电磁悬浮混合励磁系统的分析与设计

冯丰，林小玲

(上海大学，上海200072)

    摘要：磁浮球是典型的电磁悬浮系统，由于电磁线圈的电感特性影啊了系统的响应速度，造成系统难以稳定悬浮。对磁浮球的混合励磁系统进行了分析和设计，得到了相应的数学模型，同时给出了系统结构参数的确定方法。研究结果应用于磁浮球不仅可以减小系统电感，提高系统的控制响应速度，增强系统的稳定性，而且能够大大降低系统功耗。

    关键词：电磁悬浮；混合励磁；磁路计算；结构设计

    中图分类号：TM301．4+4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0010—04

0前言

    现代磁悬浮技术起源于德国，20世纪70年代以后取得了迅速的发展，由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和损耗，可以延长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、冶金、机械、电机与电器、材料等方面拥有广泛的应用前景和研究价值。随着上海浦东磁悬浮列车成功建成并顺利投入商业运营，人们对于这门新兴技术给予更多的关注。

    磁悬浮系统拥有常导电磁吸力悬浮(ElectricalMagnetic Suspension，EMS)、超导电动斥力悬浮(E-lectro dynamics suspension，EDs)、****磁铁悬浮(Permanent Magnet suspenslon，PMs)三种基本的悬浮方式。磁浮球是磁悬浮技术的一种具体应用，其基本原理是利用系统励磁装置产生的磁场对铁质悬浮体的磁吸力克服其重力来实现悬浮。通常采用EMs方式，采用电磁铁提供磁场，通过改变电磁铁线圈中的电流来改变磁场大小，进而调整对悬浮球的磁吸力以维持系统的稳定悬浮。由于电磁线圈的电感特性影晌了系统控制的响应速度，系统难以稳定悬浮，而且悬浮时电磁铁的功耗琏王不容忽视，故对磁浮球采用混合励磁系统，即永磁铁和电磁铁共同提供悬浮所需的磁场，在提供相同励磁容量的情况下，可以减少电磁铁线圈的匝数，进而减小系统电感，提高系统响应速度，增强系统的稳定性，同时降低系统功耗。

1混合励磁系统的数学模型

    本文研究和探讨的混合励磁系统如图1所示，并做如下假设：

    (1)在力学方面，将悬浮体作为简单质点，其受力仅为竖直向上的磁吸力和竖直向下的重力，同时认为其所受的扰动外力也仅仅作用在竖直方向上；

    (2)磁路中铁磁材料的磁导率无穷大，磁势均匀地分布在气隙上，同时忽略系统的漏磁。

    图l中的参数如下：两个电磁铁线圈的匝数均为N匝，施加的电压、电流分别为u₁(t)、i1，(t)，u₂(t)、t₂(t)，电压、电流的方向与永磁铁的极性如图中所示，永磁铁的剩余磁感应强度为Br，矫顽力为Hc0结构中心轴对称，中央端铁心的截面积为S_m(是“E”型结构框架两端铁心截面积的两倍)，永磁铁磁钢厚度为L_m，悬浮体的质量为m，重力加速度为g。

    两个电磁铁线圈的供电方式有以下三种：(1)串联后由一组功率开关电路控制供电，(2)并联后由一组功率开关电路控制供电，(3)分别由两组功率开关电路控制供电。

    三种供电方式的等效电路如图2所示。取图中R₁=R₂=R，L₁=L₂=L(x)，则图2的等效电路的总电阻和总电感分别为

    考虑到磁浮球混合励磁系统的主要目标是减少系统电感和降低系统功耗，以及供电方式实现的方便性。选择图2b的方式，即将两个电磁铁线圈并联后由一组功率开关电路控制供电，在这种供电方式下保证两个电磁铁所产生的磁势在系统结构中为并联关系，取1/2i₀(t)=i(t)，则u₁(t)=u₂(t)=u(t)，i₁(t)=i₂(t)=i(t)，混合励磁系统的等效磁路模型如图3所示。

其中：G₁、G₂分别是两个电磁铁磁极工作气隙的磁导，R₀是永磁铁的内磁阻，G_m是永磁铁磁极