下推式混合磁悬浮装置的设计与仿真研究

胡 帅，陈晓岑，张 丽，余海涛

(武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)

磁悬浮是利用磁场间同性相斥、异性相吸的特性克服物体自身的重力，将物体稳定悬浮于某一位置的一种技术[1]。由于被悬浮体悬浮于空间中，不与任何物体接触，因此避免了由于接触摩擦引起的磨损与能量损耗[2]。磁悬浮技术有诸多优点，其广泛应用于航天航空、能量储能装置、轨道交通等领域[3]。

常见的磁悬浮展示装置有上拉式磁悬浮装置和下推式磁悬浮装置。上拉式磁悬浮装置电磁线圈在被悬浮体上面，依靠磁场间异性相吸的特性产生吸引力平衡重力使悬浮体悬浮，这种方式的优点是系统的性能参数可以在线调节[4]。但是由于被悬浮体的四周镶嵌有相关部件，在悬浮时效果并不直观，同时由于磁悬浮技术的特殊性，其悬浮气隙会受到传感器检测距离的约束，被悬浮体的上端面与顶部线圈的距离很小，视觉效果不明显[5]；另外上拉式磁悬浮装置仅在竖直方向有控制，在水平方向上无控制，因此其在水平方向上的抗干扰能力很弱，当悬浮体出现水平位置偏移时，仅仅依靠边缘效应将其拉回中心位置，稳定区域小。而下推式磁悬浮装置主要是依靠磁场间同性相斥的特性，利用永磁体之间产生的斥力进行支承[6]，不需要消耗大量的外部能耗去抵消被悬浮体的重力，在水平方向仅需要电磁线圈进行微调，其线圈电流约等于零，这种零功率悬浮方式不用体积庞大的电磁线圈，因此其系统结构很小。这种支承方式由于是基于永磁斥力，相对于上拉式的电磁吸引力，有较强的抗干扰能力。下拉式悬浮装置悬浮体浮在底座上面，悬浮体的上端面没有任何支承装置，相对上拉式悬浮装置有更好的视觉效果，可以更有效地向人们展示磁悬浮的魅力[7]。

目前下推式磁悬浮装置应用较多，也有很多产品化的例子，如磁悬浮地球仪，磁悬浮音箱等[8]。现有的文献多对悬浮体的控制进行研究，而对悬浮体和定子永磁体具体参数对悬浮性能的影响这一基本问题研究较少。针对这种情况，对下推式磁悬浮装置进行建模，仿真得到悬浮体、定子永磁体和悬浮力的关系，对永磁电磁混合的磁悬浮三维支承结构进行研究，该装置是用于该结构的一种试验验证。

1 下推式磁悬浮装置结构

下推式磁悬浮装置结构模型如图1所示，主要由被悬浮体、电磁极柱、电磁线圈和定子磁环组成[9]。其中悬浮体为钕铁硼永磁材料，定子磁环为铁氧体永磁材料，电磁极柱由电工纯铁制成，为圆柱状，极柱上安装有电磁线圈，4个电磁极柱均布在定子磁环内部。

图1 下推式磁悬浮装置结构示意图

永磁材料充磁方向如图2所示，被悬浮体和定子磁环的充磁方向相同。当两者处于轴对称中心时，两者产生的磁通如图2所示。定子和浮子之间的磁路不能形成闭合回路，因此两者之间为斥力，并且随着浮子的上升，两者之间的磁链逐渐减少，因此两者之间的斥力随着悬浮高度的增加逐渐减少。

图2 永磁材料充磁方向图

竖直方向上的工作原理如下：悬浮体有一定的重量，因此当两者之间的排斥力等于悬浮体重量时，悬浮体就能在竖直方向(Z轴)保持平衡。当悬浮体选定后，悬浮体质量就确定下来，在竖直方向上的某一处，悬浮体重量等于排斥力，在竖直方向就可以稳定悬浮。

水平方向工作原理如图3所示，在定子永磁环内侧均匀分布4个电磁极柱，极柱上均绕有电磁线圈，相对极柱线圈反向串联，形成差动控制[10]。 仅仅依靠永磁力无法保证悬浮体在水平方向悬浮，因此需要电磁极柱产生可控的电磁力来平衡悬浮体偏移时定子磁环产生的吸力。当悬浮体向右(X轴正方向)偏移时，悬浮体受到X轴正方向上的吸力，X方向上的电磁极柱线圈通电产生磁力，右电磁极柱产生对悬浮体的斥力，左电磁极柱产生对悬浮体的吸力，如图3所示。同样的，在Y轴方向类似。

图3 水平方向工作原理图

2 下推式悬浮装置建模

采用Ansoft Maxwell软件对下推式磁悬浮装置线圈电流、磁场、悬浮力进行模拟仿真。Ansoft建立几何模型主要包括创建项目、定义分析类型、建立几何模型和定义及分配材料等步骤。

在Ansoft三维建模中，可以直接绘制简单的三维实体，然后再对这些简单实体进行布尔运算得到复杂模型。该模型中包含4种材料，分别是空气、铜、软磁材料和永磁材料。其中，绕组线圈为铜，电磁极柱为软磁材料，其B-H曲线如图4所示；永磁材料有两种，一种是铁氧体，另一种是钕铁硼，其材料参数界面如图5和图6所示。

图4 软磁材料B-H曲线

图5 铁氧体永磁体材料参数界面图

图6 钕铁硼永磁体材料参数界面图

根据上述参数进行建模，并赋予材料特性，最终得到该模型的网格划分三维模型如图7所示。该模型的网格划分如图8所示。

图7 三维实体模型

图8 网格划分

3 几何参数对悬浮性能的影响分析

3.1 悬浮体几何参数对悬浮性能的影响

本装置在设计过程中，永磁铁之间的斥力与浮子的重力平衡，电磁力则抵消外部干扰力。在仿真分析各参数对悬浮性能的影响时，假设定子环形永磁铁参数及前提条件设为定值，具体参数如表1所示。

表1 定子环形永磁铁及预设参数

分析悬浮体内部永磁铁的直径与厚度对悬浮性能的影响时，可以认为浮子与底座之间的距离等于浮子永磁铁与定子永磁铁的间隙。为了减少漏磁，同时保证悬浮稳定性，浮子永磁铁由两块大小不一的圆柱形永磁铁叠加而成。其中，大、小永磁块的半径及厚度分别为r1、h1和r2、h2。不同参数对悬浮力的影响如图9所示。

从图9可以看出，浮子结构参数对悬浮力的大小有较大的影响。其中图9(a)和图9(d)表明大小永磁块的厚度对悬浮力的影响刚好相反，随着h2的增大，排斥力的大小是先增大后减小，而随着h1的增大，排斥力的大小则是先减小后增大；从图9(b)和图9(c)可以看出大小永磁块的外径都悬浮力的影响趋势相同，且随着外径的r1和r2的增大，悬浮力的大小均是先增大后减小，然后再增大。

图9 悬浮体几何参数对悬浮力的影响

3.2 定子永磁体几何参数对悬浮性能的影响

在仿真分析各参数对悬浮性能的影响时，假设悬浮体参数及前提条件设为定值，具体参数如表2所示。

分析定子永磁铁的内外径与厚度对悬浮性能的影响时，同样可以认为浮子与底座之间的距离等于浮子永磁铁与定子永磁铁的间隙。其中，定子永磁块的内外径及厚度分别为R1、R2和H。定子永磁体结构参数对悬浮力的影响如图10所示。

表2 悬浮体永磁铁预设参数

图10 定子永磁体结构参数对悬浮力的影响

从图10可以看出，定子永磁体结构参数对悬浮力的大小有较大的影响。其中图10(a)和图10(c)表明定子永磁体的内径和厚度对悬浮力的影响趋势相同，都是随着几何尺寸的增大，悬浮力先增大后减小；而从图10(b)可以看出随着定子永磁体外径的R2增大，悬浮力先持续增大，然后稳定在5 N左右。

4 结论

笔者介绍了下推式磁悬浮装置的结构并建立了三维模型，设置悬浮体和定子永磁体不同的几何参数，仿真得到悬浮力与几何尺寸的变化关系。

(1)悬浮体大小永磁块的厚度对悬浮力的影响是相反的，随着大永磁块厚度h2增大，悬浮力的增大后减小，而随着小永磁块厚度h1的增大，悬浮力则是先减小后增大。

(2)悬浮体大小永磁块的外径对悬浮力的影响趋势相同，随着外径的r1与r2的增大，悬浮力的大小均是先增大后减小，然后再增大。

(3)随着定子永磁体内径R1的增大，悬浮力先增大后减小。而随着定子永磁体外径R2的增大，悬浮力先持续增大，然后稳定，对于本文结构大约稳定在5 N左右。

(4)定子永磁体的厚度对悬浮力的影响与内径相同，都是随着几何尺寸的增大，悬浮力先增大后减小。