第10期 2017年10月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)10002703
D0I : 10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 10. 006
No.10 Oct.2017
永磁悬浮磁力驱动装置的零功率特性优化设计
孙凤周冉，金俊杰，李强，徐方超，韦伟，金嘉琦
（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）
摘要：根据永磁悬浮磁力驱动装置的磁势周期性变化规律，结合其特有的结构，在保证提供的悬浮力满足实验条件的基础上，以装置中电机轴上的扭矩趋于零作为优化设计的目的，对该永磁悬浮磁力驱动装置进行结构上的优化设计，建立了优化后装置的仿真模型，并采用有限元方法计算不同优化条件下，磁力驱动装置的零功率特性及驱动力特性。对比分析结果表明：经过两次优化设计后的装
置与原装置相比，负载转矩明显减小，已经达到了零功率特性优化设计的要求。关键词：零功率；永磁悬浮；有限元分析
中图分类号：TH166；TG506
文献标识码：A
Design on Zero-power Performance of a Magnetic Driving
Device Using Permanent Magnetic Suspension
SUN Feng,ZHOU Ran,JIN Jun-jie,LI Qiang,XU Fang-chao,WEI Wei,JIN Jia-qi
(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract: The magnetic driving device using permanent magnetic suspension has unique structure, which leads to produce the regularity of the magnetic potential. Based on the assumption that the levitation force sat-isfies the experimental conditions, the goal of the optimization design is that the torque on the motor shaft tends to zero. In order to reduce the load torque on the motor shaft, to improve its working efficiency, to re-duce the power consumption effect, zero power permanent magnet suspension system with flux path control is carried out, and the simulation model of the optimized device is established in this paper. The zero power per-formance and driving force performance of the magnetic device are analyzed by finite element method, and by analyzing the movement and the forces of the device, dynamic model and spatial expression of the device are established. In order to study the dynamic response of the system under disturbances and verify the reliability and robustness of the system, the system is controlled by cascade control. The inner loop adopts PD regulator, and the outer loop adopts PID regulator. Simulation analysis show that the load torque is obviously reduced compared with the original device, new device has reached the requirement of zero power performance optimi-
zation design, and the system can be stably suspended after a brief adjustment under disturbances Key words: zero power; permanent magnetic suspension; finite element analysis
0引言
永磁悬浮技术具有结构紧凑、磁密度大、不发热的特点，目前应用范围很广，如永磁电机、永磁悬浮装置等[1-3]。与此同时在无尘领域永磁悬浮技术也逐渐被应用，为了达到节约能源、降低成本的目的，一种永磁悬浮无尘传送系统被提出[4]，该系统是通过改变系统中径向磁化的盘状永磁铁的旋转角度来改变通过悬浮物的磁通量[5-6]，进而改变悬浮力的大小，目前这种永磁悬浮磁力驱动装置解决了传统无尘传送设备由于机戒接触、摩擦、润滑油等对工作环境的污染。此外，该装置由于其结构特点，理论上具有零功率特性，但运用有限元软件进行仿真分析[7-10]，观察磁场分布情况，分析力学特性，研究发现由于周期性磁势的影响，导致电机轴上出现了周期性扭矩，从而便输出效率降低，因此
该装置实际上具有准零功率特性。
本文在原装置具有准零功率特性的基础上进行了永磁悬浮磁力驱动装置的零功率特性优化设计。经过分析影响装置零功率的因素，提出优化结构，建立三维有限元分析模型，通过有限元软件分析，进行瞬态磁场模拟仿真计算，根据计算的数据来不断调整装置的结构。此装置旨在减小电机轴上的扭矩，使之趋于零，从而提高其工作效率，在零功率输出状态下带动永磁铁实现永磁悬浮磁力驱动，达到降低功耗的效果。
驱动装置的结构及准零功率特性 1
1.1装置结构
如图1为原装置的结构图，该原型主要包括盘式永磁体，包含齿轮减速器和编码器的伺服电机，一对相
收稿日期：2016-11-09修回日期：2016-12-30
*基金项目：国家自然科学基金（51105257，51310105025）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划（LQJ2014012）；中国博士后科学基金
万分数播71327）；十二五国家科技支撑计划（2015BAH47F02）
作者简介：弥风(i978—），男，辽宁阜新人，沈阳工业大学副教投，博士，研究方向为磁悬浮技术与数控技术，（E-mail）sunfeng@sdu.edu，en