大型磁懸浮地球儀結(jié)構(gòu)設(shè)計及磁場分析

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1、第31卷第6期武漢理工大學(xué)學(xué)報·信息與管理工程版Vol.31No.62009年12月JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)Dce.2009文章編號:1007-144X(2009)06-0937-04文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A大型磁懸浮地球儀結(jié)構(gòu)設(shè)計及磁場分析周長華(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢430070)摘要:研究和設(shè)計了大型永磁電磁混合磁懸浮地球儀系統(tǒng)的較優(yōu)磁路結(jié)構(gòu),采用動力學(xué)分析與磁懸浮理論相結(jié)合的方法,建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,設(shè)計了3種結(jié)構(gòu),并進(jìn)行ANSYS有限元仿真分析和比較,對其中兩種結(jié)構(gòu)的磁懸浮地球儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示較優(yōu)

2、結(jié)構(gòu)的磁懸浮地球儀能穩(wěn)定懸浮,另一種結(jié)構(gòu)的地球儀則不能穩(wěn)定懸浮。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大型永磁電磁混合磁懸浮地球儀結(jié)構(gòu)理論設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞:磁懸浮地球儀;數(shù)學(xué)模型;結(jié)構(gòu)設(shè)計;磁場仿真中圖分類號:TH762;TP391.9DOI:10.3963/j.issn.1007-144X.2009.06.021經(jīng)過100多年的探索,磁懸浮技術(shù)已發(fā)展成為一種高新技術(shù),廣泛用于軍事、空間站、核工業(yè)、能源、化工和交通等領(lǐng)域,其具有代表性的應(yīng)用有磁懸浮列車、磁懸浮天平、磁力軸承、磁懸浮導(dǎo)軌和半[1-2]導(dǎo)體工業(yè)中的芯片傳送系統(tǒng)等。磁懸浮技術(shù)的磁懸體與支撐體之間無任何機(jī)械接觸,克服了機(jī)械摩擦所引起的能量消耗量大和速度

3、限制等問題,具有控制精度高、無接觸、無磨損、無噪聲、無污染、[3]壽命長、無速度限制和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。因此,磁懸浮技術(shù)仍然是當(dāng)今世界各國的研究熱點(diǎn)。為了展示磁懸浮技術(shù),同時使地球儀這一傳統(tǒng)的教學(xué)用品走出課堂,成為既實(shí)用又具觀賞價值的工藝品,圖1磁懸浮地球儀原理圖特別是作為公眾場所進(jìn)行科普教育的典雅裝飾品,芯、線圈、永磁體、霍爾傳感器和功放系統(tǒng)等部件筆者研制了大型磁懸浮地球儀。組成。電磁鐵線圈繞組通以一定的電流就會產(chǎn)生大型磁懸浮地球儀的不同結(jié)構(gòu),會影響磁路電磁力,控制電流的大小就可以改變電磁力大小,及磁場的分布和磁場強(qiáng)度的改變,若結(jié)構(gòu)不合理,使電磁力與永磁力的合力平衡地球儀的重力,以會導(dǎo)致電

4、磁控制難度相應(yīng)增大。筆者根據(jù)電磁理使地球儀保持平衡狀態(tài)而懸浮于空中。論,介紹了永磁電磁混合磁懸浮地球儀的工作原由于電磁鐵與永磁體之間磁場力的大小與它理,通過ANSYS仿真,并分析了不同結(jié)構(gòu)的大型們之間的距離成反比,為了避免地球儀因受到輕磁懸浮地球儀的磁路變化及磁場分布,設(shè)計出了微的外界擾動而失去平衡,掉下來或者被電磁鐵結(jié)構(gòu)較優(yōu)的大型磁懸浮地球儀,并進(jìn)行了實(shí)物實(shí)吸上去,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。為了實(shí)現(xiàn)地球儀驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。的穩(wěn)定懸浮,采用線圈繞組下方安放的霍爾傳感1工作原理器測量地球儀與電磁鐵之間的磁場強(qiáng)弱,以電壓的形式反饋到PID控制器,PID控制器將控制電如圖1所示,該磁懸浮地球儀由地球儀、

5、鐵壓輸送到功放電路,功放電路改變輸出控制電流收稿日期:2009-06-02.作者簡介:周長華(1983-),男,湖北武漢人,武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50675163).938武漢理工大學(xué)學(xué)報·信息與管理工程版2009年12月的大小,從而改變電磁力的大小以保持地球儀的以準(zhǔn)確估算,誤差較大,這就限制了其實(shí)用價值。動態(tài)平衡和穩(wěn)定懸浮。磁場力的精確計算需應(yīng)用數(shù)值分析方法,如有限元法、有限差分法等,其中發(fā)展較成熟的是有限元2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型法。筆者將進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計并采用ANSYS進(jìn)行有2.1磁懸浮地球儀簡化模型限元分析。磁懸浮地球儀簡化模型如圖2所示,在豎

6、直3結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真方向處于平衡狀態(tài)時,地球儀受到混合磁場力和重力的作用。由于受力點(diǎn)集中在永磁體上面,因3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計此圖示用永磁體代替地球儀。地球儀在豎直方向大型磁懸浮地球儀的結(jié)構(gòu)不同,磁路及磁場的動力學(xué)方程可以描述如下:分布則大相徑庭,產(chǎn)生磁場力大小也不同。隨著2dx(t)磁場力增大,電磁控制難度相應(yīng)增大,能耗和成本m2=mg-F(i,x)(1)dt也將增大。在磁懸浮系統(tǒng)中,存在磁耦合、漏磁和其中,磁場力F與電流i和位移x有關(guān),當(dāng)?shù)厍虼棚柡同F(xiàn)象,結(jié)構(gòu)的不同也會導(dǎo)致這些現(xiàn)象變化,儀處于平衡狀態(tài)時,偏置電流為i0,氣隙為x0,得:是磁場強(qiáng)弱的重要影響因素。為了探究其對大型mg=F(i0,x

7、0)(2)磁懸浮地球儀磁場的影響,筆者設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的磁懸浮地球儀,如圖3所示。這3種結(jié)構(gòu)電磁永磁磁性相同,結(jié)構(gòu)尺寸相同,永磁特性、線圈屬性及控制電流都相同。其中,圖3(a)結(jié)構(gòu)包括永磁體(地球儀)、鐵芯、線圈等,圖3(b)結(jié)構(gòu)在圖3(a)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了金屬罩,圖3(c)結(jié)構(gòu)在圖3(b)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將鐵芯中間打通孔。圖2磁懸浮地球儀簡化模型對于空氣隙懸浮,忽略永磁體的內(nèi)阻隙、漏磁等情況,只考慮均勻氣隙,因此永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)