起重永磁鐵,永磁吸盤

磁懸浮列車，您了解嗎？

1緒論

1.       1課題的提出

磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)于一體的技術(shù)。因其具有無(wú)摩擦、無(wú)接觸，無(wú)噪聲、無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，而被譽(yù)為支撐史上的革命。利用磁力使物體無(wú)接觸懸浮于空間的設(shè)想，由來(lái)已久。早在1842年英國(guó)物理學(xué)家恩休(Eeanshow)首先提出了磁懸浮的概念，并且從數(shù)學(xué)上證明了:在受力與距離的平方成反比的關(guān)系的恒力場(chǎng)中，單靠起重永磁鐵本身是不能使一個(gè)鐵磁體在空間所有6個(gè)自由度上都保持在自由、穩(wěn)定的懸浮位置上的。到了1939年，Braunbek對(duì)Earnshow的理論進(jìn)行了進(jìn)一步的物理剖析，得出唯有抗磁材料或超導(dǎo)材料才能依靠選擇恰當(dāng)?shù)拇盆F結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的磁場(chǎng)分布而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮。這是一非常重要的結(jié)論，并構(gòu)成今后開展磁懸浮軸承和磁懸浮列車研究的主導(dǎo)思想。

一百多年前，人類提出的利用磁場(chǎng)力來(lái)對(duì)物體進(jìn)行無(wú)接觸支承的想法，因受當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)水平和技術(shù)條件的限制，一直沒有很大的進(jìn)展。20世紀(jì)初，懸浮理論的莫基者們先在實(shí)驗(yàn)室中造成了物體在空間自由懸浮這一人類歷史上長(zhǎng)期視為神秘的現(xiàn)象。然而真正實(shí)現(xiàn)電磁懸浮，并把這一技術(shù)加以應(yīng)用是近幾十年的事。單純使用起重永磁鐵或超導(dǎo)體產(chǎn)生的懸浮稱為“被動(dòng)磁懸浮”(或“無(wú)源磁懸浮”)，而使用電動(dòng)或電磁方式產(chǎn)生的懸浮則為“主動(dòng)磁懸浮”(或“有源磁懸浮”)。早期的懸浮支撐研究側(cè)重于“被動(dòng)磁懸浮”(Passive Magnetic Suspension)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁懸浮技術(shù)的研究開始轉(zhuǎn)入“主動(dòng)磁懸浮”(Active MagneticSuspension)階段。特別是進(jìn)入80年代，超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)首先應(yīng)用于磁懸浮方面。超導(dǎo)技術(shù)與磁懸浮技術(shù)的結(jié)合，新材料，新工藝，新器件的出現(xiàn)以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使電磁懸浮技術(shù)趨于成熟，由理論研究階段進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的新階段—磁懸浮支撐技術(shù)和磁懸浮列車技術(shù)兩大實(shí)用領(lǐng)域。

磁懸浮軸承是利用磁力將轉(zhuǎn)子無(wú)機(jī)械無(wú)摩擦地懸浮在空間的一種新型高性能軸承。由于具有無(wú)接觸、無(wú)摩擦、振動(dòng)小、不需要潤(rùn)滑、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，顯著改善旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)特性，可用于取代傳統(tǒng)的高速滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。使用磁浮軸承后，高速加工設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速可大幅度提高(低則達(dá)每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，超高速甚***達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn))，不但滿足機(jī)械高速、高效加工工業(yè)的需求，而且可利用磁浮軸承本身的傳感器對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。正是由于電磁軸承其獨(dú)特的性能，電磁軸承的研究已越來(lái)越為世人所矚目。

永磁、電磁混合的磁浮軸承系統(tǒng)，主要是由起重永磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)取代電磁鐵偏磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以減輕磁浮軸承定子和功率放大器的體積和重量，更重要的使可以大大降低整個(gè)磁軸承系統(tǒng)的功率損耗，實(shí)現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)的小型化、輕行化。降低功耗的要求不僅適合于高速應(yīng)用場(chǎng)合，且在航空領(lǐng)域尤為必要。80年代末***90年代初，美國(guó)航空航天局對(duì)“磁浮軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可行性”進(jìn)行的研究結(jié)果表明，僅取消原有滾動(dòng)軸承的密封和潤(rùn)滑系統(tǒng)，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕16%左右，效率提高5%，承載能力提高2-4倍;磁浮軸承需要功率小于100W。這足見磁軸承的優(yōu)勢(shì)。但需要指出的是:與主動(dòng)磁懸浮軸承相比，無(wú)源磁懸浮系統(tǒng)雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可它卻不能產(chǎn)生阻尼，亦即缺少象機(jī)械阻尼或象主動(dòng)軸承那樣的附加手段，因此這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定域是很小的，外界的激擾的小變化也會(huì)使它趨于不穩(wěn)定。同樣，主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)，由于采用了主動(dòng)式反饋控制，其剛度和阻尼可以靈活的在線可調(diào)。但是其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難度大，連續(xù)耗能多，鐵損大，效率不高，是有源磁懸浮系統(tǒng)不容忽視的問(wèn)題。在目前只需相對(duì)低廉的成本即可實(shí)現(xiàn)功能很強(qiáng)的控制的條件下，盡管人們還在對(duì)主動(dòng)磁懸浮軸承進(jìn)行研究，但從某種意義上說(shuō)己將其棄之局外。特別是新材料的出現(xiàn)，人們開始著手研究混合磁懸浮系統(tǒng)，將“主動(dòng)”和“被動(dòng)”結(jié)合起來(lái)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮磁懸浮技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。因此，研究混合磁懸浮系統(tǒng)是十分有意義的。

本課題主要研究單自由度電磁和永磁混合型磁懸浮系統(tǒng)，它綜合了純主動(dòng)和純被動(dòng)磁浮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了純被動(dòng)磁浮系統(tǒng)可控度有限的約束，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)控制器來(lái)改變懸浮剛體的剛度和阻尼的主動(dòng)控制。對(duì)于本磁浮系統(tǒng)，首先系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮是基礎(chǔ)、是關(guān)鍵，同時(shí)又兼顧到整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗，采用電磁與永磁混合型的系統(tǒng)。多自由度懸浮體的懸浮機(jī)理同單自由度懸浮體基本相同。因此實(shí)現(xiàn)單自由度上的混合磁懸浮是混合磁懸浮研究的基礎(chǔ)，它能為今后在多個(gè)自由度上的混合磁懸浮以及混合磁懸浮的實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。

1.       2國(guó)內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀

人類從自然界的電閃雷鳴和天然磁石上開始注意到電磁現(xiàn)象。我國(guó)公元前3世際的《呂氏春秋》中，早出現(xiàn)磁石引鐵的記載，公元1世紀(jì)***充的《論衡》中早把靜電現(xiàn)象和靜磁現(xiàn)象相并列，記載了“頓牟綴芥，磁石引針”，“司南之勺投之于地其柢指南”。1086年北宋科學(xué)家沈括著《夢(mèng)溪筆談》，}，早記述了指南針的制法和用途，這是人類早利用磁現(xiàn)象的產(chǎn)品。在國(guó)外，1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法國(guó)的畢奧和薩伐爾得出了直流電元的磁力定律，阿拉戈發(fā)明了電磁鐵。1825年英國(guó)人巴洛，斯特金制作的電磁鐵其吸力為其自重（200g）的20倍。20世紀(jì)50年代初，人們己在實(shí)驗(yàn)室利用電磁感應(yīng)原理把物體穩(wěn)定的浮起，并進(jìn)行了大量的理論研究。193 7年，肯珀（Kenpera）申請(qǐng)了個(gè)磁懸浮技術(shù)專利，提出了采用新的交通方法的可能，并做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，這正是稍后出現(xiàn)的磁懸浮列車的前身。1938年又采用可控電磁鐵對(duì)一重量為210kg的物體成功的實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定磁懸浮y。同一時(shí)期，美國(guó)Virginia大學(xué)的Beams和Holmes也對(duì)磁懸浮理論進(jìn)行了研究，他們采用電磁懸浮技術(shù)懸浮小鋼球，并通過(guò)鋼球高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能受的離心力來(lái)測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料的強(qiáng)度，測(cè)量過(guò)程中鋼球所達(dá)到的高旋轉(zhuǎn)速度為1.8 X 107r/min，在這一轉(zhuǎn)速下，剛球由于離心力的作用而爆裂，他們據(jù)此來(lái)推算材料的強(qiáng)度(t(。這可能是早采用磁懸浮技術(shù)支撐旋轉(zhuǎn)體的應(yīng)用實(shí)例。伴隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，20世紀(jì)60年代中期對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究躍上了一個(gè)新臺(tái)階。英國(guó)、日本、德國(guó)都相繼開展了對(duì)磁懸浮列車的研究。1977年德國(guó)航空公司研制成功的KOMET型磁浮列車的時(shí)速360km。空間技術(shù)的飛速發(fā)展又推動(dòng)了磁軸承的研究。據(jù)有關(guān)資料記載:1969年，法國(guó)軍部科研實(shí)驗(yàn)室(LRBA)開始對(duì)磁懸浮軸承的研究;1972年，將個(gè)磁懸浮軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)向輪的支撐上，從而揭開了磁懸浮軸承發(fā)展的序幕。此后，磁懸浮軸承很快被應(yīng)用到民用工業(yè)、國(guó)防、航天等各個(gè)領(lǐng)域。1977年，法國(guó)S2M公司開發(fā)了***上臺(tái)高速機(jī)床的磁懸浮主軸;美國(guó)在1983年11月搭載于航天飛機(jī)上的歐洲空間試驗(yàn)倉(cāng)里采用了磁懸浮軸承真空泵；1984年，S2M公司與日本精工電子工業(yè)公司聯(lián)合成立了日本電磁軸承公司，在日本生產(chǎn)、銷售渦輪分子泵和機(jī)床電磁主軸等。目前，國(guó)外己將電磁軸承應(yīng)用在數(shù)百種不同的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械上，如超高速磨床、銑床、離心機(jī)、透平壓縮機(jī)、陀螺儀、航天器姿態(tài)控制裝置、飛輪蓄能等裝置。

1994年9月在瑞士召開的第四界國(guó)際電磁軸承會(huì)議上，電磁軸承已作為比較成熟的商業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)。磁懸浮技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，多項(xiàng)技術(shù)交織在其中。研究和開發(fā)利用的難度較大，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其的研究工作非?；钴S且研究力度正在進(jìn)一步加強(qiáng)。

我國(guó)對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究起步較晚，磁懸浮軸承的研究始于60年代，但由于社會(huì)條件及技術(shù)水平的限制，在這方面的研究較國(guó)外晚20年。1986年廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開發(fā)及其在FAM中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行研究。此后，山東科技大學(xué)磁懸浮研究所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等進(jìn)行這方面的研究。但到目前為止，開發(fā)的多數(shù)產(chǎn)品還處于實(shí)驗(yàn)室階段。磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于列車也是一個(gè)很有前景的研究領(lǐng)域，國(guó)防科大在磁懸浮列車方面的研究取得了矚目成果?？傊?，國(guó)內(nèi)外都對(duì)磁懸浮技術(shù)引起了高度重視。

鑒于隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的高速發(fā)展，如微處理器，功率放大器、傳感器等元件的不斷完善和新型材料的問(wèn)世，都將使磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用成本降低且產(chǎn)品的性能更優(yōu)越、更完善?？梢灶A(yù)見磁懸浮技術(shù)在二十一世紀(jì)會(huì)得到更得發(fā)展和廣泛得應(yīng)用。

1.       3永磁、電磁混合磁懸浮系統(tǒng)簡(jiǎn)介

永磁、電磁混合磁懸浮系統(tǒng)主要由被控對(duì)象小球、電磁鐵，起重永磁鐵、光電傳感器、控制器、功率放大器，旋轉(zhuǎn)電路等部分組成。小球是系統(tǒng)中的被控對(duì)象，電磁鐵是產(chǎn)生控制力的執(zhí)行元件，位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、調(diào)節(jié)電路(PID調(diào)節(jié)器)和功率放大電路為系統(tǒng)的控制器。位置給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較后，經(jīng)調(diào)節(jié)電路送到功率放大電路。功率放大電路輸出控制電流，經(jīng)電磁鐵轉(zhuǎn)換為電磁力，以控制小球的位置。當(dāng)小球受到干擾發(fā)生位移時(shí)，位移量由位置傳感器檢測(cè)后與給定信號(hào)比較，其差值再送到信號(hào)調(diào)節(jié)電路，重新調(diào)節(jié)電磁鐵的磁力，使小球回到正常位置。

磁鐵的作用是為實(shí)現(xiàn)小球在預(yù)定位置的穩(wěn)定懸浮提供電磁力。當(dāng)小球發(fā)生偏移時(shí)，位移偏移量由位移轉(zhuǎn)換電路—位移傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送到調(diào)節(jié)電路和功率放大電路，輸出一個(gè)控制電壓或電流信號(hào)，調(diào)節(jié)電磁鐵的電磁力，使小球回到原平衡位置。

電磁鐵是一內(nèi)置鐵芯的螺線管，其鐵芯采用導(dǎo)磁性能***的軟磁材料—硅鋼片做成。材料的特性會(huì)影響電磁鐵的性能，以及鐵芯中的渦流大小。采用疊片式鐵芯可減少渦流損耗。

控制器的核心部分是調(diào)節(jié)電路。調(diào)節(jié)電路可采用線性模擬電路，利用前饋或反饋方式構(gòu)成適當(dāng)?shù)某皽箅娐?/span>(簡(jiǎn)稱PID電路)，達(dá)到增益和相位的補(bǔ)償目的，從而滿足系統(tǒng)要求。隨著電子器件和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，數(shù)字控制器，因其控制參數(shù)調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，而越來(lái)越多地被采用。

功率放大電路在控制器中主要是向電磁鐵提供控制電流。電磁鐵產(chǎn)生的電磁力是與電流的平方成正比，與位移的平方成反比，這使控制成為非線性問(wèn)題。使用精度較高的平方轉(zhuǎn)換器或者利用偏磁原理以及差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電磁鐵組(即一個(gè)自由度上設(shè)置一對(duì)電磁鐵使之差動(dòng)工作)，可以使其轉(zhuǎn)換為線性控制問(wèn)題。功率放大電路將涉及類型的問(wèn)題。功放的類型既決定了所采取的控制策略，也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有一定的影響。

位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成:位移傳感器(信號(hào)檢測(cè))和前置器(信號(hào)變換器)。目前，采用的較多的是電渦流位移傳感器。傳感器分類標(biāo)準(zhǔn)不同，類型也不同，有電感式的、電容式的、接觸式、非接觸式的、差動(dòng)型的、非差動(dòng)型的等。

永磁、電磁混合磁懸浮系統(tǒng)的精度主要取決于位移傳感器和位移信號(hào)變換器的精度，因而要求該部分的精度要高，溫度穩(wěn)定性要好。鑒于整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只要非接觸型的傳感器均可采用。

旋轉(zhuǎn)控制電路，在小球?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮后，在小球正下方產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，小球可以自動(dòng)由懸浮到旋轉(zhuǎn)，且通過(guò)調(diào)節(jié)控制器，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度快慢的調(diào)節(jié)。

2單自由度永磁、電磁混合磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

永磁、電磁混合磁懸浮系統(tǒng)是集電子技術(shù)、電磁學(xué)、自動(dòng)控制、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)于一體的復(fù)雜機(jī)電綜合系統(tǒng)。要分析研究這樣一個(gè)系統(tǒng)，必須建立與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際上地描述這樣一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程是很難的。對(duì)于單自由度磁懸浮系統(tǒng)常用的分析方法是在懸浮體的平衡點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性簡(jiǎn)化，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)的近似，在該范圍內(nèi)系統(tǒng)不會(huì)有太大的誤差。

單自由度磁懸浮系統(tǒng)工作原理

單自由度磁懸浮系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、電磁鐵，起重永磁體、光電傳感器、控制功率放大器，旋轉(zhuǎn)電路等部分組成。利用磁力克服小球的重力，使小球?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮。線圈中通以電流產(chǎn)生電磁力，電磁力的大小與電流的平方成正比，與磁懸浮距離的平方成反比，由于磁懸浮系統(tǒng)本質(zhì)不穩(wěn)定，要求電磁鐵中電流隨小球位移的變化而實(shí)時(shí)改變，以使電磁力和小球重力平衡，這需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。由光電位移傳感器檢測(cè)小球的位移變化，當(dāng)小球懸浮在不同位置時(shí)，傳感器輸出不同的信號(hào)。在小球的下方有旋轉(zhuǎn)控制電路，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)控制器，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度快慢的調(diào)節(jié)。

2.1系統(tǒng)理論數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型是自動(dòng)化學(xué)科的根本，反映了人們對(duì)于控制對(duì)象的認(rèn)識(shí)理解程度。對(duì)于控制系統(tǒng)中某一個(gè)過(guò)程或?qū)ο?，其控制性能的好壞，關(guān)鍵在于數(shù)學(xué)模型建立得是否成功。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們把相當(dāng)?shù)木ν度氲綌?shù)學(xué)模型的建立上來(lái)，較深入地討論了電磁、永磁構(gòu)成的混合磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分布和吸力特性。

2.2磁化曲線分析

在永磁磁路中，起重永磁鐵相當(dāng)于一個(gè)磁勢(shì)的作用，同時(shí)它又具有磁阻。計(jì)算時(shí)磁路的克希荷夫定律仍然普遍適用。

根據(jù)起重永磁鐵工作狀態(tài)的不同，可分為兩種情況:其一為工作過(guò)程中磁路內(nèi)的磁阻是不變的，并且起重永磁鐵的工作點(diǎn)處于退磁曲線上，并且起重永磁鐵的工作點(diǎn)處于退磁曲線上，起重永磁鐵是在裝配后充磁并且充磁后不再經(jīng)受磁性穩(wěn)定的退磁處理:其二為工作過(guò)程中，磁路磁阻是變化的或者磁路內(nèi)有其他變化磁勢(shì)。此時(shí)，起重永磁鐵的工作點(diǎn)處于回復(fù)線上，如永磁吸盤、永磁電機(jī)、極化式繼電器、磁電機(jī)等。經(jīng)過(guò)磁性穩(wěn)定處理的永磁磁路也屬于這一類。前一種工作狀態(tài)稱為“靜態(tài)式”，而后一種稱為“動(dòng)態(tài)式”。絕大多數(shù)的電器和電機(jī)中起重永磁鐵的工作狀態(tài)都屬于后者。

起重永磁鐵工作在退磁曲線上的一點(diǎn)。如果有一干擾磁場(chǎng)使磁鐵退磁，使工作點(diǎn)沿退磁曲線下降，然后，當(dāng)此干擾磁場(chǎng)消失后，磁鐵的工作點(diǎn)不會(huì)再回到此點(diǎn)，而是沿回復(fù)線上升到另一點(diǎn)。由此可見，在干擾磁場(chǎng)作用的前后，磁鐵的磁通密度將下降，因而使工作氣隙中的磁通發(fā)生變化。

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