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单磁悬浮系统的原理与数学模型分析综述
1T磁悬浮平台的工作原理
磁悬浮系统包括间隙传感器,加速度计,磁悬浮电变换器,悬浮电磁铁,悬浮控制
器。当在电磁线圈上加一定电流后,电磁铁内电磁线圈产生磁场,使浮体受到相应电磁吸
引力。若产生电磁引力超过浮体重力时,就会吸引浮动物体达到悬浮目的。所以,要保持
浮体稳定悬浮,就必须对电磁线圈电流进行调节,使得所产生电磁引力与悬浮体重量相
当。但电磁引力与重力的平衡属于非稳定平衡。由于磁饱和现象以及电磁力与摩擦力之间
存在非线性关系,使得控制系统具有很强的耦合性和不确定性。同时,在外界环境扰动下,
系统往往不能够达到理想的跟踪效果。所以如果外界的扰动是平衡的,那么就算系统只受
微小的扰动也可能打破平衡的状态。然而,由于悬浮体本身质量较大,使得该过程存在着
很大的不确定性,导致控制系统不具有鲁棒性。另外,由于受到外界干扰的影响,也不能保
证整个系统控制性能良好。因此需要设计闭环控制反馈系统,对系统进行全面闭环控制。间
隙传感器可以直接测得悬浮体悬浮气隙尺寸并转换成位移信号。接着,控制器基于传感器
记录进行变换,运算和产生对应控制信号。功率放大器收到控制电压并控制电磁铁输出电
流从而在电磁线圈中产生对应电磁吸力。所以当浮体和电磁铁间悬浮间隙变化时,需适时
调节电磁线圈内电流并改变电磁力大小才能保证所停物体稳定悬浮于平衡位置左右。由于
电磁感应定律告诉我们:在同一时刻,任何两个相同导体间所产生的电磁场相等或近似相等。
而这一规律又与磁饱和特性密切相关。当电磁铁处于饱和区时会发生严重的饱和现象。所
以要保证磁悬浮系统可靠运行,就必须对电磁铁电流即电磁线圈两端电压进行准确控制,才
能保证磁场能稳定电磁强度及对应电磁悬浮力。
L?单磁悬浮装置的数学模型
单电磁悬浮系统机械结构如图错误!文档中没有指定样式的文字。-1所示,
图中磁性导轨位于上方,电磁铁位于下方,该装置内部存在一对电磁铁。电磁铁
的吸引力与排斥力保证了导向装置与导轨之间的距离即悬浮气隙的动态平衡。
图错误!文档中没有指定样式的文字。-1单电磁悬浮系统结构示意图
电磁铁的漏磁现象以及两个相邻的电磁铁之间磁场的相互影响在本文中默
认忽略不计,在假设的情况下,建立并分析单电磁悬浮系统的数学模型。
设气隙间距是各电磁铁的一个磁极所缠绕线圈数是NI2,此电磁铁
有中L的磁漏,①M作为气隙间的磁通,当磁悬浮装置受到外界影响后,受扰动
干扰记作流过的电流为Z。),两极间的端电压为〃,作用在导轨上的
电场力为鸟(,。),该方向上所对应的另一个电磁铁对此装置的作用力为灼。
按照牛顿定理可列如下等式:
岫)=—鸟(如C+%+力(0.1)
其中,式中m为悬浮物的重量之和。图错误!文档中没有指定样式的文字。-2
为该电磁铁的等效磁路
图错误!文档中没有指定样式的文字。-2电磁铁的磁通等效电路图
其中,电磁铁上所绕线圈的磁动势为*,电磁铁各电磁极和导轨气隙内
磁阻为七。
(0.2)
公式(0.2)中:A表示电磁铁的铁心横截面积;用为真空磁导率日。二4^x107。
所述电磁铁的总磁阻由电磁铁的两磁极所对应两磁阻总和构成,即
=《+《,综上所述有:
(0.3)
电磁铁所对应的气隙磁通为:
叩0)=一=(0.4)
23(。2热)
电磁铁线圈的电感为下式:
L专①辛•拦N2
23(,)-2业)(0.5)
电磁铁单线圈的电磁吸力为丫)