节能型永磁悬浮系统的实现机理与特性研究

磁悬浮拥有无摩擦，无需润滑等优势，在国内外已被广泛应用于磁悬浮列车，超高速轴承等领域。本研究首次提出一种节能型永磁悬浮系统。该系统采用可变磁路型悬浮力控制方法，实现悬浮物的无接触悬浮。该系统从结构上实现了，传统的永磁悬浮系统所无法实现的、电磁悬浮系统所特有的零悬浮力和任意改变磁场极性的功能；同时实现了电磁永磁混合系统才能实现的准零功率节能悬浮。本项目将在理论和实验上，对所提出的节能型永磁悬浮系统的实现机理与特性进行深入研究。首先检验该系统的零悬浮力和节能特性，提出各结构参数对性能的影响规律，优化悬浮系统的结构；提出针对本悬浮系统的最优控制策略；采用多点非接触支撑方式研制节能型永磁悬浮传送系统及其控制系统，并进行数学建模、仿真与悬浮实验研究。该研究项目的成果将有效弥补现有磁悬浮技术的不足，为永磁悬浮系统在无尘传送及非接触搬运等领域的应用奠定基础，并有助于提高我国在国际磁悬浮技术领域的影响。

磁悬浮技术由于其无摩擦、无需润滑等优势，已被广泛应用于磁悬浮列车，超高速轴承等领域。而本项目提出了一种可变磁路式节能型永磁悬浮系统，并将其应用于超洁净空间的无尘传送领域。本项目提出的永磁悬浮系统主要由盘状径向平行磁化永磁体、与永磁体直连的伺服电机、一对“F”形导磁体及悬浮物组成。永磁体材料为钕铁硼NdFeB30。与永磁体正对的导磁体材料为坡莫合金1J85，并设计成与永磁铁相吻合的圆弧状以减小磁路中的漏磁。通过改变永磁体相对于“F”形导磁体的正对角度来控制流经悬浮物的磁通量，达到控制悬浮力的目的，实现悬浮物的无接触悬浮。本系统中，当盘状永磁铁角度为0°（系统设定的初始角度）和180°时，系统悬浮力为零，可实现系统从意外吸附位置返回悬浮位置的控制；当磁铁角度大于180°时，可以改变左右导磁体的磁场极性。从而在结构上实现了传统的永磁悬浮系统所无法实现的、电磁悬浮系统所特有的零悬浮力和任意改变磁场极性的功能。本系统中与永磁铁直连的伺服电机只控制永磁铁的回转，不承担悬浮物的重力，悬浮物的重力直接传到系统框架上。因此本系统可实现小功耗大负荷的节能悬浮，从而实现了电磁永磁混合系统才能实现的准零功率节能悬浮。针对系统的以上特性，本项目设计制作了各研究阶段的实验装置，采用有限元计算与实验测量相结合的方法，分析不同的结构参数对系统的零悬浮力特性与节能特性的影响。提出结构参数对系统性能的影响规律，并优化了系统结构，降低了系统漏磁特性。利用仿真分析与实验验证的方法，完成了各种经典控制方法应用于本系统的响应速度与鲁棒性分析，并提出一种适用于本系统的分段式参数切换控制方式。设计制作了四点非接触悬浮式无尘传送实验装置，并进行了相关的仿真与实验研究，研究分析了系统的节能特性、自复位特性及耦合特性。.该研究项目的成果有效弥补了现有磁悬浮技术的不足，为永磁悬浮系统在无尘传送及非接触搬运等领域的应用奠定了基础，并通过多次国际会议宣讲，与国际磁悬浮领域专家合作交流，一定程度上提高了我国在国际磁悬浮技术领域的影响力。