電磁懸浮混合勵磁系統的分析與設計

馮豐，林小玲

(上海大學，上海200072)

    摘要：磁浮球是典型的電磁懸浮系統，由于電磁線圈的電感特性影啊了系統的響應速度，造成系統難以穩定懸浮。對磁浮球的混合勵磁系統進行了分析和設計，得到了相應的數學模型，同時給出了系統結構參數的確定方法。研究結果應用于磁浮球不僅可以減小系統電感，提高系統的控制響應速度，增強系統的穩定性，而且能夠大大降低系統功耗。

    關鍵詞：電磁懸浮；混合勵磁；磁路計算；結構設計

    中圖分類號：TM301．4+4  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0010—04

0前言

    現代磁懸浮技術起源于德國，20世紀70年代以后取得了迅速的發展，由于其無接觸的特點，避免了物體之間的摩擦和損耗，可以延長設備的使用壽命，改善設備的運行條件，因而在交通、冶金、機械、電機與電器、材料等方面擁有廣泛的應用前景和研究價值。隨著上海浦東磁懸浮列車成功建成并順利投入商業運營，人們對于這門新興技術給予更多的關注。

    磁懸浮系統擁有常導電磁吸力懸浮(ElectricalMagnetic Suspension，EMS)、超導電動斥力懸浮(E-lectro dynamics suspension，EDs)、****磁鐵懸浮(Permanent Magnet suspenslon，PMs)三種基本的懸浮方式。磁浮球是磁懸浮技術的一種具體應用，其基本原理是利用系統勵磁裝置產生的磁場對鐵質懸浮體的磁吸力克服其重力來實現懸浮。通常采用EMs方式，采用電磁鐵提供磁場，通過改變電磁鐵線圈中的電流來改變磁場大小，進而調整對懸浮球的磁吸力以維持系統的穩定懸浮。由于電磁線圈的電感特性影晌了系統控制的響應速度，系統難以穩定懸浮，而且懸浮時電磁鐵的功耗璉王不容忽視，故對磁浮球采用混合勵磁系統，即永磁鐵和電磁鐵共同提供懸浮所需的磁場，在提供相同勵磁容量的情況下，可以減少電磁鐵線圈的匝數，進而減小系統電感，提高系統響應速度，增強系統的穩定性，同時降低系統功耗。

1混合勵磁系統的數學模型

    本文研究和探討的混合勵磁系統如圖1所示，并做如下假設：

    (1)在力學方面，將懸浮體作為簡單質點，其受力僅為豎直向上的磁吸力和豎直向下的重力，同時認為其所受的擾動外力也僅僅作用在豎直方向上；

    (2)磁路中鐵磁材料的磁導率無窮大，磁勢均勻地分布在氣隙上，同時忽略系統的漏磁。

    圖l中的參數如下：兩個電磁鐵線圈的匝數均為N匝，施加的電壓、電流分別為u₁(t)、i1，(t)，u₂(t)、t₂(t)，電壓、電流的方向與永磁鐵的極性如圖中所示，永磁鐵的剩余磁感應強度為Br，矯頑力為Hc0結構中心軸對稱，中央端鐵心的截面積為S_m(是“E”型結構框架兩端鐵心截面積的兩倍)，永磁鐵磁鋼厚度為L_m，懸浮體的質量為m，重力加速度為g。

    兩個電磁鐵線圈的供電方式有以下三種：(1)串聯后由一組功率開關電路控制供電，(2)并聯后由一組功率開關電路控制供電，(3)分別由兩組功率開關電路控制供電。

    三種供電方式的等效電路如圖2所示。取圖中R₁=R₂=R，L₁=L₂=L(x)，則圖2的等效電路的總電阻和總電感分別為

    考慮到磁浮球混合勵磁系統的主要目標是減少系統電感和降低系統功耗，以及供電方式實現的方便性。選擇圖2b的方式，即將兩個電磁鐵線圈并聯后由一組功率開關電路控制供電，在這種供電方式下保證兩個電磁鐵所產生的磁勢在系統結構中為并聯關系，取1/2i₀(t)=i(t)，則u₁(t)=u₂(t)=u(t)，i₁(t)=i₂(t)=i(t)，混合勵磁系統的等效磁路模型如圖3所示。

其中：G₁、G₂分別是兩個電磁鐵磁極工作氣隙的磁導，R₀是永磁鐵的內磁阻，G_m是永磁鐵磁極