孫 鳳，周 冉，金俊杰，李 強(qiáng)，徐方超，韋 偉，金嘉琦

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870)

1001-2265(2017)10-0027-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.006

2016-11-09；

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金(51105257,51310105025)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃 (LQJ2014012)；中國博士后科學(xué)基金(2015M571327)；十二五國家科技支撐計(jì)劃(2015BAH47F02)

孫鳳(1978—)，男，遼寧阜新人，沈陽工業(yè)大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)與數(shù)控技術(shù)，(E-mail)sunfeng@sdu.edu,cn。

永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置的零功率特性優(yōu)化設(shè)計(jì)*

孫 鳳，周 冉，金俊杰，李 強(qiáng)，徐方超，韋 偉，金嘉琦

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870)

根據(jù)永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置的磁勢周期性變化規(guī)律，結(jié)合其特有的結(jié)構(gòu)，在保證提供的懸浮力滿足實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，以裝置中電機(jī)軸上的扭矩趨于零作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，對該永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了優(yōu)化后裝置的仿真模型，并采用有限元方法計(jì)算不同優(yōu)化條件下，磁力驅(qū)動(dòng)裝置的零功率特性及驅(qū)動(dòng)力特性。對比分析結(jié)果表明：經(jīng)過兩次優(yōu)化設(shè)計(jì)后的裝置與原裝置相比，負(fù)載轉(zhuǎn)矩明顯減小，已經(jīng)達(dá)到了零功率特性優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

零功率；永磁懸浮；有限元分析

0 引言

永磁懸浮技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、磁密度大、不發(fā)熱的特點(diǎn)，目前應(yīng)用范圍很廣，如永磁電機(jī)、永磁懸浮裝置等[1-3]。與此同時(shí)在無塵領(lǐng)域永磁懸浮技術(shù)也逐漸被應(yīng)用，為了達(dá)到節(jié)約能源、降低成本的目的，一種永磁懸浮無塵傳送系統(tǒng)被提出[4]，該系統(tǒng)是通過改變系統(tǒng)中徑向磁化的盤狀永磁鐵的旋轉(zhuǎn)角度來改變通過懸浮物的磁通量[5-6]，進(jìn)而改變懸浮力的大小，目前這種永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置解決了傳統(tǒng)無塵傳送設(shè)備由于機(jī)械接觸、摩擦、潤滑油等對工作環(huán)境的污染。此外，該裝置由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理論上具有零功率特性，但運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行仿真分析[7-10]，觀察磁場分布情況，分析力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)由于周期性磁勢的影響，導(dǎo)致電機(jī)軸上出現(xiàn)了周期性扭矩，從而使輸出效率降低，因此該裝置實(shí)際上具有準(zhǔn)零功率特性。

本文在原裝置具有準(zhǔn)零功率特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置的零功率特性優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過分析影響裝置零功率的因素，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建立三維有限元分析模型，通過有限元軟件分析，進(jìn)行瞬態(tài)磁場模擬仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)來不斷調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)。此裝置旨在減小電機(jī)軸上的扭矩，使之趨于零，從而提高其工作效率，在零功率輸出狀態(tài)下帶動(dòng)永磁鐵實(shí)現(xiàn)永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)，達(dá)到降低功耗的效果。

1 驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)零功率特性

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖1為原裝置的結(jié)構(gòu)圖，該原型主要包括盤式永磁體，包含齒輪減速器和編碼器的伺服電機(jī)，一對相對的“F”形坡莫合金，懸浮物和一個(gè)渦流傳感器。實(shí)驗(yàn)所用的永磁體為徑向磁化的盤形永磁體，磁體的直徑為30mm，厚度為10mm。磁體后面的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁體旋轉(zhuǎn)，編碼器測量磁體的旋轉(zhuǎn)角度。導(dǎo)磁體是坡莫合金材料，這樣使導(dǎo)磁率更大，效果更好。懸浮物體的位置由放置在下方的渦電流傳感器測量。

圖1 原型裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2為在不同大小間隙條件下的原型裝置所產(chǎn)生的吸引力與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。懸浮力根據(jù)永磁體旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，并且在約90°和270°具有2個(gè)最大值，在約0°和180°具有2個(gè)近似零點(diǎn)。與此同時(shí)，懸浮力的大小隨間隙的增大而減小。

圖2 原裝置吸引力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 準(zhǔn)零功率特性分析

從原裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理中可以得出永磁體是通過經(jīng)過導(dǎo)磁體磁感線多少來提供懸浮力的大小，懸浮物的重力由“F”形導(dǎo)磁體直接傳至框架上，永磁體和電機(jī)不承受懸浮物重力，原則上懸浮物的重量變化不會(huì)影響電機(jī)的能耗。但是由于該裝置的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和原理，使得永磁體在旋轉(zhuǎn)過程中磁勢對永磁體產(chǎn)生了負(fù)載扭矩，從而為了抵制這部分扭矩，電機(jī)需要輸入很小的電流，所以原裝置具有準(zhǔn)零功率特性。

為了檢查磁勢對永磁體的影響，當(dāng)改變永磁體的旋轉(zhuǎn)角度和“F”形導(dǎo)磁體與懸浮物體之間的氣隙時(shí)，用應(yīng)變儀測量永磁體的旋轉(zhuǎn)扭矩。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和永磁體之間的連接器側(cè)粘貼用于測定轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，在與懸浮力的測定實(shí)驗(yàn)相同的條件下測定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。氣隙長度從2mm變化到8mm。 測量裝置如圖3所示。旋轉(zhuǎn)扭矩的測量結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)扭矩的數(shù)值隨著氣隙增加而減小。

圖3 扭矩測量實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 原裝置旋轉(zhuǎn)扭矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)提出

為了解決原裝置的準(zhǔn)零功率特性，本文提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，目的是使永磁體上的負(fù)載扭矩接近于零，從而使裝置具有零功率特性。本試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)過程中借鑒了原裝置結(jié)構(gòu)，由圖4所示結(jié)果可知，扭矩與磁鐵回轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系基本呈180°為一個(gè)周期，90°相對對稱。根據(jù)其電機(jī)軸上扭矩的特點(diǎn)，提出了采用支撐板兩側(cè)對稱的結(jié)構(gòu)，在支撐板的兩側(cè)同一軸上安裝兩個(gè)徑向磁化的永磁磁環(huán)，磁極相互錯(cuò)開90°安裝，使兩永磁體與兩對“F”形導(dǎo)磁體之間的扭矩相互抵消，以消除電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功耗。

該裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括實(shí)驗(yàn)臺主支撐板、電機(jī)支架、隔磁板、伺服電機(jī)、剛性聯(lián)軸器、主軸、電渦流傳感器、2個(gè)徑向磁化的永磁磁環(huán)、4塊“F”形導(dǎo)磁體、懸浮物、軸承座和限位塊；永磁磁環(huán)通過六角螺母、墊片和軸肩固定在主軸上，主軸通過剛性聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，永磁磁環(huán)的兩側(cè)各安放一個(gè)導(dǎo)磁體；在兩個(gè)鋁制支撐板中間加一個(gè)隔磁板；在導(dǎo)磁體的下方放置懸浮物，同時(shí)前面懸浮物的一端通過軸承固定，另一端擺動(dòng)，并且下方放置一個(gè)限位塊，后面放置的懸浮物固定在支撐板上；懸浮物的上方設(shè)置一個(gè)電渦流傳感器。 這種對稱結(jié)構(gòu)可以更好地避免不必要的影響因素，盡量排除外界因素的干擾，使實(shí)驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果更加的準(zhǔn)確。

(a)裝置三維模型圖

(b)裝置剖視圖

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 有限元仿真模型

依據(jù)所研究的問題，對改進(jìn)的永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置有限元模型做出如下假設(shè)：忽略裝置漏磁；忽略摩擦對裝置的影響。

如圖6所示是導(dǎo)入分析軟件的有限元模型。圖6a為根據(jù)原裝置結(jié)構(gòu)所建立的有限元模型圖。圖6b為在原裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，在支承板兩端呈對稱式分布，兩個(gè)徑向磁化的永磁磁環(huán)，磁極相互錯(cuò)開90°安放。圖6c在圖6b的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了優(yōu)化，在兩個(gè)永磁體之間加了一個(gè)隔磁板，隔絕兩個(gè)永磁體間的相互影響。

(a)原結(jié)構(gòu)有限元模型圖

(b)一次優(yōu)化后有限元模型圖

(c)二次優(yōu)化后有限元模型圖圖6 有限元仿真模型

3.2 仿真分析條件

把優(yōu)化裝置的簡化模型導(dǎo)入到Ansoft仿真軟件里進(jìn)行分析，永磁磁環(huán)的直徑φ=40mm，選用NdFeB30，兩塊永磁磁環(huán)之間的距離為d=38mm；“F”形導(dǎo)磁體采用的是導(dǎo)磁率較高的坡莫合金材料，選用的型號為1J85；中間加了1mm厚的隔磁板，以此來消除兩個(gè)永磁磁環(huán)之間的相互影響，其材料為鐵；懸浮物的位置放在“F”形導(dǎo)磁體的下方6mm處，永磁體與“F”形導(dǎo)磁體之間的距離為2mm。對三種模型進(jìn)行仿真，仿真速度為5°/s，總的仿真時(shí)間為72s。

3.3 分析結(jié)果對比

為了驗(yàn)證兩次優(yōu)化的效果，對三種不同結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行仿真結(jié)果對比分析，負(fù)載扭矩有限元仿真結(jié)果如圖7所示。

第一次優(yōu)化后裝置的永磁鐵所受的負(fù)載扭矩與原結(jié)構(gòu)做的對比，可以看出電機(jī)主軸所受的負(fù)載扭矩，其呈正弦波變化，原裝置最大扭矩達(dá)到了260N·m，優(yōu)化后的效果明顯，最大扭矩為122N·m，負(fù)載扭矩明顯減小，但是沒有達(dá)到理想的優(yōu)化結(jié)果。第二次優(yōu)化后裝置的永磁鐵所受的負(fù)載扭矩與第一次優(yōu)化后裝置做的對比，可以明顯的看出電機(jī)主軸所受的最大扭矩已經(jīng)減少到了20N·m，已經(jīng)基本達(dá)到了零功率特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7 電機(jī)軸負(fù)載扭矩對比圖

在進(jìn)行負(fù)載扭矩仿真的同時(shí)，也驗(yàn)證了優(yōu)化裝置對懸浮力的影響，懸浮力有限元仿真結(jié)果如圖8所示。第一次優(yōu)化后裝置的懸浮物所受的懸浮力與原裝置做的對比，可以看出懸浮物所受的懸浮力，原裝置最大懸浮力達(dá)到了19N，但是優(yōu)化后懸浮力減小了，最大懸浮力約為10N。第二次優(yōu)化后裝置的懸浮物所受的懸浮力與第一次優(yōu)化做的對比，可以看出懸浮物所受的懸浮力，第二次優(yōu)化后懸浮力減小了，最大懸浮力約為6N。同時(shí)在第一次優(yōu)化后圖像的相位發(fā)生了明顯改變，通過第二次優(yōu)化后又恢復(fù)到原結(jié)構(gòu)的相位，可以看出懸浮力相位的改變是由兩永磁體之間相互影響而產(chǎn)生。

圖8 懸浮物懸浮力對比圖

經(jīng)過仿真結(jié)果分析可以看出，再加上一個(gè)永磁體可以有效地減小電機(jī)軸上的扭矩大小，但是沒有達(dá)到預(yù)期的目的，只是減小了大約一半；第二次優(yōu)化說明了在兩個(gè)永磁鐵運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)相互干擾，影響各自的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加入隔磁板后，可以有效地阻隔兩個(gè)永磁鐵之間的相互作用，最后使電機(jī)軸上的扭矩最大到20mN·m，可以近似忽略掉，優(yōu)化后的永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置符合零功率特性設(shè)計(jì)，但是在此基礎(chǔ)上裝置所提供的懸浮力隨之變小。二次優(yōu)化后裝置所提供的懸浮力已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，但在接下來的工作中繼續(xù)改進(jìn)裝置提高懸浮力。

4 結(jié)論

本文對永磁懸浮磁力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對不同優(yōu)化設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行仿真，分析其零功率特性。研究結(jié)果表明：

(1)經(jīng)過分析原裝置的磁勢變化和磁場分布，確定了對原裝置的核心部分采用對稱結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，結(jié)果顯示其負(fù)載扭矩達(dá)到了一定的優(yōu)化效果。

(2)通過對其負(fù)載扭矩進(jìn)行分析得出，一次優(yōu)化后裝置中放置的兩個(gè)永磁體對整個(gè)裝置的磁場分布產(chǎn)生了重要的影響，最終確定加入隔磁板的二次優(yōu)化裝置具有零功率特性，滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。由于仿真過程中忽略磁漏和運(yùn)動(dòng)阻尼，所以仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)間會(huì)有一定的誤差產(chǎn)生，與此同時(shí)，在零功率優(yōu)化的基礎(chǔ)上裝置結(jié)構(gòu)正在繼續(xù)改進(jìn)，以提高其裝置的懸浮力。

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DesignonZero-powerPerformanceofaMagneticDrivingDeviceUsingPermanentMagneticSuspension

SUN Feng， ZHOU Ran， JIN Jun-jie， LI Qiang， XU Fang-chao， WEI Wei， JIN Jia-qi

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The magnetic driving device using permanent magnetic suspension has unique structure, which leads to produce the regularity of the magnetic potential. Based on the assumption that the levitation force satisfies the experimental conditions, the goal of the optimization design is that the torque on the motor shaft tends to zero. In order to reduce the load torque on the motor shaft, to improve its working efficiency, to reduce the power consumption effect, zero power permanent magnet suspension system with flux path control is carried out, and the simulation model of the optimized device is established in this paper. The zero power performance and driving force performance of the magnetic device are analyzed by finite element method, and by analyzing the movement and the forces of the device, dynamic model and spatial expression of the device are established. In order to study the dynamic response of the system under disturbances and verify the reliability and robustness of the system, the system is controlled by cascade control. The inner loop adopts PD regulator, and the outer loop adopts PID regulator. Simulation analysis show that the load torque is obviously reduced compared with the original device, new device has reached the requirement of zero power performance optimization design, and the system can be stably suspended after a brief adjustment under disturbances.

zero power; permanent magnetic suspension; finite element analysis

TH166；TG506

A

(編輯李秀敏)