电磁悬浮样机电磁部分结构参数初定.doc

电磁悬浮样机电磁单元部分结构参数初定
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图1电磁悬浮单元截面
根据项目指标要求和论证报告，假定主动悬浮隔振器样机的动子处于平衡位置时，气隙为3mm。此时，动子及载荷的重力、电磁悬浮单元的静态偏置吸力和弹簧的弹力互相平衡，方程如(1)所示：

指定此时的，进行磁路计算和电磁单元结构参数确定。
首先，要推导出电磁悬浮单元中动子所受到的电磁吸力表达式。电磁单元采用E型电磁铁结构，令电磁铁外径为R，中心铁心的半径为r,线圈宽度为a。由于电磁单元和动子材料的磁导率远大于空气，所以由磁路欧姆定律和全电流定律知：

其中为线圈安匝数，也即磁势；、分别是两段气隙所对应的磁阻，磁阻与气隙长度成正比，与气隙正对面积成反比；为磁通量，满足：

其中、为两段气隙内的磁感应强度。由(2)、(3)得：

、为两段气隙内的磁场强度。
电磁磁路中对动子的吸引力大小与磁力线穿过磁极的总面积以及气隙中磁感应强度的平方成正比。因此，E型电磁铁单元对动子的吸引力为：

带入(2)、(3),得：

其中，为等效磁极面积：

定，当时，趋近于最大值。显然，实际设计中不能这样选择，一方面是因为加大会大大增加电磁部件的重量，同时由(2)、(3)知，、分别对应的气隙磁感应强度是：

由于两个气隙磁感应强度不同，当气隙变化时可能造成电磁铁部分饱和而另一部份未饱和的情况。所以，比较适当的选择是使两个气隙磁感应强度相同，即，此时，而电磁力为：

需要特别注意的是，已知时，光由(8)式确定线圈安匝数是不正确的，因为由这样求得的安匝数计算出来的气隙磁场感应强度可能过大，甚至超过了电磁单元材料的饱和值。为此，由(5)得：

指定平衡位置时气隙磁感应强度，由和(9)得: ,对应的中心铁心半径为20.0mm。由(8)式可得线圈安匝数。令偏置电流，则线圈匝数。
线圈宽度的选择由E型电磁铁重量最小准则确定，设电磁铁底座厚度为t,令t=10mm。E型电磁铁重量如(10)式：

(10)中的长度单位是cm，并有，、，。令，有：

解得。
因此，线圈高度为。
接着，由初步确定的电磁单元结构参数反推进行验证。由(2)得，气隙磁通量，气隙磁感应强度。由(8)得电磁吸力。与设计目标基本吻合。电磁悬浮隔振器电磁单元磁路结构与尺寸参数的进一步优化将通过Ansys软件在此基础上进一步完成。

样机电磁部分结构参数初定值如表一所示（对照图1）：
外径R
47.4mm
线圈高度
80.0mm
中心铁心半径r
20.0mm
初始偏置电流I
2A
线圈导线直径
1mm
初始气隙高度g
3.0mm
线圈宽度a
23.0mm
底座厚度t
10.0mm

对电磁单元结构的进一步讨论
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图2 改进的电磁悬浮单元截面
从(6)、(7)、(8)式可以看出，图1所示的E型电磁单元结构的磁——力转换效率是很低的。和图2所示的电磁单元结构相比，在相同尺寸、气隙和激磁安匝数下，其最大电磁引力仅为后者的1/2。这是因为图2所示结构的气隙长度为图1结构的一半，因此，在同样激磁安匝数下，图2结构的磁通为图1结构的2倍，故电磁引力为图1结构的2倍。具体推导过程如下(假设气隙和相比很小，可以忽略不计)：

使用图2所示结构实现设计目标(、、)，此时得到，即时，安匝数。令偏置电流，则线圈匝数。
此外，除了上述结构参数需要确定外，动子（即衔铁）的厚度、E型电磁铁底部厚度、以及图二所示结构中外壁的厚度都需要进行优化，因为在气隙比较小、磁场较强的情况下，这些结构可能会出现磁饱和现象。
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