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环形永磁体磁悬浮系统的比较
最近,人们对磁悬浮的兴趣越来越大。就这些设想而言,开发了许多使用磁悬浮的应用。在本文中,参考模型由四个电磁铁和永磁体组成,仅使用永磁体替换为两种类型的磁悬浮系统:基于吸引力的悬浮和基于排斥的悬浮。并采用有限元法分析了两种磁悬浮系统,比较了垂直和横向的稳定性。分析结果表明了为应用目的选择适当类型的磁悬浮的指导原则。
索引术语-有限元法(FEM),磁悬浮,排斥磁悬浮。
Ⅰ.引言
最近,人们越来越关注磁悬浮系统,如超循环和磁悬浮列车。关于这些设想,磁悬浮的研究已经在各个领域中积极进行,并且开发了使用磁悬浮技术的应用[1]。特别是由于其低摩擦特性,它被用于运输工作。此外,因为它通过使物体悬浮在空中来吸引注意力,所以还用于展示商品或室内设计。
磁悬浮系统分为两类:吸引磁悬浮,称为电磁悬浮,另一类是排斥磁悬浮。顾名思义,吸引磁悬浮系统可以通过支撑线圈和电磁铁之间的吸引力来建立,并且排斥磁悬浮系统可以通过由相同极性的两个磁体产生的排斥力来建立。两种方法根据目的不同地应用,即使它应用于相同的场,例如磁悬浮列车。例如,吸引力类型适用于中速到低速,而排斥类型适用于高速[2],[3]。
如图1所示的参考模型采用排斥磁悬浮系统。它包括将几个电磁铁放在基座的中心,使物体悬浮在空气中。该系统具有以下优点:通过测量霍尔传感器处的磁场,并通过反馈控制每个电磁铁的电流,可以执行更稳定的悬浮。大多数先前的研究通过采用这种方法建立稳定的浮选条件[4],[5]。然而,该方法需要外部电源来驱动电磁铁,这增加了整个系统的尺寸。另外,需要单独的控制板来控制通过线圈的电流反馈,并且由于电磁线圈的铜损耗降低了系统的效率。
图1.使用磁悬浮技术的商业产品
在本文中,应用排斥型悬浮的基本原理,通过用永磁体替换中心电磁铁,引入了仅使用永磁体的两种磁悬浮系统。在每种类型的系统中,通过使用商业有限元方法(FEM)工具来比较和分析相对于垂直和横向外力的稳定性。
Ⅱ. 两种类型的排斥磁悬浮系统
维持磁悬浮状态的条件:中心磁体和环形磁体(基座)和悬浮物体之间的排斥力Fr必须等于吸引力Fa和重力Fg的总和[6]。基于这种想法,可以建议使用两种类型的悬浮系统,如图2所示:基于吸引力的悬浮(ABL)和基于排斥的悬浮(RBL)。ABL使用中心磁体和悬浮物体的磁体之间的排斥力。相反,RBL使用环形磁铁和悬浮物体之间的磁性排斥力。图2(a)示出了环形磁铁和浮动磁铁的吸引力。在中心磁体和浮动磁体之间的排斥力等于或大于吸引力和重力之和的一定高度处,磁悬浮是可行的。
图2.磁悬浮系统的概念图(a)ABL (b)RBL
如果浮动磁铁的位置通过外力从中心移开,则由于定向环型磁铁的吸引力,它将破坏平衡。也就是说,保持抵抗外力的平衡的恢复力具有负值,并且不能保持浮动状态。
另一方面,在RBL处,环形磁铁和悬浮磁铁之间在一定高度处的排斥力也是矢量的总和。当吸引力和重力的总和等于或大于排斥力时,可以漂浮。当外力作用在RBL的悬浮物体上远离中心位置的方向时,如前一种情况那样,环形磁铁和浮动磁铁之间的排斥力作用在浮动磁铁上,与之相反。外力作用在恢复中心方向。
图3显示了两种悬浮系统在垂直和横向偏心方面的能量分布。
图3.磁悬浮中相对于位移的概念能量分布 (a)ABL的垂直方向
(b)ABL的横向(c)RBL的垂直方向(d)RBL的横向方向
图3(a)和(c)分别表示ABL和RBL的浮动磁铁位于垂直方向时的能量。在图3(a)的情况下,即使外力作用在悬浮物体上,也趋于稳定在稳定点。然而,在图3(c)的情况下,即使将斜率设定为零,也表示由于轻微的外力,系统可能不稳定。类似地,图3(b)和(d)表示当每个浮动磁铁处于从中心到左右的位置时的能量。与上述情况相反,图3(b)表明它是不稳定的,图3(d)表明它是一个稳定的横向外力系统[7]。
Ⅲ. 研究模型的测量
如前所述,参考模型由圆形站组成,其用作磁悬浮基座和悬浮物体。站点和悬浮物体的重量分别为2.4和0.48kg。参考模型的特征总结在表I中。
表I
参考模型的特征
由于拆卸了参考模型的测量结果,它由环形永久静止磁铁,底座上的四个电磁铁,中心的控制板和扬声器的永久磁铁组成。图4显示了拆卸的结果。每种成分的测量结果列于表II中。
图4.参考模型的拆卸部件 - 摆脱壳体,基座部件,环形磁铁,电磁铁和控制板,电磁铁线圈和悬浮物体的永久磁铁(顺时针)
表II 参考模型的测量
使用图5中的高斯计测量每个组件的磁通密度,以分析参考模型的磁场分布。从图6中可以看出,参考模型采用ABL,其使用两种类型的排斥磁悬浮系统中的中心磁体和悬浮磁体之间的排斥力。
如上所述,ABL在垂直方向上是稳定的,但在左右方向上是不稳定的。
图5.使用高斯计测量磁通密度
图6.磁通密度的MATLAB图 (a)悬浮物体
(b)仅限车站(开启状态) (c)在悬浮期间
Ⅳ. 磁悬浮系统的建模
现在接着设计用一个永磁体替换位于基站中心的四个电磁铁。 磁悬浮系统的特性,如悬浮力和恢复力对于设计变量是可变的,磁悬浮系统的设计变量如图7所示。
图7.磁悬浮系统的设计变量
由于它是基于参考模型的设计,因此基座的尺寸同样受到限制。 然而,为了对磁悬浮点应用有效磁流,它设置了永久磁铁的材料和悬浮磁铁的特定值-尺寸,如表III所示。
表III设计参数的约束条件
V.建模和模拟
基于前一章中设定的限制,两种类型的磁悬浮系统仅使用永磁体建模。由于两种类型的悬浮条件不能满足相同的规模,因此给出了ABL和RBL的设计尺寸。
A.基于吸引力的悬浮
ABL的设计参数如表IV所示。该系统使用商用FEM工具建模,并且当使用垂直和横向方向位移执行模拟时,根据每个方向位移绘制能量,如图8所示。
表IV ABL设计部分
图8.沿(a)垂直方向和(b)横向的能量图
由于磁密度分布与垂直方向的非线性,在前面的概念图中看不到理想的V形或U形曲线,但最小点接近47 mm,这使得该部分具有稳定性。另一方面,横向在中心部分具有最大值,这表明它是一个不稳定的系统,其中可以设定位置但是容易失去抵抗外力的稳定性。根据高度的恢复力,这是ABL的优点,如图9所示。
图9.相对于垂直方向的恢复力
当悬浮物体位于离地面约48mm时,相对于高度的恢复力居中。 如果提升体的位置低于此位置,则施加悬浮力,并且当提升体的位置高于48mm时,施加吸引力。因此,当从外部施加向上和向下的力时,不同方向的恢复力根据高度作用,并且整个系统朝向稳定点逐渐稳定。
B.基于排斥的悬浮
设计参数如表V所示。同样,当使用垂直和横向方向位移进行模拟时,沿每个方向位移绘制能量。
表V RBL设计部分
出于同样的原因,根据高度的能量图与理想的能量图大不相同,然而,横向能量图显示U形曲线整体形成,因此即使力从外部施加,也可以恢复 强制行动以恢复原状。根据径向距离的恢复力,这是RBL的优点,如图11所示。
它与前面的图9相同。当悬浮物体位于中心位移0mm时,系统稳定。但是,如果身体沿横向移动,则施加恢复力。力的方向与运动的方向完全相反。
图10.沿(a)垂直方向和(b)横向的能量图
图11.相对于横向位移的恢复力
VI.结论
在本文中,我们提出了两种仅使用基于商用产品的永磁体的磁悬浮系统,它构造了一个在中心使用四个电磁铁的磁悬浮系统。使用有限元法分析了两种类型的磁悬浮系统,定义为ABL和RBL,并与实验测量结果进行了比较。预期分析结果有助于选择适合于使用磁悬浮系统的目的类型。
参考文献
[1] M. N. O. Sadiku and C. M. Akujuobi, “Magnetic levitation,” IEEE Potentials, vol. 25, no. 2, pp. 41–42, Mar. 2006.
[2] J. L. He, Z. Wang, D. M. Rote, and S. Winkelman, “Investigation of the stability of AC repulsive-force levitation systems for lowspeed maglev,” IEEE Trans. Magn., vol. 28, no. 5, pp. 3315–3317, Sep. 1992.
[3] R. J. Hill, “Teaching electrodynamic levitation theory,” IEEE Trans. Educ., vol. 33, no. 4, pp. 346–354, Nov. 1990. [4] C.-M. Huang and J.-Y. Yen, “Servo design for a high stiffness linear repulsive magnetic-levitation bearing,” in Proc. Amer. Control Conf., vol. 1, San Diego, CA, USA, Jun. 1999, pp. 603–607.
[5] M. Lahdo, T. Strouml;hla, and S. Kovalev, “Repulsive magnetic levitation force calculation for a high precision 6-DoF magnetic levitation positioning system,” IEEE Trans. Magn., vol. 53, no. 3, Mar. 2017, Art. no. 7200106.
[6] J. Tsui, D. Iden, K. Strnat, and A. Evers, “The effect of intrinsic magnetic properties on permanent magnet repulsion,” IEEE Trans. Magn., vol. MAG-8, no. 2, pp. 188–194, Jun. 1972.
[7] M. S. Sarma and M. K. Pathak, Electric Machines: Steady-State Theory and Dynamic Performance. Boston, MA, USA: Cengage Learning, 1994.
一种新型磁悬浮系统的设计、实现和非线性控制
摘要:本文研究了磁悬浮列车新型磁悬浮系统的设计、实现和非线性速度跟踪控制。所提出的系统仅使用一个管状线性感应电动机来产生磁悬浮系统所需的三个力:推进力、悬浮力和引导力。另一方面,经典磁悬浮系统是由一个单独的力生成系统来构建这三种力中的每一种力。本方案所提出的系统另一个好处是,不需要控制引导力,尤其是悬浮力。这是磁悬浮系统中最具挑战性的任务之一。系统在运行期间始终使运动部件居中,并且无需控制悬浮和引导力。然而,由于直线感应电动机具有非线性系统动力学特性,因此其推进力需要一定的控制力。本文基于电磁发射器的成熟理论,特别是线性感应发射器类型,给出了一个简明的设计准则。它解释了实现过程,显示了实验测试结果,最后,为所提出的系统提出了一个非线性部分状态反馈控制器。
索引术语-电磁发射器(EML),线性感应发射器(LIL),磁悬浮(磁悬浮)列车,非线性控制。
I.引言
磁悬浮技术消除了移动和静止部件之间的机械接触,这意味着该技术还消除了摩擦问题。因此,其被应用于许多领域,如磁力轴承[1],隔振[2]和高速铁路运输[3]。磁悬浮列车为陆地、空中和传统铁路运输提供了可行的替代方案。特别是它们可以作为大规模运输以及高速和环保要求的可靠选择。因为它是第一次提出的[4],所以可以找到许多不同的研究,其中更成熟的研究通常基于[5]-[7],磁悬浮系统基本上必须产生三种力:推动移动部分向前的推动力,提升运动部分的悬浮力,最后是避免脱轨的引导力。一般而言,传统的磁悬浮系统使用三个独立的力产生系统来产生这些力。这意味着系统的操作需要许多传感器以及驱动和控制系统。然而,由Levi和Zabar[8]申请专利并且专注于线性感应发射器(LIL)[9]用于磁悬浮系统的新型拓扑结构提出仅使用一个线性感应电动机来产生三种力。LIL的操作理论和实验结果[10]表明,所提出的系统在运行过程中使运动部件居中,这消除了控制悬浮和引导力的必要性。
LIL是一种空芯线圈枪,其工作原理与直线感应电机相同。它由两个主要部分组成:静止部分,称为圆筒,由以多相方式激励的线性阵列驱动线圈组成,以产生行进的磁波;以及称为套筒的移动部分,由包围弹丸的空心铝圆柱[11]。驱动线圈中多相电流产生的行波磁波在弹丸中产生电流,行波磁波与弹丸中感应电流之间的相互作用产生推力,如图1所示。
图1 LIL的横截面
行星磁波与射弹中诱发的方位角电流之间的相互作用不仅产生推进力,还产生径向力。后者在运输过程中将射弹置于中心[11]。对LIL的兴趣是由于它提供的好处:射弹沿枪管的定心和引导,提高了枪管的耐久性;成本低和结构简单。这些优势,特别是系统始终以运动部件为中心的优势,使这一理念能够以创新的方式用于磁悬浮系统。图2显示了受LI
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