用PDE工具箱），對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的磁場分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，給出磁懸浮系統(tǒng)磁場分布圖，為更好地實(shí)現(xiàn)磁懸浮提供參考。通過對(duì)于本課題的研究，可以幫助大家更深層次地認(rèn)識(shí)磁體的磁場分布、磁懸浮穩(wěn)定條件等許多課外的知識(shí)，并對(duì)于課內(nèi)學(xué)的知識(shí)有更好地認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能夠提高大家用MATLAB解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：磁懸浮模擬；MATLAB；PDE工具箱

1.引言

上千年來，人類一直夢想著有一天能夠擺脫地球的引力束縛而飛向藍(lán)天，人類為之也進(jìn)行了如熱氣球、飛機(jī)等各種嘗試[1]。20世紀(jì)以后，人類的目光開始轉(zhuǎn)向了磁懸浮這個(gè)領(lǐng)域。磁懸浮技術(shù)最早出現(xiàn)在1922年，德國人赫爾曼·肯佩爾第一次提出了有關(guān)磁懸浮技術(shù)的概念并申請了相關(guān)的技術(shù)專利，而這就為今后磁懸浮技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)[2]。

磁懸浮技術(shù)是一門多門學(xué)科交叉，且具有巨大發(fā)展前景的學(xué)科[3]。磁懸浮技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)概念的提出以來，許許多多的大學(xué)、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)花了大量的資金與精力來進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)與商業(yè)上的應(yīng)用。隨著當(dāng)今電磁理論、電子技術(shù)學(xué)、控制工程學(xué)及新型材料學(xué)等學(xué)科的飛速進(jìn)步，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展[4]。

2.磁懸浮原理

磁懸浮是指利用磁體“同性相斥，異性相吸”的原理，使物體在沒有支撐的情形下能夠?qū)崿F(xiàn)空中懸浮的現(xiàn)象。雖然這個(gè)原理看似簡單，但實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易，因?yàn)楦鶕?jù)恩肖定理，穩(wěn)定的磁懸浮在靜止的磁系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的[5]。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，許多磁懸浮系統(tǒng)不單單是兩個(gè)靜止的磁體，有些磁懸浮系統(tǒng)加入了必要的穩(wěn)定系統(tǒng)才能保持穩(wěn)定，而這就需要有一個(gè)十分精確的控制系統(tǒng)；有些小的磁懸浮系統(tǒng)為了達(dá)到穩(wěn)定，就會(huì)使浮子不斷地旋轉(zhuǎn)，這就是我們常見的旋轉(zhuǎn)式磁懸浮系統(tǒng)。根據(jù)磁懸浮系統(tǒng)浮子的位置的不同，可以分為上拉式和下推式磁懸浮[6]。上拉式磁懸浮的原理是在浮子的上方放置與浮子磁性相反的磁體使浮子受到向上的吸引力并與其受到的向下的重力相抵消，從而達(dá)到豎直方向上受力的平衡。而下推式磁懸浮則是在浮子的下方放置與浮子磁性相同的磁體使之受到一個(gè)向上的斥力并與重力相抵消，達(dá)到豎直方向的受力平衡。上拉式與下推式磁懸浮都需要一個(gè)反饋電路來實(shí)時(shí)檢測磁懸浮系統(tǒng)的變化，當(dāng)浮子偏離平衡位置時(shí)，電路中的霍爾元件會(huì)檢測出這個(gè)變化并把這個(gè)信號(hào)反饋，使電路中電流發(fā)生改變，進(jìn)而改變磁場分布，使浮子回到原來的平衡位置。

除了上述兩種常見的磁懸浮模式，還有一種不需要控制系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定的磁懸浮系統(tǒng)，那就是抗磁式磁懸浮?？勾刨|(zhì)是磁介質(zhì)的一種，它的磁化率是一個(gè)負(fù)值。這種物質(zhì)會(huì)在外磁場下，在內(nèi)部激發(fā)出一個(gè)與外磁場方向相反的磁場，從而使總磁場減弱。在實(shí)驗(yàn)室做抗磁性磁懸浮的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們先將一些永磁鐵按照相鄰磁體磁性相反的方式排列，然后將石墨芯（磁化率為-1.6×10-5）放置在永磁體陣列上方的合適位置，石墨被磁化時(shí)產(chǎn)生的磁化磁場與永磁鐵陣列產(chǎn)生的磁場方向相反，使豎直向上的斥力與重力達(dá)到平衡，水平方向上則因?yàn)榇艌龇植嫉膶?duì)稱性而達(dá)到平衡[6]。

此次，用MATLAB進(jìn)行模擬的主要理論原理是閉合環(huán)路的電流可以產(chǎn)生磁場（即安培環(huán)路積分定理）。我們所模擬的圓環(huán)磁鐵與圓盤磁鐵都可看作為磁鐵內(nèi)部的分子電流沿同一方向流動(dòng)，從而產(chǎn)生了磁場，磁場的方向可以運(yùn)用右手定則得到。我們主要用到的是MATLAB里面的用于解偏微分方程的PDE工具箱。

3.建模過程

為了方便起見，我們以通電直導(dǎo)線的磁場模擬為例，介紹PDE工具箱的使用步驟。

步驟一：打開MATLAB，在命令框中輸入“pdetool”，回車，這樣就打開了求解偏微分方程的工具箱；

步驟二：確定模擬的內(nèi)容。可以在“Options”菜單的“Application”下做出選擇，這里我們選“Magnetostatics”（磁場）；

步驟三：確定邊界范圍。點(diǎn)擊“Draw”菜單欄的子菜單“Ellipse/circle”，做出一個(gè)圓形E1，雙擊E1，彈出一個(gè)框，并對(duì)E1的大小、位置進(jìn)行調(diào)整：“X-center”：0、“Y-center”：0、“A-semiaxes”：2.5、“B-semiaxes”：2.5；

步驟四：建立幾何模型。點(diǎn)擊“Draw”菜單欄的子菜單“Ellipse/circle”，在邊界范圍內(nèi)做一個(gè)圓形E2，并按上面的方法輸入E2的參數(shù)： “X-center”：0、“Y-center”：0、“A-semiaxes”：0.1、“B-semiaxes”：0.1；

步驟五：確定邊界條件。點(diǎn)擊“Boundary”菜單欄下的“Boundary Mond”來定義邊界條件，點(diǎn)選E1的四條邊界，雙擊彈出的命令框中選擇“Dirichlet”（第一類邊界條件）；

步驟六：定義PDE系數(shù)。點(diǎn)擊“PDE”菜單，然后分別選中E1、E2，雙擊彈出一個(gè)框，輸入PDE系數(shù)。在這里我們分別定義：E1（mu=1；J=0）；E2（mu=1；J=800）。PDE系數(shù)J指的是環(huán)路電流密度；而mu指的是磁導(dǎo)率；

步驟七：三角形網(wǎng)格劃分。點(diǎn)擊“Mesh”內(nèi)的“Initialize Mesh”，再點(diǎn)擊“RefineMesh”進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格；

步驟八：解的圖形表達(dá)。點(diǎn)擊“Plot”菜單內(nèi)的“Parameters”設(shè)置顯示效果。在彈出來的框中，勾選出“Color”、“Arrows”和“Plotin x-y grid”。性質(zhì)“Property”項(xiàng)都選擇“Magnetic flux density”，“Plot style”項(xiàng)分別選“interpolated shad”、“normalized”、“continuous”，“Colormap”項(xiàng)選擇“jet”，設(shè)置完后點(diǎn)擊確定，便可以得到相應(yīng)的磁場分布圖像；

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依照上述的步驟，我們首先對(duì)于單個(gè)磁體（圓盤磁鐵與圓環(huán)磁鐵）進(jìn)行磁場分布模擬，然后以這兩種磁體為基礎(chǔ)，分別對(duì)下推式磁懸浮的磁場分布進(jìn)行了MATLAB的磁場分布模擬。

首先，分別對(duì)一塊直徑為180mm、厚度為50mm的圓盤形磁鐵和一塊外徑320mm、內(nèi)徑為120mm、厚度為30mm的圓環(huán)形磁鐵進(jìn)行二維磁場分布的模擬。

然后，我們將對(duì)下推式磁懸浮進(jìn)行磁場模擬，系統(tǒng)的基底是圓環(huán)磁鐵（外徑為320mm、內(nèi)徑為120mm、厚度為30mm）、浮子是圓盤磁鐵（直徑160mm、厚度為20mm）。懸浮高度分別為20mm。

5.小結(jié)

從以上的磁懸浮模擬圖中可以看出，磁場的零點(diǎn)位于浮子中，所以在理論上是能達(dá)到懸浮的，雖然由于模擬軟件的限制，在我們的實(shí)驗(yàn)中忽略了重力與懸浮力之間的平衡關(guān)系。但是，我們依舊在實(shí)驗(yàn)中模擬出來了磁懸浮狀態(tài)下系統(tǒng)的磁場分布并通過不斷地嘗試獲得了比較理想的懸浮高度。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zheng J， Li J， Sun R， et al. A magnetic levitation rotating plate model based on high-Tc superconducting technology[J]. Cryogenics， 2017， 86： 1-6.

[2]隋成華，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 上海：上海科學(xué)普及出版社，2012.

[3]紀(jì)源，磁懸浮技術(shù)原理及其應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界，2017年08期：1672-7274.

[4]李海洋，陳水橋，陳紅雨等. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) I[M]. 北京：高等教育出版社，2014.

[5]Cansiz A， Oral E A， Gundogdu O. Optimization of the force modeling between high temperature superconductor and permanent magnet[J]. Physics Procedia， 2012， 36： 1025-1030.

[6]陳鋼，韓英，沈凱，抗磁性物質(zhì)磁懸浮的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].教育現(xiàn)代化，2016年32期：187-188，195.