磁悬浮机床导轨电磁场分析.pdf

2 0 1 0年 1 2月 第 3 8卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L ＆ HYDRAUL I CS De c ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 3 ． 0 0 8 磁悬浮机床导轨电磁场分析 廖萍，马苏扬，吴国庆，茅靖峰 南通大学机械 工程 学院，江苏南通 2 2 6 0 1 9 摘要介绍磁悬浮机床导轨的工作原理 ，对其进行磁力分析。以自重为 1 3 2 N的模拟工作台样机为例，利用 A N S Y S软 件分析空气隙值和工作台倾斜角度对导轨电磁场的影响。结果表明在工作台正常悬浮状态下，空气隙厚度取 0 ． 3士 0 ． 0 0 4 m m，工作台倾斜角度小于0 ． 0 2 。 时，磁悬浮机床导轨磁场磁漏小、负载能力强、外界扰动承载能力大。为磁悬浮机床导轨 的结构优化设计提供了理论依据。 关键词磁悬浮机床导轨 ；有限元法；电磁场 中图分类号 T M3 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 3 0 2 5 4 El e c t r o ma g ne t i c Fi e l d Ana l y s i s o f M a g ne t i c Le v i t a t i o n Ra i l M a c hi ne L I AO P i n g ，MA S u y a n g ，WU G u o q i n g ，MAO J i n g f e n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n t o n g U n i v e r s i t y ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 1 9，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f ma g n e t i c l e v i t a t i o n r a i l ma c h i n e wa s i n t r o d u c e d an d t h e ma g n e t i c a n a l y s i s W as c a r ri e d o u t ． T a k i n g t h e s i mu l a t e d w o r k b e n c h p r o t o t y p e w h i c h we i g h W as 1 3 2 N as a n e x a mp l e ，t h e i n fl u e n c e s o f a i r g a p a n d t i l t i n g a n g l e o f t h e w o r k be n c h o n r a i l e l e c t r o ma g n e t i c fi e l d s we r e a n a l y z e d w i t h ANS YS ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ma g n e t i c l e v i t a t i o n r a i l ma c h i n e h as s mall l e a k a g e ma g n e t i c fi e l d，h i g h l o a d c a p a c i t y and l a r g e an t i - d i s t u r b a n c e c a p a c i t y wh e n t h e w o r k ben c h i s s u s p e n d e d n o r ma l l y a n d t h e v a l u e o f t h e a i r g a p i s c h o s e n b e t w e e n 0 ． 3 4 - 0 ． O O 4 I lfl lrn， t i l t i n g a J 1 e o f t h e w o r k b e n c h i s l e s s t h a n 0 ． 0 2 。 ． I t p r o v i d e s t h e o r e t i c al b a s i s f o r s t r u c t u r al o p t i mi z a t i o n o f t he ma gn e t i c l e v i t a t i o n r a i l ma c hi n e． Ke y wo r d s Ma g n e t i c l e v i t a t i o n r a i l ma c h i n e；F i n i t e e l e me n t me t h o d ； E l e c t r o ma g n e t i c fi e l d 现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方 向发展，制造业对加工设备的性能提出了越来越高的 要求⋯，这种需求促进了机床工业，尤其是数控机床 的发展。传统数控机床大多采用接触式导轨副，如 滚动导轨 、粘塑导轨 、注塑导轨和静压导轨等 ，这些 导轨副使得移动 部件 与支 承导 轨不 可避 免地 存在 摩 擦，影响工作台的性能。磁悬浮机床导轨利用磁场力 将工作台悬浮起 ，与传统机床导轨相比，具有无机械 摩擦、无接触磨损、无需润滑、精度高、运行噪声 低、无污染等优点- z ，且磁悬浮支承系统中采用的主 动控制技术，可以提高机床 自身的信息处理能力 ，实 现在线检测和 自动补偿 ，从而进一步提 高机床进给系 统定位精度。将其与直线电机相结合 ，能实现数控机 床进给加工精密定位、精确、快速控制等要求，具有 很好的应用前景 。 1 磁悬浮机床导轨工作原理及磁力分析 磁悬浮机床导轨剖面结构如图 1 所示。 1 4 l 5 l 6 l7 1 8 l 9 1 、4 、1 2 、l 6 一支承电磁铁2 、l 4 一导 向电磁铁3 、l 3 一 垂直位移传感器 5 一工作台6 一支承导轨7 一 隔磁罩8 一直线 电机动子9 一直线电机 定子l O 一支承块l l 一线圈 l 5 一水平位移传感器l 7 、l 8 一辅助支 承导轨l 9 一底座 图 1 磁悬浮机床导轨结构示意图 其工作原理为工作台套装在支承导轨的外周， 工作台中对称布置 6 对 E型电磁铁，线圈绕在电磁铁 上 ，线圈通 电 后 ，电磁铁 都 对支 承导 轨 产生 吸力 作 用。上下 4对电磁铁用于实现工作台稳定悬浮，左右 2对电磁铁用于实现工作台精确导向。工作台稳定悬 收稿 日期 2 0 0 91 1 0 2 基金项目国家自然科学基金项 目 6 0 9 7 4 0 4 9 ；江苏省高校自然科学基础研究项 目 0 7 K J D 4 6 0 1 7 6 ；南通市应用研究项 目 K 2 0 0 8 0 2 0 ；江苏省研究生科研创新基金项 目 C X O 9 S _ O 2 0 Z ；南通大学研究生科研创新基金项目 Y K 1 0 作者简介廖萍，女，教授，硕士研究生导师，研究方向为先进制造技术与装备。通信作者吴国庆，Em a i l w u ． g q i n g n t u ． e d u ． c no 第 2 3 期 廖萍 等 磁悬浮机床导轨电磁场分析 2 7 从磁力线分布图可以看 出 ，在线圈匝数 、电流一 定时，磁路的磁漏随空气隙的增大而增大。空气隙厚 度为0 ． 3 m m时，磁路磁漏很少，支承导轨内磁力线 分布较集中，当空气隙厚度为 0 ． 6 m m时，磁路出现 较多磁漏 。当磁漏较大时 ，控制方法难以实现 ，无法 达到精密加工要求。因此，气隙的变化会明显影响磁 路的磁漏效应，且 由公式 2 可知，当线圈匝数、 磁极面积、偏置电流、控制电流确定后，空气隙厚度 越小 ，工作台负载能力越大，为使工作台磁路控制较 易实现并具有较大负载能力 ，空气隙厚度值不宜选取 过大，作者选取 0 ． 3 m i l l 。 2 ． 2 空气 隙偏差 对磁 悬浮 导轨 磁 场 的影 响 表 1 不 同偏差下 电磁铁磁力变化情况 在 实 际安 装 时，空 气 隙值 不 可能 完 全达 到 0 ． 3 m m，应具有一定 偏差 ，偏 差 对磁 场 磁 漏 的影 响 不大，但对电磁铁磁力大小影响较大。由式 3 可 得，在加工偏差为 0时，单对电磁铁产生电磁力合力 大小为 3 4 ． 5 N，在参数 ， 、 、Ⅳ、S确定的条件下， 得到不同偏差下电磁铁磁力变化情况，如表 1 。 由表 1 可得，空气隙厚度偏差越小，单对电磁铁 电磁力与理论值 3 4 ． 5 N误差越小，上偏差对电磁力 的影响比下偏差对电磁力的影响小，当空气隙厚度偏 差达到 0 ． 0 O 6 ra i n时 ，误差 急剧增 大 ，因此 ，空气 隙厚度值应定为 0 ． 3 0 ． 0 0 4 m m。 3 工作台倾斜度对磁悬浮导轨电磁场的影响 磁悬浮机床导轨用于高精密加工场合 ，工作台若 发生倾斜，直接引起电磁铁与支承导轨空气隙值的改 变 ，对工作台磁场影响较大。以两对电磁铁为例，其 轴心间距为 1 9 0 1 ／ i／ 11 ，由式 3 可知，工作台不倾斜 时，两对电磁铁产生垂直电磁合力理论计算大小为 6 6 N，表 2 、3列出了工作台不同倾斜角度 ，即工作 台绕点 0旋转不同角 度情 况 下 ，A N S Y S计 算的 电磁 力 水平 方 向 F 及 垂 直 方 向 F大小情况。图4 为电磁铁产生 电磁力 二维方 向坐标示意图 。 l 丌 ． ． l l I l D l F 表 2 基于 A N S Y S虚功力求解的工作台倾斜度与电磁 力大小 关系 图 4 电磁力二维方 向坐标示意图 表 3 基于 A N S Y S麦克斯 韦法 求解 的工作 台倾斜度与 电磁力大小关 系 由表 2 、3可 以看 出，当工作 台不发生倾斜时， A N S Y S 计算 电磁力大小为 7 0 ． 6 2 7 、7 0 ． 5 3 4 N，与理 论计算值 6 6 N误差为 7 ％，证明 A N S Y S求解结果正 确。工作台倾斜角度的变化对电磁铁 方向的受力 没有太大 影响 ，可 以忽 略；工 作 台倾 斜 角度对 电 磁铁 Y 方向的受力 F 影响较大，F 随着倾斜角度 的 增加而增大。当工作台倾斜角度达到 0 ． 0 4 。 时，F 急 剧增大 ，并 随倾斜角度的增大而急剧增大 ，因此 ，工 作台倾斜角度应不超过 0 ． 0 2 。 。图 5为工作台倾斜角 度分别为 0 。 、0 ． 0 2 。 、 0 ． 0 6 。 、0 ． 1 。 时两对电磁铁磁力 线分 布情况 。 由图可得，随着工作台倾斜角度的增加，电磁铁 磁力线在空气隙较小处分布较多较密，气隙较大处磁 力线分布较小较松，工作 台倾斜角度在 0 ． 0 6 。 以下 时，磁场磁漏基本一致；当倾斜角度达到 0 ． 1 。 时， 磁漏急剧增大 ，且上下 电磁 铁磁 力线分 布极不均 匀 ， 严重影响控制系统 。由公 式 1 、 2 可知 ，电磁 铁磁力大小与空气隙值是非线性关系，工作台发生倾 斜时 ，每个电磁 铁与支 承导轨之间气隙发生变化 ，即 单个电磁铁上各处空气隙值不一致，空气隙较小处引 起电磁力的增加量大于空气隙较大处引起电磁力的减 小量 ，因此 ，工作 台倾斜程度将导致电磁铁 电磁力的 2 8 机床与液压 第 3 8 卷 增加，倾斜度越大，电磁力增加越 大，磁场磁漏越 大。因此工作台倾斜角度应在 0 ． 0 2 。 以下。 S 倾斜0 b 倾斜0 ． 0 2 。 c 倾斜0 ． 0 6 。 d 倾 斜0 ． 1 图5 工作台不同倾斜角度下磁力线分布图 4结论 通过对磁悬浮机床导轨的电磁场分析 ，可得 出如 下结论 1 采用 A N S Y S有 限元 分析程序对实 例进行 了 仿真计算与分析 ，得出了不同空气隙值下磁力线分布 以及磁场磁漏情况；得到不同空气隙不均匀度情况下 电磁力大小，为磁悬浮机床导轨的结构优化设计提供 了依 据。 2 空气隙值与工作台倾斜角度都是影响磁悬 浮机床导轨磁场及工作台承载能力的重要参数。空气 隙值增大时，磁场磁漏增大，工作台承载能力下降； 工作 台倾斜角度增 加时 ，电磁铁磁力 急剧增加 ，磁场 磁漏增大 。 3 文中，工作台 自重 1 3 2 N，当空气隙值取 0 ． 3 0 ． 0 0 4 m m，工作台倾斜角度不超过 0 ． 0 2 。 时， 磁路磁漏小，工作台承载能力大，满足工作要求。 参考文献 【 1 】F a n L i p i n g ， L i u Y i ． I t e r a t i v e L e a r n i n g C o n t r o l f o r L i n e a r M o t o r Mo t i o n S y s t e m[ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E I n t e r - n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Au t o ma t i o n a n d L o g i s t i c s ， J i n a n ， Ch i n a ， 2 0 0 7 ． 8 2 3 7 92 3 8 3 ． 【 2 】张钢， 白华， 王春兰， 等． 磁悬浮支承技术在机床中的应 用[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 5 8 l 52 0 ． 【 3 】 吴国庆． 用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术 [ D] ． 上海 上海大学， 2 0 0 6 ． 【 4 】 郭磊． 磁悬浮平台承载特性研究[ D ] ． 长沙 中南大学， 2 0 05． 【 5 】WA N G Y F ， S O N G W R， H E H Y ． R e s e a r c h o n Ma g n e t i c L e v i t a t i o n P r e c i s i o n S t a g e w i t h C A D ／C A E ／C A T[ c] ／ ／ I S T M- 2 0 0 3 5 th I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n T e s t an d Me s s - u reme n t ， 2 0 03． 6 1 401 4 4． 【 6 】宋文荣， 陈阳， 宋晓东， 等． 磁悬浮进给机构的磁力耦合 [ J ] ． 光学精密工程， 2 0 0 4 ， 1 2 4 4 1 1 - 4 1 4 ． 【 7 】阎照文， 等． A N S Y S 1 0 ． 0 工程电磁分析技术与实例详解 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 8 】 陈云， 徐晨． 陶瓷球栅阵列封装的有限元模拟与焊点应力 分析[ J ] ． 南通大学学报 自然科学版， 2 O O 6 ， 5 4 6 3 66． 上接第 2 4页 参考文献 【 1 】 荆双喜， 张英琦， 方佳雨， 等． 基于小波分析的信号滤波方 法研究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 2 1 9 0 1 9 4 ． 【 2 】 陈仁文， 周洪梅， 余旭峰． 输油管道应力波检测中的小波 去噪方法研究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 3 ， 2 2 4 8 2 8 4 ． 【 3 】 黄天立， 楼梦麟． 小波变换在密集模态结构参数识别中 的应用[ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 0 6 ， 2 5 5 1 4 01 4 3 ． 【 4 】 冉志红， 李乔． 小波变换在结构损伤识别特征提取中的 应用[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 7 ， 2 6 7 1 1 81 2 1 ． 【 5 】 李录平， 邹新元， 唐月清． 小波变换在声发射信号特征参 数检测中的应用 [ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 1 ， 2 0 2 6 7 68． 81． ． 【 6 】杨其俊， 裴峻峰， 孙辉． 小波消噪及其在往复泵振动监测信 号处理中的应用[ J ] ． 振动与冲击， 2 O O O ， 1 9 2 2 0 2 3 ． 【 7 】张亮， 杜海平， 史习智． 基于小波分析的柴油机振动信号 降噪处理[ J ] ． 数据采集与处理， 2 0 0 0 ， 1 5 4 5 2 4 52 7． 【 8 】飞思科技产品研发中心． 小波分析理论与 M A T L A B 7 实 现[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 9 】 李建平． 小波分析与信号处理理论、 应用及软件实 现[ M] ． 重庆 重庆出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 1 O 】 葛哲学， 陈仲生． 时频分析技术及其应用[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 6 ．