大型磁悬浮地球仪结构设计及磁场分析

    经过100多年的探索,磁悬浮技术已发展成为一种高新技术,广泛用于军事、空间站、核工业、能源、化工和交通等领域,其具有代表性的应用有磁悬浮列车、磁悬浮天平、磁力轴承、磁悬浮导轨和半导体工业中的芯片传送系统等^[1-2]。磁悬浮技术的磁悬体与支撑体之间无任何机械接触,克服了机械摩擦所引起的能量消耗量大和速度限制等问题,具有控制精度高、无接触、无磨损、无噪声、无污染、寿命长、无速度限制和低功耗等优点^[3]。因此,磁悬浮技术仍然是当今世界各国的研究热点。为了展示磁悬浮技术,同时使地球仪这一传统的教学用品走出课堂,成为既实用又具观赏价值的工艺品,特别是作为公众场所进行科普教育的典雅装饰品,笔者研制了大型磁悬浮地球仪。

    大型磁悬浮地球仪的不同结构,会影响磁路及磁场的分布和磁场强度的改变,若结构不合理,会导致电磁控制难度相应增大。笔者根据电磁理论,介绍了永磁电磁混合磁悬浮地球仪的工作原理,通过ANSYS仿真,并分析了不同结构的大型磁悬浮地球仪的磁路变化及磁场分布,设计出了结构较优的大型磁悬浮地球仪,并进行了实物实验数据的验证。

    1　工作原理

    如图1所示,该磁悬浮地球仪由地球仪、铁芯、线圈、永磁体、霍尔传感器和功放系统等部件组成。电磁铁线圈绕组通以一定的电流就会产生电磁力,控制电流的大小就可以改变电磁力大小,使电磁力与永磁力的合力平衡地球仪的重力,以使地球仪保持平衡状态而悬浮于空中。

    由于电磁铁与永磁体之间磁场力的大小与它们之间的距离成反比,为了避免地球仪因受到轻微的外界扰动而失去平衡,掉下来或者被电磁铁吸上去,该系统实现闭环控制。为了实现地球仪的稳定悬浮,采用线圈绕组下方安放的霍尔传感器测量地球仪与电磁铁之间的磁场强弱,以电压的形式反馈到PID控制器, PID控制器将控制电压输送到功放电路,功放电路改变输出控制电流的大小,从而改变电磁力的大小以保持地球仪的动态平衡和稳定悬浮。

    2　系统数学模型

    2.1　磁悬浮地球仪简化模型

    磁悬浮地球仪简化模型如图2所示,在竖直方向处于平衡状态时,地球仪受到混合磁场力和重力的作用。由于受力点集中在永磁体上面,因此图示用永磁体代替地球仪。地球仪在竖直方向的动力学方程可以描述如下:

    其中,磁场力F与电流i和位移x有关,当地球仪处于平衡状态时,偏置电流为i0,气隙为x0,得:

    对于空气隙悬浮,忽略永磁体的内阻隙、漏磁等情况,只考虑均匀气隙,因此永磁体产生的磁感应强度与真空磁导率μ0、永磁体等效磁势(iw)_m以及气隙x有关;线圈绕组产生电磁场,其磁感应强度与真空磁导率μ₀、匝数n、控制电流i、有效磁极面积s以及气隙x有关。电磁与永磁耦合,产生混合磁感应强度,混合磁场力^[4]的计算如下: