（电力电子与电力传动专业论文）抗磁性磁悬浮装置的研究.pdf

磁材料抗磁力的计算等多种磁场分析的结果。利用a n s o f t 有限元 分析软件进行磁场分析，并与理论分析结果进行比较，两种方法 的结果基本一致。本论文运用钕铁硼永磁体作为偏置磁体，悬浮 磁体也选用钕铁硼磁体，以石墨作为抗磁稳定体进行了抗磁悬浮 实验，成功验证了抗磁悬浮的理论和数学条件。 文章结合开关磁阻电机的工作原理，运用抗磁性悬浮的数学 分析，设计出抗磁性悬浮转子式的开关磁阻电机模型，并进行了 初步实验和仿真分析。 本文对有限元分析原理和a n s o r 软件进行了简要的介绍。运 用a n s 哦软件对抗磁悬浮装置进行了磁场分析，进行电感、力矩 和磁通分析，其结果和理论分析相吻合。 关键词：抗磁性悬浮，开关磁阻电机，a n s m ，仿真 北京交通大学硕士论文 r e s e a r c h0 nt h ed e c eo fd i a m a g n 脚c l e v i 卫鲴嚣等幽 羹薹筝鹜i 蠢零誊岫；i 蓁孽雩麟u e 薹蠢副善m 墓耋量耋誉i 鞋薹l l 隧鳓蚕鲐囊譬酾 主事墓国i 茎萋囊蕈簸囊篓i 誊萋l 羞担g 竖薹薹l 蠢。冀薹蘸瞳l 壁! ；盈推；篓躺萎薹l i i 委委i 囊! 蓦x j g 冀g ：誊i i 霎i i 曼! i 重嚣! 墓藁荔鬻婺! i 鸯辇l 薹篓耋蕈妻窖女- o ht v t f ， 在非铁区用部分标量位描述磁场 v v 西- o h h s 一牵 式中h s 一一源电流在自由空间产生的磁场。 在铁区和空气的交界面上，设a 、b 为交界面的两点， 6 2 ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 一1 1 ) 北京交通大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及其意义 磁悬浮技术是利用磁场产生的磁场力来克服重力，使物体无接触 地悬浮于空中。磁悬浮技术作为电磁应用技术的一个重要分支，在众 多学科科学成就相互交叉、渗透的基础上，自2 0 世纪6 0 年代发展至 今，以其节能、高效、无环境污染等独特优点在工业、军事和民用等 各个领域获得了长足的进展。 磁悬浮技术已经在许多领域得到应用，如磁悬浮列车、磁悬浮飞 轮储能、磁悬浮冶炼、磁悬浮轴承等。目前，磁悬浮方式主要有以下 五种： ( 1 ) 电磁式( 图1 1 a ) ：有源、闭环控制。可以静态悬浮，控 制难度比较大。目前实际应用有上海磁悬浮，日本l i n i m o 磁浮列车， 德国t 瑚s t i 甚p i d ， ( 2 ) 直线电动式( 图1 1 b ) ：有源或永磁，不需要闭环控制。 由于浮力与速度相关，所以运动时才能实现悬浮。目前实际应用有日 本超导磁浮列车，美国h i d u c t r 舵k 与磁飞机( m a g p l a n e ) 等。 ( 3 ) 旋转电动式( 图1 1 c ) ：有源或永磁，不需要闭环控制。悬 浮力与磁轮转速相关，所以运动时才能实现悬浮。目前实际应用有美 国、日本正在试验的磁轮模型车。 ( 4 ) 超导抗磁式( 图1 1 d ) ：无源、开环、悬浮无控制。但需 要低温环境，成本比较高。目前实际应用有美国、中国西南交大等高 温磁浮列车模型。 北京交通大学硕士论文 图卜1 实现稳定磁悬浮的五种方式 f i g 1 1f i v ew a y so fl e v 订a i i o n 2 北京交通大学硕士论文 ( 5 ) 常温抗磁式( 图1 1 e ) ：无源、无控制、静态悬浮、不需要 低温，需要用偏置强磁场( 永磁或电磁铁) 。目前实际应用有美国小 型磁盘生产线等。 抗磁性现象在法拉第时代就被发现，而且2 0 世纪8 0 年代荷兰科 学家就用实验实现了抗磁性悬浮，但由于过去强磁场必须采用强大的 电磁铁，因此主要应用在科学研究和高技术领域，一直没有工程应用。 抗磁性悬浮的实现是具有重要的意义的，这种悬浮被称为是“真 正的悬浮”，因为它不需要任何能量输入就能使物体稳定地悬浮在空 中。 例如，由于富含水分的物体和含蛋白质物体都可以在强磁场下悬 浮，国外科学家实现了强磁场内小动物、人类眼球、动物器官、微生 物等的抗磁性悬浮，这对于要求超净、无接触的生物学实验与医疗手 术有重要意义。国外还提出利用无源抗磁性悬浮在地面上模拟失重 环境，用于培训宇航员。日本东北大学金属材料研究所本河光博教授 领导的研究小组利用大于2 0 t 的强磁场制造出模拟失重状态，然后把 呈正方体的光学玻璃悬浮于其中，并用红外线照射使其熔化。 1 9 9 9 年7 月，a k g e i m 和m d s i m o n 首次用实验验证了用永久磁 铁实现抗磁性悬浮的可能性之后“3 ，国外开始了抗磁性悬浮的应用研 究，并取得了一些成果。目前抗磁性悬浮装置需要研究的主要问题是： 自然抗磁体的抗磁性与悬浮力，系统的静态与动态稳定性，轴线倾角 对抗磁性悬浮的影响等。 利用常温下的抗磁物质实现无源磁悬浮，在工程技术上有重大 的意义：( 1 ) 可以实现完全无源的稳定磁悬浮，系统简单，使可靠性 大大提高；( 2 ) 由于不需要控制能量输入，也不需要超导制冷的能量， 系统效率大大提高：( 3 ) 系统体积和重量减小。 北京交通大学硕士论文 我国目前在抗磁性悬浮的应用研究还完全是空白，未见有任何相 关的文献。为了探索抗磁性悬浮的实际应用，本论文设计了一台微型 抗磁性悬浮转子开关磁阻电机，用于飞轮储能装置的研究。 1 2 物质的抗磁性 抗磁性是物体固有的一种潜在性质，简单地说就是物质在外加磁 场的作抗磁性是物体固有的一种潜在性质，简单地说就是物质在外加 磁场的作用下，内部分子重新排列运动，形成分子电流，这种分子电 流具有一定的磁矩，称为附加磁矩。这种由感生电流产生的磁矩即是 抗磁性磁矩，附加磁矩与外磁场的方向相反，这是导致抗磁性的内因， 是一切磁介质所共有的性质。顺磁性物质的分子磁矩远远大于其附加 磁矩，所以表现不出抗磁性，而抗磁性物质的分子中的电子的磁效应 相互抵消，分子的总磁矩为零，所以表现出的是附加磁矩，从而表现 出抗磁性。当抗磁性物质靠近磁体时，会产生轻微的排斥力。 抗磁性物质的磁化率是负值，数值很小，目前所知道的金属铋、 石墨是抗磁性最强的物质，铋的磁化率也仅是一o 0 0 0 1 7 。常温下很多 物质具有抗磁性如水、蛋白质、木材等表面看来是没有磁性的物质， 也是比较弱的抗磁质。抗磁材料的磁化率数值越大，物质的抗磁性越 强。如表1 1 ，物质的磁化率，正值为顺磁性，负值为抗磁性。抗磁性 物质中的特例是超导体，可以称为是完全的抗磁体，超导体的磁化率 是一1 ，是最强的抗磁性材料。 4 北京交通大学硕士论文 表卜1 物质的磁化率 t a m e1 1 砷i em a g n e t i cs u s c e p l i b i l i t y 物质水石铋水金银铅钢手空铝 热 解 墨银指 气 石 墨 磁化 1 8 81 6 0- 1 7 03 23 62 61 79 81 00 3 60 2 54 7 0 室 + 1 0 。6 表卜1 说明，最好的固体抗磁性物质是热解石墨，它是一层层形 成的，具有各向异性的导磁性和热导性，垂直方向比水平方向由更强 的导磁性由抗磁物质产生的力非常弱，是磁场和普通铁磁物质之间 产生的力的百万分之一。在有强大的磁体存在的场合中，这些很小的 力能够使抗磁体悬浮。永磁体在强磁场中能够悬浮，但这种悬浮是不 稳定的，利用抗磁体，可以使悬浮体稳定，而且系统工作在常温，既 无需超导体也无能量输入。 抗磁悬浮的主要条件是需要强偏磁场，高性能永久磁铁和具有 抗磁性的材料。强永久磁铁产生强的磁力平衡悬浮体的重力，抗磁材 料要放置在特定的位置才能产生稳定的悬浮。 1 3 抗磁性磁悬浮的发展背景 1 8 4 2 年提出的e a m s h a w 定理证明了固定磁场和重力的作用不能 够使静磁体产生稳定的悬浮。然而抗磁物质的发现使之成为可能。抗 磁物质是在e a m s h a w 定理提出仅几年后，1 8 4 6 年最早由f a r a d a y 发 北京交通大学硕士论文 现的，h r dk e l v i n 在理论上证明了抗磁物质能够在磁场中悬浮”1 。但 专家们认为在那时抗磁性不可能得到实际应用，因为那时可获得的磁 场连最小的物体也无法浮起。直到2 0 世纪4 j d 5 0 年代，才出现了能 悬浮起抗磁性物体的强磁场。 1 8 7 2 年l o r dk e l v i n 指出抗磁性物质不需要遵守e a r n s h a w 定理， 因此抗磁性物质可以在静磁场里悬浮起来。 1 9 3 9 年b r a u n b e k 提出稳定的静电场悬浮只可能存在于介电常数 e 和磁导率“都小于1 的物质中，因为目前所知的只有抗磁性物质的 磁导率小于1 ，所以只有抗磁性物质才能在静电场中稳定悬浮。 b r a u n b e k 经过进一步研究，建立了能够悬浮抗磁物质石墨和铋微粒的 强磁场。 1 9 4 7 年由a r k a d i e v 获得的超导悬浮和b r a u n b e k 的理论是一致 的，因为一个超导体可以认为是磁导率为零的完美抗磁体。 1 9 5 6 年b o e r d i j k 运用石墨放在悬着的磁铁下面产生稳定的悬浮 】 o b e r r y 与g e i m 在1 9 9 7 年使用超强的磁场，将一只活的青蛙磁浮了 起柬。在强磁场中，青蛙体内的每一个原子都是一个很小的磁体，可 以说，青蛙就是由很多受强磁场作用的小磁块组成的。这样，青蛙自 身的抗磁性产生的竖直向上的抗磁力足以抵消地球引力，犹如置身太 空般浮起。其他的很多物质都能够这样悬浮，如水滴、一些植物、老 鼠等。 1 9 9 9 年，s i m o n 利用超导强磁场，实现了手指悬浮( 图1 2 ) ，并 在英国的自然杂志发表了论文：m c g n e tl e v j t a t j o na ty o u rf i n g c r t j p s “1 ，进一步试验验证了抗磁性悬浮的可能性。 6 北京交通大学硕士论文 图1 2 手指上的悬浮 f i g 1 一lh v i t a t i o na ty o u rf i n g e n i p s 悬浮体在电磁体下部某一点，水平方向稳定而垂直方向不稳定， 把抗磁片放在磁体的上下，磁体就能在垂直方向也稳定悬浮。这样， 人的手指也能够作为抗磁体，使磁体稳定悬浮。 1 9 9 9 年以来，国外已经在无源抗磁性悬浮方面取得了一系列应用 研究成果：日本东京大学的r o l 粕d m o s e r 与瑞士l a u s a n n e 技术学院的 h b l e u l e r 等人合作研究开发了抗磁性悬浮转子静电玻璃电机“3 ：美国 s r ii n t c r n a t i o n a l 研究所推出的抗磁性混合磁悬浮专利产品用于 超净加工磁盘的直线运输设备，在2 0 0 0 年加利福尼亚阿纳海姆传感器 与运动控制博览会上获最佳展示奖，该公司目前正在研究抗磁性悬浮 无轴叶轮气体流量计：美国的e x e if i l a t o v 提出了一种基于抗磁性悬 浮的新型磁轴承；美国国家地震信息中心与科罗拉多矿业学院则联 合研制出抗磁性悬浮高精度地震仪m ：目前，美国阿贡国家实验室 ( a r g o l l n en a t i o n a lh b o r a t o r y ) 正在在能源部支持下对无源抗磁性悬 浮轴承的大型化进行研究“1 。 7 北京交通大学硕士论文 1 4 论文的工作内容和工作方案 ( 1 ) 工作内容 1 纯抗磁性悬浮情况下悬浮力计算以及偏置磁场强度与转子悬 浮力的关系； 2 转子受力变化情况下抗磁性悬浮稳定极限： 3 高速旋转工况下悬浮转子永久磁铁与抗磁质板、偏置磁铁之 间的电磁力： 4 电磁反馈与抗磁性悬浮混合作用下的悬浮稳定性分析； 5 样机的设计和仿真、实验。 ( 2 ) 工作方案 1 建立数学模型，包括纯抗磁性悬浮、电磁与抗磁性混合悬浮 的数学模型； 2 通过电磁场有限元计算分析悬浮力； 3 系统动态数字仿真； 4 制成样机： 5 实验验证。 8 北京交通大学硕士论文 第2 章抗磁性悬浮装置的设计 2 1 抗磁悬浮装置 由e 砌s h a w 定理得知，如果我们把磁铁放入具有偏置磁体的磁场 中，磁场力与重力平衡，磁铁能够垂直方向稳定，辐向不稳定。 抗磁悬浮的要求之一是必须有一个强的偏置磁场，本装置的偏置 磁体采用钕铁硼永磁材料，钕铁硼永磁材料的剩磁比较大，能够产生 很强的磁力。因为抗磁稳定悬浮的悬浮力比较小，悬浮体也采用钕铁 硼材料，这样在同样重量的情况下磁力比较大，容易做到磁悬浮。 抗磁悬浮装置的结构示意图如图2 1 所示：是由偏置磁体，悬浮 转子和抗磁体组成，偏置磁体是m3 5 木1 6 的n 3 8 h 柱形体，剩磁是 1 2 6 5 t ；悬浮转子是中6 术4 8 的n 3 5 h 柱形体，质量是1 0 1 0 5 克，剩磁 为1 2 3 5 t ；抗磁体是盘形的石墨材料，根据表卜1 ，其磁化率为一 o 0 0 0 1 6 。 抗磁盘和永磁体之间是相斥的，如果悬浮体向上偏移，上面的抗 磁盘会对它产生较大的斥力使其向下，如果悬浮体向下偏移，下面的 抗磁盘的斥力会增大使之向上运动，这样上下两个抗磁盘使悬浮体能 够稳定悬浮。 9 北京交通大学硕士论文 ，_ 呈l ir 毒毒；一， 活动支果 偏置意体 ， 抗蒜材辩 悬浮鼙俸 ， 执誊材料 图2 1 抗磁悬浮装置示意图 f i g 2 1t h ef r a m eo ft h el e v i i a t i o n 偏置磁体的高度可以通过调节螺栓上下调节，使得和悬浮转子之 间的磁力能够和转子的重力相平衡，抗磁材料的问隙也是可以调节 的，因为抗磁材料的位置影响转子悬浮旋转的稳定性，抗磁盘只有在 一定的位置，转子才能够达到平衡，这个问题将在下面章节进一步分 析。 2 2 永磁体稳定悬浮的条件 一可磁化的物体在外磁场b 中的磁场能是： 。三坐；三丝兰( 2 1 ) 2 2 盹 v 一一物体的体积 x 一一物体的磁化率 u 一物体的磁导率 若其悬浮的高度是z ，在真空中其总能量是： 1 0 ；莲 北京交通大学硬上论文 彤幂一委嫂+ m g z i 一 f b + m g z ( 2 2 ) 二 p o m 一一物体的质量 m 一一物体的磁矩 根据自由空间中磁场的无旋无散性，将磁场强度围绕悬浮点展 开”： 一划附( 肚詈灿扣2 丢茜呻2 + 】c z 吲 式中b 监。磐 d z a z 如果悬浮体能够保持稳定悬浮，则w 应该为零，( 2 3 ) 式中看出， 单凭磁场势能和重力势能w 不可能为零，所以悬浮体在没有外界约束 的情况下不可能稳定悬浮。我们引入抗磁体的作用，在悬浮体上下分 别加上一片抗磁体，引入参量c 。c 。，( 2 3 ) 式化为： 一m 附( 肚予z + 三茜川，2 + m c r r 2 ( 2 4 ) 这里r 2 = x 2 + y 2 ，c ，c 。是由于抗磁体的作用在辐向和轴向的参数。 磁场力和重力平衡，则第一个括号的值必须为零： 丑。堕( 2 5 ) 肘 垂直方向：c ：z 2 昙脚”z 2 ) o ，即： c 三j l 扭” o( 2 6 ) 1 1 北京交通大学硕士论文 水平方向：k v = c r 2 一 m 篆一口”) r 2 ，。 郫v _ c r + 删一匀，。 叫， 得出： 土伴1 z 。b ”。丝 ( 2 8 ) 2 b q mm 为稳定悬浮条件，其中c ：由抗磁体的材料性质决定。 q 和c 。是抗磁物质的影响元素，与抗磁体的磁导率成正比。c 。 表示抗磁体加设在轴向而产生的作用，c 。表示抗磁体加设在径向所产 生的作用。如果没有抗磁体，那么g = o ，c z = o 。由式2 7 看出，如果o c o 垂直方向能够稳定，那么水平方向磁体不能稳定。如果召”是正值并且 足够大，水平方向能够保持稳定，那么垂直方向不能稳定，所以必须 加入抗磁元素才有可能使悬浮体稳定悬浮。 当口” 0 并且足够大使得水平方向稳定k 。 o 。图2 2 中表示柱形 偏置磁体时k ，和k h 的情况，k 。表示没有抗磁作用时的曲线。当k 。k 。 两条曲线都是正值的时候，其包围区域就即是可能稳定悬浮的区域， 在这个区域中如果啪= m g ，就能够产生稳定悬浮。改变磁场强度或者 悬浮体的重量是可以达到这个条件的。 定区域 t y f u n c t i o n s k va n d l ( 1 l i n 北京交通大学硕士论文 图2 3 表示磁感应强度b 及口和口”的曲线，当b 与m g m 数值相等 的时候，磁场力和悬浮体的重力相等。 ， 一日 b ：一、_ _ 一m g 朋 图2 3b 、b 、b ”曲线 f i g 2 3c u r v eo fb 、口a n d b ” 通过调整磁感应强度可以调节b7 ，稳定区域的位置随者调整偏 置磁体的形状而变化，也就是说偏置磁体的形状影响稳定区域。 2 3 抗磁力计算和悬浮条件 2 。3 1 永磁体在抗磁介质中的镜像电流 将永磁悬浮体等效为电流环i ，从而计算永磁悬浮体所受的磁力。 假设悬浮体悬浮在两片抗磁体之间的中间位置，则其镜像电流环i 在 抗磁体的内部，悬浮体的高度是h ，下沿与抗磁体的距离为d ，则距离 i 为2 d + h ： 北京交通大学硕十论文 m 图2 4 抗磁性悬浮装置示意图 f i g 2 4t h ef r a m eo ft h ed i a m a g n e t i cl e v i t a t i 扛豢圜h 一 薅靛屯溅一 抗磁体 图2 5 抗磁体镜像法示意图 f i g 2 - 5g e o m e t r yf o rl h ei m a g ed i p o l e 抗磁悬浮的装置示意图2 4 中，偏置磁体和悬浮体之间的距离为 h ，两个抗磁体之间的距离为d ，则 d = 2 d + h 永磁悬浮体的等效电流可以表示为： ，。导 ( 2 9 ) 玎r 2 r 表示圆柱形永磁悬浮体的半径。 1 4 体 攮 髓 一 一 一 圈型矗、4 北京交通大学硕士论文 对于抗磁体的作用，运用镜像法，抗磁体磁化率为z ，其相对磁 导率为以，一一z + 1 ，根据分界面方程h 。一琏，和最。= 岛。得则其镜 像电流 i ：坐i ，：羔l 型( 2 一l o ) ”，+ lj 2 + x j z z 方向距离r 。处，由抗磁体作用产生的磁感应强度： 昨心器 ( 2 _ 1 1 ) s 悬浮体底面积 将公式( 2 1 0 ) 带入( 2 1 1 ) 中得： 民确嚣确等 c z 叫z ， 2 3 2 用偶极近似方法计算抗磁力 凼为悬浮体相对它和偏置磁体的距离和抗磁体来说比较小，计算 磁体之间的力和抗磁力可以将悬浮磁体等效为一个偶极予。 将磁感应强度从悬浮点展开为： 皿；岛+ 口z + 三口”。2 一三口”0 2 + y 2 ) + ( 2 1 3 ) 曰。一三b 工一! b ”托+ ( 2 1 4 ) 22 b ，一三占y 一三b ”弦+ 口。堡。粤( 2 1 5 ) a za z 如果是对称的圆柱形，围绕b ：展开： 北京交通大学硕上论文 e = 玩圳z + 冉丢，2 + - 口。一三曰t r 一! 占”，2 + ( 2 1 6 ) ，2i 工2 + y 2 图2 1 所示的装置中，悬浮体在两个抗磁体的中间位置时r i ：d ， 又由式( 2 一1 6 ) 、( 2 1 2 ) 得： 一= 警= 警 c z 一”， 由此产生的磁力： f ；玩皿= 日等幼月一彤警= 警c z 一，s ， 2 3 3 抗磁体作用参数c ：和抗磁距离的约束 本装置如图2 一l 中，抗磁盘加在轴向，其作用体现在c ；上。 公式( 2 4 ) 化为： 一肘附旷等) ：+ 三此2 + 丢差圳i ) r 2 + 】+ ( 2 1 9 ) 设稳定悬浮点为坐标原点，z = o ，此时悬浮体所受到的悬浮力和 重力平衡，来自上下抗磁片的抗磁力也是平衡的。当悬浮体在z 方向 产生一个小的偏移z 时由一片抗磁体的作用产生的恢复力： k ：堡z ；塑2 z ：些：i 到三( 2 2 0 ) a d a d玎d 因为存在上下两个抗磁体，所以悬浮体所受的恢复力应该是上述 的两倍。由抗磁体产生的力做功相当于( 2 4 ) 式中的c z 2 ，即有： 1 6 北京交通大学硕士论文 仃+ 南卜竽卅 c z 瑙， k ：r “1 1 d 日 j o 1 一七2s i n 2 口 e ：p 、匠面d e j 0 “蔫 f = 肛。_ ，( 1 v s g n ( y ) ) 咖 ( 2 3 0 ) i ，一瓜( 警刖邶) ) “。寿r - 芸+ 去， 蛳，引 ，丝。芝 ( 2 3 1 ) “了。丽 “ ，羔竺( 2 3 2 ) 2 n 冠。 由( 2 3 0 ) 式得出的悬浮转子所受到偏置磁体的磁力与距离的关 1 9 北京交通大学硕士论文 图2 9 运用a n s o f t 有限元计算得出的抗磁力与等效电流法理论计算的比较 f i g 2 9r e s u l tw “ha n s o f tc o m p a r et oi m a g ec u r r e n t 2 4 永磁体之间的磁力计算 永磁体之间力的计算比较复杂，可以借鉴上面的等效电流法。静 磁场中，两个磁偶极子之间的力： f = ( m v 妒 ( 2 3 3 ) m 是一个偶极子的磁矩，b 是由另一个偶极子产生的磁场的磁场 强度。等效电流为i 和i ，半径为r 和r 。的距离为z 的环形电流垂直 方向和水平方向的磁场力分别是“： 只u ，z ) 一1 2 笔墨胆【e “，乙局) 一e ( r 2 ，五z ，成) p 妒 ( 2 3 4 ) 只c r ，五z ，p ，。 丢苫丢眚e 昨p ，一k 阵p ， 。可石；：睾亭；冬每万c z s 5 ， 。【弓c o s 妒+ 工) 2 + ( 日s i n 妒) 2 】1 7 2 北京交通大学硕上论文 图2 1 4 转速滞后率和旋转频率的关系 f i g u r e2 - 1 4d e c a yr a t eo ft h em a g n e ta saf u n c t i o ni o t a t i o n a lf r e q u e n c y 2 7 悬浮实验和仿真 2 7 1 检测抗磁体 本实验中用的抗磁材料是石墨，因为石墨在加工过程中的纯度和 工艺不同，石墨的抗磁效果不同，如果石墨中的杂质过多，尤其是铁 杂质，对石墨的抗磁效果影响比较大。如果石墨的抗磁性很小，其效 果可能不明显。加工工艺对石墨的抗磁性影响也很大，热解石墨的抗 磁性比较强，是目前所知道的最好的固态抗磁体，与平面垂直的加工 工艺磁化率比较高，与平面平行的加工方法磁化率比较低，低于任意 方向的加工方法。 检验一个石墨样品是不是具有抗磁性的方法很简单，用一段细 线悬挂一个小的永磁块，慢慢靠近石墨，如果永磁块被轻微的排斥， 说明石墨具有抗磁性。 北京交通大学硕士论文 本试验中的悬浮体质量虽然很小，但是悬浮状态相当稳定。所测 得的石墨盘之间的间距d 与前面公式计算得出的数值比较符合，验证 了理论计算的正确性。 表2 1 实验与理论间距d 的比较 t a b l e2 1c o m p a r eb e t w e e ne x p e r i m e n tsa n dt h e o r yd 悬浮体 中1 0 5中8 木4中6 木4 8 0 5 率2 理论d ( )7 76 86 24 9 试验d ( m ) 7 5 6 7 6 24 8 2 7 3 抗磁性悬浮仿真 运用血s o f t 对抗磁悬浮进行了有限元的分析计算，图2 1 6 ( a ) 表示没有抗磁盘之前永磁体中磁场强度h 的分布情况，( b ) 表示加入 抗磁盘后h 的分布。可以看出加入抗磁盘使永磁的磁场强度削弱了， 这是因为抗磁物质放入强磁场中，产生一个与外磁场相反的弱磁场， 所以使得原磁场削弱，这与前面的分析结果是一致的。 ( a )( b ) 北京交通大学硕士论文 图2 一】6 抗磁物质存在前后永磁体的磁场强度分布图 f i g - 2 1 6t 1 i ed i s t r i b u t eo fl h ehi l h ep e 珊a n e n tw i t b o u ta n dw i t hd i a m a g n e l i s m s 图2 1 7 是用于a n s o f t 计算的悬浮模型，图2 1 8 是在抗磁体距离 为6 2 姗的情况下，运用a n s o f t 有限元的方法计算出的抗磁盘对悬 浮转子产生的作用力，这种方法与用解析式得出的结论是相一致的。 - 图2 17a n s o f t 的抗磁悬浮模型 f i g 2 一1 7t h em o d e lo fd i a m a g n e t i cl e v i t a t i o ni na n s o f t ，f 。d ，_ 图2 1 8 由抗磁体产生的轴承力和抗磁盘问距关系图 f i g 2 一坞r e l a t i o no f t h eb e a r i n gf o r c eb r o u g h tb yt h ed i a m a g n e t i c m a t e r i a l sa n dt h ed i s t a n c eo f t h et _ od i a m a g n e t i s m s 3 l 矗 。 北京交通大学硕士论文 由a n s o f t 得到的悬浮体所受的悬浮力和抗磁盘之间间距的关 系，运用一次插值得出的曲线如图2 一1 9 。 图2 1 9a n s o n 计算出的悬浮力插值曲线 f i g 2 一1 9t h ec u r v eo f1 e v i t a t i o nf o r c ee d u c e do fa n s o f t 图2 1 9 中f 表示悬浮体所受到的磁力，r 表示悬浮体悬浮高度， 由图可以看出力和悬浮高度不是线性变化的，这与试验的现象是一致 的，加入抗磁物质后，悬浮体可以在不同的高度稳定悬浮，稳定悬浮 的高度仿真结果和试验结果相符合，在o 1 ，1 0 5 ，2 o 高度的时候， 悬浮体均能稳定悬浮。 北京交通大学硕士论文 第三章用于开关磁阻电机的抗磁悬浮装置 我们已经得到了永磁体的稳定悬浮的模型，将这一结果应用到开 关磁阻电机中，将开关磁阻电机的转予做成一个能够完全悬浮旋转的 永磁体，运用上面所说的抗磁性悬浮的原理使转子悬浮起来，然后利 用开关磁阻的电机的原理使之旋转，形成抗磁性磁悬浮转子的开关磁 阻电机( 以下简称磁悬浮开关磁阻电机) ，因为受抗磁性悬浮力的约 束，电机转子非常小，这样形成一个悬浮转子的微型开关磁阻电机模 型，是一个微型电机。 3 1 微特电机的发展现状 微型机电系统在医疗、生物、精密仪器、环境保护、航天航空、 通讯、国防军工等自动化领域具有十分广阔的应用前景，因此目前很 受人们关注。 开关磁阻电机从2 0 世纪6 0 年代后期起，国外开始进行深入的 研究和论证。1 9 7 0 年左右，英国k e d s 大学电机和磁阻电机研究小组 首创了一台开关磁阻电机雏形进行实验研究，发表了许多论文。加拿 大、南斯拉夫在磁阻电机的运行理论、电磁场的分析计算等方面进行 很多研究。埃及对小功率的单相、二相磁阻电机的结构、起动性能等 方面进行了大量研究。美国采用磁阻电机作为飞机涡轮发动机的起动 发电机。 开关磁阻电动机( s r m ) 的结构简单、坚固，工作可靠，效率 高。开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 运行性能和经济指标比普通的 北京交通大学硕上论文 交流调速系统，甚至比晶闸管一直流电动机系统都好，其应用日益广 泛。由于结合抗磁性磁悬浮原理，使得磁悬浮开关磁阻电机成为一种 很有发展前途的新型微特电机。 随着社会、经济、文化的不断发展，家庭拥有小电机的数量己成 为一个国家经济、文化发展水平的标志。永磁直线振动电机应用领域 比较广泛，比如缝纫机、电梭、手机用振动电机、声频测试仪、空气 压缩机、打桩机、振动传输机等很多人们经常涉及的领域 3 2 磁悬浮转子微型开关磁阻电机的优点 抗磁性磁悬浮转子微型开关磁阻电机的优点是： ( i ) 可容许转子达到很高的转速。转子可以在超临界、每分钟数 十万转的工况下工作，其圆周速度只受转子材料强度的限制。 ( 2 ) 功耗小。 ( 3 ) 维护成本低，寿命长。由于转子是靠磁场力来悬浮的，相对 运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问 题，而电子元器件的可靠性在额定的工作条件下大大高于机械零部 件，所以抗磁悬浮磁阻电机的寿命和可靠性均远高于传统类型电机。 ( 4 ) 无需润滑，不存在润滑剂对环境的污染，在真空、辐射和禁止 润滑剂介质污染的应用场合，如真空技术、超净无菌室以及腐蚀性或 非常纯净的介质等，磁悬浮磁阻电机具有无可比拟的优势。在一般场 合，由于省掉了润滑油的存储、过滤、冷却和循环等设施，在价格和 占有很大的优势。 ( 5 ) 具有普通s r 电机的优点：电机结构十分简单，成本低廉，工 作可靠，易于维护；驱动系统( s r d ) 线路简单、可靠性高；起动转 矩大、低速性能良好；调速范围宽，控制灵活；能够四象限运行，具 北京交通大学硕士论文 有较强的再生制动能力。 ( 6 ) 具有微特电机的优点，体积小造价低，可适用于军事医疗 等特殊的工作环境等。 3 3 磁悬浮开关磁阻电机的基本结构 磁悬浮开关磁阻电机除了转子是永磁材料，能够悬浮以外，其基 本结构与普通的开关磁阻电机是基本一样的。遵循磁通总是要沿着磁 导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩一磁阻性质的电磁转 矩。因此，它的基本原则是转子旋转对磁路的磁胆要有尽可髓大的变 化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子形式，即所谓双凸 极结构，并且定转子极数不同。 由于开关磁阻电机一出现就受到了人们的广泛重视，二十多年 来，提出了各种电机结构方案，按相数分有单相、两相、三相和四相， 其中对三相和四相开关磁阻电机研究最为广泛。按照每极齿数分有单 齿和多齿结构，一般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大一些，但 其铁芯和主开关元件的开关频率和损耗也增加，这将限制开关磁阻电 机的高速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构。按气隙磁场分有 轴 x 北京交通大学硕士论文 及自动控制等技术，是机电一体化的新型调速电机系统。 3 1 三相6 ，4 极结构s r 电机截面图 3 2s r 电机结构图 f i g - 3 1t 1 l e c t i o no fas r mw i i h6 4p o 】e f i g 3 2t h ef r a m eo fas r m 3 4 抗磁悬浮转子开关磁阻电机的工作原理 当磁悬浮开关磁阻电机的转子能够悬浮起来以后，其工作原理与 普通的开关磁阻电机是基本一样的。开关磁阻电机的转矩式磁阻性 质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”：磁通总要沿着磁阻最小的路 径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。而且具有一定形状的铁心在 运动到最小磁阻的位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。如 果定子绕组中某一相通电流时，转子铁心就有了要与通电相定子齿齿 相对的趋势，图3 3 中，若定子a a ，相通电流时，所产生的此流就 要使转子旋转到转子轴线1 1 与定子a a 重合的位置，此处a 相 绕组的电感最大。当以图3 中定、转子所处的相对位置作为起始位置， 依次以a i b c a 为顺序给各相绕组通电，则转子就会逆时针旋转，反 之，若依次以b a - c - b 的顺序通电，转子就会沿着顺时针的方向旋转， 可见，磁阻电机的转向与电流方向无关，而仅仅取决于通电次序。 北京交通大学硕士论文 须根据磁储能或者磁共能来计算： 删) ；鼍笋k ( 3 - 3 ) 可见磁共能的变化取决于转子位移角和绕组电流的瞬时值。由于 磁路非线性的存在，式( 3 3 ) 的求解比较复杂，若忽略磁路的非线 性，假定电感同绕组电流无关，忽略磁路饱和与边缘效应的影响，则 ( 3 3 ) 式简化为： 删，t 善考 ( 3 4 ) 定子电感随转子位置变化曲线如图3 4 所示：电动机每转过3 6 0 度机械角，电感经历了同转子极数相同次数的周期变化，周期长度等 于转子极矩。 转子极矩t l t ( n 。m ) b o l l e 2 如 0 4 ll 石 lii 图3 4 相电感，转矩随转子位移角的变化 f j g 3 4t h ev a r i e t yo fp h 够ei d d u c t 如c ea n dt o r q u ew i t bt h ea n g l eo fd i s p l a c e m e t 北京交通大学硬士论文 式( 3 4 ) 可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图3 7 ( b ) 所示，这表明转矩的方向与电流的方向无关，仅仅取决于电感 随转角的变化情况。如在电感上升期间氓，q 】，相绕组通以电流，则 产生下转矩，处于电动机状态：如果在电感下降期间峨，吃l ，相绕组 通以电流，则产生负转矩，处于发电状态。因此，通过控制相绕组电 流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可控制s r 电机转矩的 大小和方向，实现电机的调速控制，这就是s r 电机的工作原理。 3 5 抗磁性悬浮转子开关磁阻电机的设计 抗磁性开关磁阻电机的设计是运用抗磁性悬浮的原理，使开关磁 阻电机的转子悬浮起来，运用开关磁阻电机的设计方法来设计出电机 的各种参数。 首先对开关磁阻电机的设计方法进行一个简单的介绍“。 3 5 1 开关磁阻电机的设计 开关磁阻电机的设计内容包括电机极数相数的确定，根据负荷要 求计算出电机的结构尺寸、绕组匝数。 电机的主要尺寸的确定与电磁负荷有直接关系，电机的电磁负荷 是指电机的电负荷a 和磁负荷玩，电机的电磁负荷还直接影响到电 机的运行特性、效率、温升等，也是电机设计中的主要参数。 s r 电机磁负荷的取值范围为 。f o 2 9 o 5 玎( 8 6 极) 1 1 0 3 6 o 6 万( 6 4 极) 对于中小型s r 电机，电负荷a 的取值范围为 北京交通大学硕士论文 a 毳掣耄理濞拦瓣“驰瓣酴醚囊? i 型晷戳剽莠；驰朔斡悬浮体i ；。氆 霪渲垡源巍霾磁铑? 鑫禄悬乎唇篓箱= 蘑弱 黼蠹 嚣 越，计目 耩蓥颡裂餐黧馨瞥轻爱形噻型茎；量蓦j 薹雾萎羹鬟薹量薹誊鼍 霎孽耋j 二 三。ti 蠹 。二= 彳 _ 。i 薹孽曩萋萋童霉毒誊曩茎薹、蔫 。幛1 李产生的能量萋 霎擎。 z 则抗磁体的作用参数为： c ，警 2 3 9 ) ( x 北京交通大学硕士论文 l 绕组端电压 s r 电机电源可以直接采用直流电源，或者采用交流经整流得到的 直流电源。如为工业驱动应用，通常采用单相或三相交流电源整流。 设u d 为全波整流后的直流电压，则 u d = 2 压 石 3 压 石 u 2 【，2 单相全波整流 三相全部整流 u 2 表示交流电源的相电流。根据功率交换器的不同结构形式，绕 组电压u 分别为u ；u d ，u = u d 2 。实际线路中，由于电容滤波器的 存在，电压较上式计算结果高一些。 2 气隙 s r 电机存在两个气隙。通常所说的气隙g 是指定、转子磁极表面 之间空气隙的距离，称为第一气隙，它的大小影响到最大电感k 。； 的值。另个气隙g i 是指定子磁极表面到转子槽底之间空气隙的距 离，称为第二气隙，它影响到最小电感l 。i 。的值。 气隙g 一般可取等于或略小于同容量异步电机的气隙。 为取得较低的最小电感，提高电机输出功率，第二气隙蜀应选取 较大，至少为气隙g 的2 0 3 0 倍，但亦不必过大选取，否则会导 致电机轴径不够或转子轭高度不够。一般取岛z ! 拿，岛的最后取值还 二 应根据轴径和转子轭实际尺寸来调整。 3 转子轭高 转子轭高h 。，应保证轭部铁心出现最大磁通密度时不会过饱和，为 此应 北京交通大学硕士论文 较好的取值是 f ，：( 1 2 1 4 ) 箕 ( 3 7 ) 在不影响转轴强度情况下，h 。还可取得更大一些。 4 轴径 当转子外径d 。，气隙g 、g i 和转子轭高确定后，轴径 d i = d i 一2 ( 一g ) 一2 j 0 ( 3 8 ) 轴径d t 不能过小，否则会影响到机械强度，导致转子振动和动偏 心、电机噪声大。在保证机械强度的前提下，取适当的轴径，以提供 较大的g i 和h 。，。一般取d i = ( 0 4 一o 5 ) d 口。 5 定子轭高 当选取转子轭高h 。一样，定子轭高l l c 。应保证轭部铁心出现最大 磁通密度时不过饱和，故定子轭高的取值是 k ；( l 2 “晦 ( 3 9 ) 较大的h 。有利于抑制电机的振动和噪声。从低噪声电机设计的角 度出发，取h 。= b o s 更合理。 6 定子槽深 为提供较大的绕组空间，采用大的导线截面以减小电机铜损耗， 定子槽深d 。应尽可能大。当定子外径d 。、转子外径d 。和定子轭高h 。 确定后，定子槽深d s 为 1 d 。一( d ，一见一2 9 一2 k ) ( 3 1 0 ) 二 7 每相绕组串联匝数 北京交通大学硕上论文 由妒。l 警眭又妒；时m 2 只见屯景得 2 嚣。哿 ( 3 1 1 ) 晚一一导通角 n o h 一一绕组匝数 1 在初取n p h 时，可考虑取见一去( 册r 一屏) 。 二 8 电流密度和槽满率 对给定的电机几何尺寸，绕组的有效空间也是一定的，槽满率k s 一般取o 3 5 o 5 。在保证额定输出功率且绕组空间允许的情况下，匝 数越多，绕组电流峰值越小，对降低开关管的伏安容量有利。确定绕 组匝数后，在决定导线截面时需要校核导线电流密度j ，对连续工作 制电机，一般j = 4 5 5 m m 2 。 i ，上。型丝 s 。s n s a 一一导线截面积 3 5 2 抗磁悬浮转子开关磁阻电机的设计 ( 3 1 2 ) 在以上理论分析的基础上，运用抗磁性磁悬浮的方法结合开关磁 阻电机的设计，设计小功率模型机。将开关磁阻电机的转子轴做成永 磁材质，其磁化方向是上下的，这样就能够使之完全无接触悬浮旋转， 其结构原理如图3 5 所示 因为抗磁悬浮的物质，强落醯鸶嚣舔 一15 抗磁悬浮实验图 北京交通大学硕士论文 玩t o s o s 等观s o s + 器q 7 - o s 。仃 b 。一一定子磁极平均磁通密度一般取值为1 3 1 7 t ，此处取为 1 7 t ，对于6 4 极电机，电机磁负荷的取值范围在0 3 6 o 6 2 t 1 4 、定子极间窗口面积 & - 丢专【譬一埘一e + g ) 2 】一三吐 专詈【譬也s z ) 2 - 薯+ o 3 ) 2 】专4 脚o s ，1 1 7 3 4 m m 2 1 5 、定子导线所占面积瓯 s 曲l t s 。= 0 7 5 + 1 1 7 3 4 = 8 8 m m 2 七，是定子槽满率，一般取在o 3 5 o 5 ，因为本设计中槽比较 小，使屯取大一些，使绕组稍大，便于计算。 1 6 、电磁负荷a s c u 州一l 峨与吨畿一等 n 。h 一一绕组匝数 j 一一电流密度j = 4 5 5 a m m 2 爿丝墨：璺：! ：! ：i ，3 3 刚，m 石d d 3 1 4 1 4 1 7 、电磁功率p 。 由式( 3 1 1 ) 北京交通大学硕士论文 ；! ：q 生旦坚堡； ! ：旦! ：丝：q ：! ! ! ：1 5 4 2 【， ” ，l 玩见 1 0 0 0 0 + o 5 0 1 + 0 0 1 4 + 1 0 5 + o 0 0 5 6 由1 6 知：一手；屯则1 5 4 2 u 号= 8 8 得u i = 3 1 4 w 名= u i 。= u 西= 4 4 4 1 8 、额定功率p n 由匕。品半得p n = 3 9 4 7 w 埘 1 9 、校验转子外径d 。 咖o s 训。嚣等- 鲁 k j 一一绕组峰值电流系数0 4 8 0 5 1 一般取0 5 k 。一一方波电流系数1 此处取o 7 1 d ，。 垒：堡生 。 鱼：! ：壁：! ：兰：竺 ：2 7 4 4 。一e 4 1 0 5 a 只4 k n 1 0 5 + o 4 0 5 0 1 3 3 0 3 + o 7 1 + 1 0 0 0 0 d 。= 1 4 o 伽咖m 达到假设条件 二、绕组设计 2 0 、确定绕组端电压u 、电流l 、匝数n d b 由1 7 知u l = 3 1 4 w n d h = 1 5 4 2 u 可以选择匝数为3 0 匝，得出i = 1 6 1 3 au = 1 9 5 v 绕线截面：疋一手- 等一。2 9 锄m 2 取为o 3 m m 2 ，线径为o 6 2 m m 整流后的电压u d ：u = 1 1 粤得u d = 3 5 4 v 2 1 、绕组平均匝长 4 8 北京交通大学硕士论文 州见嘞) s i 畴 州o 3 ) s ；n 詈一扣0 2 4 = 5 2 8 8 m m 口= 6 。+ k = 4 0 2 4 + 5 2 8 8 = 9 3 1 2 如m 3 6 励磁绕组 f i g 3 - 6e x d t a l i o c o i l s 6 一l + 2 + 2 o 6 2 + 虬 - 5 6 + 1 2 4 + 5 2 8 8 1 3 3 6 8 m m r 乩6 2 +