磁浮球磁场研究及其控制系统仿真.pdf

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摘要
磁悬浮技术的实际应用领域极为广泛。磁浮球系统采用的是电磁悬浮系统,
目前电磁悬浮系统仍然存在难以可靠地控制悬浮体的受力平衡,悬浮体的结构及
其参数不够合理,抗干扰能力较差等诸多问题。因此无论从理论还是从应用的角
度,对磁悬浮系统的研究都具有现实意义。
本文主要针对磁浮球系统的磁场进行了有限元分析,对悬浮体结构参数进行
了比较计算,并分析比较了控制系统的设计方案同时进行了仿真。
首先介绍了磁悬浮技术的发展概况,分类和特点以及磁浮球系统研究的意
义。同时对磁浮球系统中存在的主要技术难题进行了归纳。
论文从理论分析入手,论述了磁浮球系统磁场的有限元分析方法,建立了有
限元方程。在此基础上,应用二维磁场有限元软件,从悬浮体结构参数设计的角
度出发,在悬浮气隙一定时,以悬浮体的直径、厚度、重量和吸引电流之间的关
系等几个方面进行了计算,比较和分析。在悬浮体重量一定时,给出了悬浮气隙、
电感和吸引电流之间的关系曲线。
在分析磁浮球系统工作原理的基础上,建立了系统模型,并对系统进行了频
域分析。分析了不同校正方法对系统特性的影响并进行了仿真加以证
明,得到和两种控制器可以把系统校正成稳定的结论。给出了控制
器标准和改进两种形式的设计,在仿真实验的基础上对结果进行了分析和比较。
本文最后还介绍了磁浮球系统实验装置的构成和设计,并对磁浮球系统的进
一步研究工作提出了展望。
关键词电磁悬浮,磁场,有限元法,控制
上海大学硕士学位论文
































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上海大学硕士论文
第一章绪论
磁悬浮技术的发展概况’〕
磁悬浮技术是利用磁场产生的磁力来克服重力,支撑物体无接触悬浮于空
中。
磁悬浮的研究起源于世纪初。早期的研究主要针对无源悬浮,多应用于
仪器、仪表、导航等需要无摩擦的领域,但其响应速度很慢,这使磁悬浮的应用
受到很大限制。年德国工程师赫尔曼· 肯佩尔首先提出了电磁悬浮原理,
并于年申请了磁悬浮列车的专利。进入世纪年代后,各主要工业国
家相继投入有源磁悬浮的研究,研究成果主要在军事、宇航等领域获得应用,如
用于人造卫星姿态控制的惯性轮。进入年代后,有源磁悬浮开始向一般工业
应用转化,如高速机床等。近年来,随着电子技术、计算机控制技术和检测技术
的飞速发展,磁悬浮技术又成为各国研究开发的热点,使这项综合多门学科知识
的高新技术的研究和应用不断深入,并拓展出许多分支,向交通、机械加工、空
间技术、工业运输、冶金、展览和医疗等各个领域渗透。
磁悬浮技术应用在工农业生产和科学探索上都有其独到的优势。随着工农业
的飞速发展和人类生活质量的不断提高,对生产中的效率、速度和产品质量等方
面的要求越来越高,而对环境如噪声、空气等等污染指标的要求也越来越严格。
磁悬浮技术的应用提供了有效的手段,恰恰适合了这些方面的要求。因此,磁悬
浮技术经过数十年的发展过程,逐渐得到了世界各主要工业国家的普遍重视,其
应用前景不可限量。
我国在磁悬浮领域起步比较晚,经过数十年的研究开发,取得了许多成果,
但与处于领先地位的一些国家相比,仍有较大差距。所以目前在磁悬浮技术研究
和应用方面仍有大量艰巨的工作和技术难题有待实现和解决。
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磁悬浮技术的分类和特点
磁悬浮技术的分类
磁悬浮是通过两个物体之间的磁场作用力和重力相平衡来实现的,根据受力
方式不同可分为吸引力悬浮和斥力悬浮,而根据磁体制造材料不同一般分为常导
磁悬浮、超导磁悬浮和永磁体悬浮三种。所谓常导、超导和永磁体悬浮【,分别
是指形成悬浮吸引力需要利用常温导体制造的电磁铁、超导材料制造的电磁铁和
永久磁铁所产生的磁场。表是从两个物体之间的受力关系的角度对各种悬浮
方式进行了分类。
表按照互相作用物体之间受力关系