永磁磁悬浮演示装置结构设计

题 目： 永磁磁悬浮演示装置结构设计 I目 录摘 要1Abstract3第一章 绪论4 1.1 永磁磁悬浮技术研究背景4 1.2 磁悬浮技术的研究现状9 1.3 本文的主要内容12第二章 磁悬浮演示装置的结构设计14 2.1结构组成14 2.2 磁悬浮演示装置的两大部分及建模14 2.2.1 浮动磁座部件14 2.2.2 固定磁座筋板17 2.3 导向轮的选择安装20 2.4 永磁磁悬浮演示装置的结构优化21第三章 永磁磁悬浮演示装置的力学特性分析23 3.1 ANSYS MAXWELL有限元分析23 3.1.1 MAXWELL有限元分析简介23 3.1.2 永磁磁悬浮装置的MAXWELL 2D静态分析23 3.2 ANSYS有限元分析29 3.2.1 永磁磁悬浮装置的结构静力学分析29 3.2.2 永磁装置的结构静力学分析29第四章 零件加工工艺的分析32 4.1 机械加工工艺的具体概念32 4.2 机械加工工艺流程32 4.3 制定机械加工工艺规程的内容和步骤34第五章 永磁体的安装注意38第六章 总结与展望40 6.1 本文主要工作40 6.2 展望40参考文献42致谢43III永磁磁悬浮演示装置结构设计摘 要永磁磁悬浮技术是集电磁学、 电子技术、 控制工程、 信号处理、 机械学、 动力学为一体的典型的机电一体化技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展, 永磁磁悬浮技术得到了长足的发展。目前国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车, 而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它拥有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点。本文设计的永磁磁悬浮演示装置主要用于展示永磁磁悬浮原理，通过该装置体现永磁磁悬浮零能耗悬浮、无电磁辐射等特点，从模型角度去研究该技术在列车、轴承等领域的运用可行性。永磁悬浮，是运用永久磁铁与轨道相斥并保持在槽口中线可悬浮运行，导向轮可实现零磨擦运行，机械向能接近零磨擦。主要是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。关键词：永磁；磁悬浮；演示装置；结构优化设计Permanent maglev demonstration device designAbstractMaglev technology is a concentration of electromagnetism, electronic technology, control engineering, signal processing, mechanics, dynamics as one of the typical electromechanical integration technology.As the electronic technology, control engineering, signal processing component, electromagnetic theory and the progress of the development of new electromagnetic material and rotor kinetics, magnetic suspension technology has been rapid development.Research hotspot at home and abroad is the magnetic suspension bearing and maglev train, and the most widely used is a magnetic levitation bearing.It has no contact, no friction, long service life, no lubrication, and the advantages of high precision and other special.This design demonstration of the permanent magnetic levitation device is mainly used for permanent magnet magnetic levitation principle, through the device reflect permanent maglev zero energy consumption characteristics of suspension, no electromagnetic radiation, from the perspective of the model to study the technology feasibility in train, bearing in the areas of application.Permanent magnetic levitation, is using the permanent magnet and the orbit are repellent and keep to the midline of the rabbet suspension, guide wheel can realize zero friction, mechanical friction to get close to zero.Mainly use the magnet the same, opposites attract the nature of the magnets have the ability to resist gravity, namely magnetic levitation.Key words: permanent magnet; maglev; Demonstration unit44第一章 绪论1.1 永磁磁悬浮技术研究背景磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个零摩擦、零接触的悬浮平衡的状态。至今，以出现三种类型的磁悬浮技术。一是以日本为代表的超导电动磁悬浮；二是以德国为代表的常导电式磁悬浮；三是中国的永磁磁悬浮。其中，电磁磁悬浮技术简称EML技术，它主要是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。一般通过线圈的交变电流为10000-1000000Hz。另一种永磁磁悬浮技术是利用永久磁铁间的吸力和斥力代替电磁磁悬浮技术中洛伦磁力来实现悬浮技能，永磁磁悬浮技术不需要电力和其他任何动力支持。目前，磁悬浮技术在工业上得到广泛运用，尤其是在磁悬浮列车领域内应用较为成熟。（上述能否合为一段）磁悬浮技术的研究是来源于德国，早在1922年电磁磁悬浮原理就被Hermann kemper 先生提出来了，并在1934年申请了磁悬浮列车专利。进入70年代后，随着工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，美国、日本、加拿大、法国、英国等国家继而开始筹划磁悬浮运输的开发。根据当时轮轨极限速度理论，科研者认为，须采用新式运输系统，即不依赖轮轨。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来全都放弃，以至于目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮的研究，并且都取得了令人瞩目的进展。目前，磁悬浮可分为三种主要的应用方式：1、电磁吸引控制悬浮方式电磁吸引控制方式是利用导磁与电磁铁之间的吸引力，绝大部分磁悬浮技术几乎都采用该技术。虽然这种吸引力在原理上是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定数值上。随着现代驱动元器件高性能和控制理论的发展，这种方式得到了广泛的运用。同时，在此技术的基础上也有科研人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控的永久磁铁的方案，并作了深入研究。这种方案可以大幅度的降低励磁损耗，甚至在额定悬浮高度时不需要能量，是一个非常值得注目的新技术。2、 感应斥力控制方式感应斥力控制方式利用了磁铁或磁力线圈和短路线圈之间的斥力。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间须有相对的运动。这种方式主要运用超导磁悬浮列车的悬浮装置中。3、 永久磁铁斥力悬浮方式永久磁铁斥力悬浮控制方式是利用永久磁体间的斥力，一般产生的斥力为1kg/cm。根据磁铁材料的不同，其产生的斥力会随之变化。但由于横定位移的不稳定因素，需要从力学角度来安排磁铁的位置。随着稀土材料的普及，永久磁铁斥力悬浮方式将会被更多的应用到各个领域。磁悬浮列车是现代高科技发展产物。其原理是利用磁力抵消地球引力，通过直线电机进行直接牵引，使列车悬浮在轨道上运行。其研究和制造涉及了自动控制、直线推进技术、电力电子技术、机械设计制造、故障的诊断和检修等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。磁悬浮列车与普通的列车相比，具有低噪音、节能、高速高效和安全舒适的特点，有着“零高度飞行器”的美称，是一个具有广阔前景的新型交通工具。磁悬浮列车根据其悬浮系统设计的不同，分为三大类型：1、 常导磁悬浮列车，以德国高速常导磁悬浮列车transrapid为代表。Transrapiad是利用普通直流电磁铁电磁力吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时500公里以上，适合用于城市之间的长距离运输。 图1-1 德国Transrapid悬浮原理示意图常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。2、 超导磁悬浮列车，以日本的MAGLEV为代表。从悬浮技术上讲是电力悬浮系统（EDS）。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈互相作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100mm左右；每小时的速度可达到500公里以上。图1-2 日本MLU悬浮和导向原理示意图超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。12吴华.常导/超导磁悬浮演示装置的控制.西南交通大学.2006年6月2图1-3 常导与超导磁悬浮列车对比图3、永磁磁悬浮列车，永磁磁悬浮列车是中国自主研发的永久磁体悬浮列车。它是利用永磁材料的磁力实现车体的悬浮，不需要电力和其他任何动力的支持，实现了无能耗悬浮。1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。上海磁悬浮列车为常导磁悬浮列车。在电磁力作用下，列车将悬浮在距离轨道约1厘米处运行，而实现这一功能的主要部件之一就是轨道梁，它既是承载列车的承重结构，又是浮起列车运行的导向结构。上海磁悬浮列车系统全线总共有1400多根轨道梁，每根长约50米，重达350 吨。为了安装电磁设备，梁上要打28万个孔，每个孔的位置误差不得超过0.02毫米，不到一根头发丝的粗细。 由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造的，我国自行研制、设计、施工总投资达3000万元的第一条磁悬浮列车线路青城山磁悬浮列车线路，已经于今年在青城山正式启动。整个线路轨道由水泥横梁连接而成，全长419.925米。磁悬浮列车长11.5米、宽2.6米、高3.3米，呈流线形，采用常导吸力式磁悬浮技术。与上海的磁悬浮列车相比，两者除了悬浮原理基本一致外，完全是两种不同类型的磁浮技术。时速不同上海采用的是德国磁浮技术用于城际交通，这决定了它的技术研究方向是高速度(上海磁浮列车的运行时速达430公里)。而青城山磁浮列车的最高时速是100公里，主要运用于城市内部轨道交通。常导与超导磁悬浮列车都需要用电力来产生磁悬浮浮力，相对于传统的轮轨式列车的优缺点是：1、 它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔；2、 低噪音、高速高效、乘坐舒适；3、 对电依耐性高，当断电或停电后发生的安全保障问题和制动问题需要解决；4、 常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度。路基下沉量等方面要求较超导技术高；5、 能耗大，尤其超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，且需配有繁杂笨重的冷却系统，降低了列车 的有效重量。6、 强的电磁场对人体和环境有影响。永磁磁悬浮列车相比于常导电磁磁悬浮列车和超导电动磁悬浮列车，有如下特点：1、 悬浮力强，少量的磁体和特定的磁体排列方式产生的悬浮力已超过常导电磁磁悬浮列车和超导磁悬浮列车的悬浮力；2、 经济性好，一是结构简单，成本低；二是由于车体重量轻，因此有效负载能力大；3、 节能性强，无需消耗电能和其他任何能源，产生保持车体悬浮的悬浮力。驱动系统效率高；4、安全性好、可靠性高。不会因为电路的故障发生事故；5、平衡性稳定、特定的磁体排列方式不仅产生向上的悬浮力，而且会产生向下的吸附力，阻止车体颠簸6、环境友好型列车。无电磁辐射污染；无噪音污染；使用直流电机驱动，无排放气体污染。7、适应性好。即可载客也可卸货，即可市内交通也可城际快速交通。应用广泛。8、列车系统构造简单，使得现有铁路和地铁线路进行简单改造即可实现商业应用。1.2 磁悬浮技术的研究现状 目前，磁悬浮技术的大规模应用主要集中在磁悬浮列车和磁悬浮轴承两方面：1、 磁悬浮列车：永磁磁悬浮,即永久磁铁与轨道（由电磁轨道或导磁材料）相斥并保持在槽口中线可悬浮运行，电磁导向可实现零磨擦运行，机械向能接近零磨擦。 永磁悬浮应用在交通优点是节能，它阻力系数约为滚动阻力的1/10，在100km/h运行速度内与汽车能耗比为1：10。 永磁悬浮交通与有轨交通有着一样的安全性、永磁悬浮高度是工作在某区间近似弹簧受力状态的一种自由稳定悬浮。电磁悬浮（如上海悬浮交通、日本超导悬浮列车方案）是不稳定悬浮。要靠复杂的控制技术实现悬浮，即使控制做得非常完善也不能保证永无保障，永不失磁，永磁悬浮能实现永不失磁。 永磁悬浮交通设备结构就是电磁轨道与车体永磁条组件、永磁悬浮技术创新就是改变磁悬浮高技术、高制造成本、高精度难实施变为一般技术，低制造成本容易实施与普及推广大。永磁磁悬浮是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是 利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁 铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。 磁悬浮列车与当今的高速列车相比，具有许多无可比拟的优点： 由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，时速高达几百公里； 磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一； 噪音小，当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪声只有65.6分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小； 由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车试验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上的时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手。1994年2月24 日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段74km长的试验线上，创造了时速431km的日本最高纪录。1999年4月，日本研制的超导磁悬浮列车在试验线上达到时速552km。德国经过近20年的努力，技术上已趋于成熟，已具有建造运用的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为248km，预计2003年正式投入营运。但由于资金计划问题，2002年宣布停止了这一计划。我国对磁悬浮列车的研究工作起步较晚，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。1995年，我国第一条磁悬浮列车实验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人等时速为300km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术。然而，2001年3月上海13.8km的磁悬浮列车开始营运，标志着我国成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。2、磁悬浮轴承磁悬浮轴承工业应用磁轴承主要应用对象有低轨道地球卫星和航天器中的超真空泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮和能量存储飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、环状悬浮定位系统以及反射镜的驱动机械装置等。随着现代工业对加工精度要求的不断提高以及机床转速的增加，传统的滚动轴承和静压轴承均已明显地不能满足对支承的要求，其中尤以噪声、振动、发热及使用寿命的问题更为突出。另外，在传统的轴承中，供油系统是必不可少的。这不仅使结构更趋复杂，同时又产生了诸如污染等问题。可幸的是上述问题在采用了磁轴承以后，均能获得圆满解决。法国的S2M公司在数百台机床上成功地应用了磁轴承，包括各种高精度车床、铣床和磨床，而磨床方面的应用尤为突出。在一般工业生产中第一个装有磁轴承的是德国Leybol-Heraeus公司发明的涡轮机驱动的真空泵，其额定转速达30,000r/min，工作气隙直径90mm，转子重7kg，高真空、高转速、长寿命。在轻工业中，磁轴承主要应用于涡轮分子真空泵、离心机液态泵、纺织机主轴、小型低温压缩机、旋转光学境主轴、旋转阳极射线管、中子分选器等。法国研制成功一台冶金实验用的小型超高速离心机，其转速达800,000r/min。在重工业中，磁轴承也得到了应用。德国ABB公司采用磁轴承系统研制成功第一台大型核能用部件，即MALVE实验循环器，其转子重2吨，功率400kw，外伸推进器直径1.25m。由于磁轴承具有独特的优良性能，在能源工业中，特别是核能技术的研究中，它将发挥越来越大的作用。此外，磁轴承在航海技术、纺织技术、医疗器械、电动机、发电机、喷气机、电度表、机器人技术、振动控制等方面都得到了应用。磁悬浮轴承国内外发展概况磁轴承的发展与研究一直受到国内外工业界的广泛关注。自1988年起，国际上每两年举行一届磁轴承国际会议，交流和研讨该领域的最新研究成果。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院(ETH)，美国Maryland大学和Virginia大学、日本东京大学和英国Sussex大学等研究机构，以及法国S2M、瑞士IBAG、英国Glacier、美国Avcon、MTI、Satcon等生产厂家。磁轴承在国外有较长的研究历史，目前已进入应用阶段：1969年，法国军部实验室(LRBN) 开始磁悬浮轴承研究，1972年将第一个磁悬浮轴承应用于卫星导向器飞轮支承上；美国在1983年11月搭载于航天飞机的欧洲空间实验舱采用了磁悬浮轴承真空泵；1995年，日本精工精机公司在意大利国际机床博览会上展出了采用了磁轴承主轴的机械加工中心MV-40B。法国SEP公司的磁悬浮轴承产品，转速范围0-800,000r/min，转子直径14-600mm，单个轴承承载能力3,00050,000N， 使用温度范围-253450。美国Federal-Mogul公司生产的磁轴承转速在400120,000r/min，最大线速度可达264m/s，轴向承载222kN，径向承载80kN。从目前国外的应用状况来看，在高速旋转和高精度的应用场合，磁轴承具有极大的优越性，并已逐渐成为应用的主流。 张士勇.磁悬浮技术的应用现状与展望.长安大学基础部我国对磁轴承的研究起步于80年代，国防科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、上海交通大学等均开展了相应的研究。1994年，清华大学机电与控制实验室研制成功卧式五自由度磁轴承系统，转速高达53,200r/min，1997年成功进行了内圆磨削实验，1999年实现了数控，转速高达50,000r/min， 回转精度lm。1996年，哈尔滨工业大学研制成功数控机床用高刚度磁力轴承主轴，主轴转速20,000r/min，磨头端部刚度20N/m，轴承处径向静刚度169N/m，主轴运动误差小于25m，目前，正致力于磁轴承卫星飞轮应用技术的研究。同时，西安交通大学研制成功用于涡轮膨胀机的磁轴承系统。但到目前为止，开发的多数产品还处于实验室阶段，而且在承载刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定距离。国外磁轴承的价格十分昂贵，而且处于技术上保密的原因，不对国内进行小批量磁轴承的出售。磁轴承能否产业化，其发展速度和水平关系着民族工业的前途，其市场潜力也非常巨大。1.3 本文的主要内容本课题题目是永磁磁悬浮演示装置，其原理如图所示，A为与动子相连的某一永磁体，13为与A相邻的定子磁阵列上的永磁体。当动子由于外力从图4中的位置下沉，则永磁体A也下沉。从图4中的极性可以看出，永磁体A将受到永磁体2向上的吸引力，同时受到永磁体3向上的斥力，这向上的吸力和向上的斥力的共同作用阻止A下降，也就是阻止动子下降。反过来当动子受到外力（如振动）而向上运动，则动子磁阵列也向上运动。这时永磁体A受到永磁体2向下的吸力，同时受到永磁体1向下的斥力，这两个力的共同作用阻止永磁体A上升，也就是阻止动子上升。所有动子永磁体受到的作用力和A类似，从而使动子悬浮，并且阻止动子下振动。 图1-4 永磁磁悬浮原理第二章 磁悬浮演示装置的结构设计2.1结构组成本设计的磁悬浮演示装置的结构设计数据，是由南京艾凌节能有限公司提供，此磁悬浮演示装置主要由磁铁、磁铁保持架、承重板、导向轮、磁铁支撑板、固定磁座侧板、浮动和固定筋板等零件做成。其结构简单，永磁磁悬浮的悬浮性能明了，极富有趣味性。此装置可以分为浮动磁座部件和固定磁座部件两大部分。初步确定其结构示意图如下:图2-1 永磁磁悬浮演示装置示意图2.2 磁悬浮演示装置的两大部分及建模2.2.1 浮动磁座部件浮动磁座部件是由承重板、磁铁盒、磁铁支撑板、导向轮等零件组成。在承重板下方安装两个磁铁支撑板，分别在两个支撑板的外侧各安装两个磁铁盒，每个磁铁盒中安装3个磁铁。其主要结构如图所示：图2-2 浮动磁座部件主要零件的结构建模与尺寸如下：1、 承重板。承重板是主要受力零件，其结构形状、尺寸入图2-3、2-4所示。图2-3 承重板尺寸图2-4 结构形状2、 磁铁支撑板磁铁支撑板是用来安装固定磁铁盒的，其主要结构形状、尺寸如图9、10。图2-5 磁铁支撑板形状结构图2-6 磁铁支撑板尺寸3、 磁铁盒磁铁盒是用来安装磁铁的，如图所示。图2-7 磁铁盒和磁铁的安装图2-8 磁铁盒尺寸2.2.2 固定磁座筋板固定磁座筋板主要是由磁铁盒、固定磁座底板、固定磁座筋板组成。其作用是利用固定磁座侧板上的永磁使其浮动磁座浮动。图2-9 浮动磁座部件结构形状其零件的尺寸形状如下：1、 固定磁座底板其结构形状尺寸如图所示图2-10 固定磁座底板结构形状图2-11 固定磁座底板尺寸2、 浮动磁座侧板浮动磁座侧板主要是用来固定磁铁盒，其结构形状零件如图图2-12 固定磁座侧板结构形状图2-13 固定磁座侧板尺寸3、 磁铁盒其结构形状尺寸如图所示图2-14 磁铁盒结构形状图2-15 磁铁盒尺寸4、固定磁座筋板其结构形状尺寸入图所示图2-16 固定磁座筋板结构形状图2-17 固定磁座筋板尺寸2.3 导向轮的选择安装由于浮动部件上磁铁盒与固定部件上磁铁盒间的距离是10mm，如图所示，即磁铁间的距离为16mm。图2-18 固定部件磁铁盒与浮动部件磁铁盒间距离利用Maxwell仿真计算出导向轮横向最大承受力。当双边磁铁距离为13mm时，横向受力接近为0，竖向受力为2059.9N；当一边磁铁距离为18mm，一边为20mm时，横向受力为954.89N，竖向受力为2058.7N。如图2-19所示，浮动部件上单边安装4个导向轮，根据Maxwell的计算结果得出，每个导向轮至少承受25Kg的力。即选择1.2寸能够承受40Kg的导向轮。图2-19 导向轮的排布2.4 永磁磁悬浮演示装置的结构优化2.3.1 磁铁排布的优化初步确定的结构示意图如下所示：图2-18 初始确定磁铁保持架结构示意图当磁铁排列顺序入上图所示时，在浮动磁座部件运动到如图2-19所示位置时，没有磁力使浮动部件浮起。图2-19 初始磁铁排布结构示意图利用ANSYS分析磁场分布，将固定磁座部件上的磁铁盒结构重新设计与磁铁排列分布优化。即将其磁铁保持架与磁铁排列设计成如下图所示：图2-19 改善后磁铁分布及磁铁保持架结构示意图金陵科技学院学士学位论文 第四章 零件加工工艺的分析第3章 永磁磁悬浮演示装置的力学特性分析3.1 ANSYS MAXWELL有限元分析3.1.1 MAXWELL有限元分析简介MAXWELL软件是国际上流行的大型通用有限软件包，是功能强大的电磁场仿真工具，主要用于电场、磁场、涡流场、热场等领域的分析与计算中。该软件较比其他有限元软件有以下机电优势：1、 具有强大的数据处理功能；2、 拥有简便易行的绘图功能同时方便导入其他绘图软件形成的模型；3、 在剖分过程中，可进行手动剖分和自动剖分，网格形状和疏密程度灵活多样，能量误差可减小到任意指定值；4、 能够进行各类线性和非线性分析。3.1.2 永磁磁悬浮装置的MAXWELL 2D静态分析Maxwell2D静磁场求解器可以计算由直流电流、永磁体等横定激磁源所激励的横定磁场。1、 创建项目启动MAXWELL并建立新的项目文件，定义瞬态分析类型，如图3-1所示图3-1 定义分析属性2、创建永磁2D模型绘制几何模型，模型示意图3-2所示，模型的基本设置主要包括长度、定义材料及时间、力的设定几方面内容。 图3-1 模型示意图 图3-2 模型的基本设置 3、划分网格对不同的零件进行不同数值的网格划分，如图3-3所示 图3-2 网格划分设置4、 设置边界对模型设置边界条件，保证运行在其边界内。 图3-3 边界条件的设定5、 设置加载对模型施加载荷，并进行时间的设置。图3-4 时间的设置6、 求解结果1）、当磁铁相对位置如图3-5所示时， 图3-5 磁铁的相对位置装置所受的力如图所示 图3-6 磁铁正对时求解结果2）、当浮动部件向上移动10MM时，此时磁铁位置如图3-5所示，图3-7 磁铁的相对位置装置所受的力如图所示 图3-8 求解结果3）、当浮动部件向上移动16MM时，此时装置竖直方向所受的力如图所示 图3-9 求解结果根据以上分析结果得知：浮动部件竖直方向受到的最大磁力是5419.6N。3.2 ANSYS有限元分析3.2.1 永磁磁悬浮装置的结构静力学分析ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，SolidWorks，AutoCAD等现代产品设计中的高级CAD工具之一。3.2.2 永磁装置的结构静力学分析结构静力学分析是有限元分析中最简单的，同时也是最基础的分析方法，一般工程计算中最经常应用的方法就是静力分析。所谓静力就是结构收到静态荷载的作用，惯性和阻尼可以忽略。在静态载荷作用下，结构处于静力平衡状态，此时必须充分约束，但由于不考虑惯性，则质量对结构没有影响。但是很多情况下，如果荷载周期远远大于结构自振周期（即缓慢加载），则结构的惯性效应能够忽略，这种情况可以简化为线性静力分析来进行。 许进峰.ANASY.WORKBENCE 15.0.完全自学一本通.电子工业出版社.2011、 创建项目启动ANSYS并建立分析项目，如图3-10所示， 图3-10 创建项目2、 创建几何体创建如图所示的几何体图3-11 几何体3、 添加材料图3-11 添加材料4、 施加载荷和约束给承重板施加一个恒力图3-12 施加载荷和约束5、 求解结果图3-13 总应力分析云图当施加500Mpa的载荷时，承重板受到的最大变形为0.38mm。 第四章 零件加工工艺的分析机械加工工艺是指用机械加工的方法改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质使其成为合格零件的全过程，加工工艺是工人进行加工的一个依据4.1 机械加工工艺的具体概念机械加工工艺流程是工件或者零件制造加工的步骤，采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。比如一个普通零件的加工工艺流程就是粗加工-精加工-装配-检验-包装，就是个加工的笼络流程。机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是根据实际情况编写的特定的加工工艺。4.2 机械加工工艺流程机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件之一，它是在具体的生产条件下，把较为合理的工艺过程和操作方法，按照规定的形式书写成工艺文件，经审批后用来指导生产。机械加工工艺规程一般包括以下内容：工件加工的工艺路线、各工序的具体内容及所用的设备和工艺装备、工件的检验项目及检验方法、切削用量、时间定额等。制定工艺规程的步骤：1) 计算生产纲领，确定生产类型。2) 分析零件图及产品装配图，对零件进行工艺分析。3) 选择毛坯。4) 拟定工艺路线。5) 确定各工序加工余量，计算工序尺寸及公差。6) 确定各工序所用的设备及刀具、夹具、量具和辅助工具。7) 确定切削用量及工时定额。8) 确定各主要工序的技术要求及检验方法。9) 填写工艺文件。在制订工艺规程的过程，往往要对前面已初步确定的内容进行调整，以提高经济效益。在执行工艺规程中，可能会出现前所未料的情况，如生产的条件变化，新技术、新工艺的引进，新材料、先进设备的应用等，都要及时对工艺规程进行修订和完成。 刘强.典型零件加工工艺分析.无锡.无锡技术师范学院4.3 制定机械加工工艺规程的内容和步骤对零件的家工工艺规程进行之前，首先对零件进行工艺分析。其主要内容包括：1 分析零件的作用及零件图上的技术要求。2 分析零件主要加工表面的尺寸、形状及位置精度、表面粗糙度及设计基准；3 分析零件的材质、热处理及机械加工的工艺性。如图 所示的零件是演示装置中的承重板，用作承担板及以上的重量，并且用来固定支撑两侧的磁铁支撑板。本零件生产类型为小批量生产。下面该对零件进行精度分析。图4-1 承重板1、 产品结构形状分析金陵科技学院学士学位论文 第五章 永磁体的安装注意图4-2 承重板零件图由零件图可知产品为板型落料，冲孔，对称，有尖角。孔与孔之间的距离为194mm、340mm，螺纹孔之间的距离为270mm、60mm，板料厚度为10mm。2、 产品尺寸、粗糙度、材料1) 产品尺寸、粗糙度由零件图可知。2) 产品材料分析：由零件图知，该称重板的材料为Q235-A，Q235-A的韧性和塑性较好，有一定的伸长率，具有良好的焊接性能和热加工性。最低抗拉强度为370Mpa，具有成本低、韧性、塑性好。切结构简单，加工数量为单件小批量生产。3、 制订承重板的工艺过程加工顺序为先面后孔，以加工好的平面来定位，再来加工孔。由于孔均匀分布在零件平面上，先加工好平面，钻孔时，钻头不易引偏，扩孔或绞孔时，刀具也不易崩刃。4、 定位基准的选择单件小批生产的零件一般用的装配基面做定位基准5、 承重板的加工工艺路线简述表4-1 承重板工艺路线简述工序工序名称工序内容设备工艺装备1切割毛坯根据零件图切割符合尺寸的毛坯切割机切割机2粗、精加工粗、精加工承重板的表面铣台铣刀3划线以粗加工的表面为基准，对表面进行划线。划线台划针4钻孔，锪平孔绞丝螺纹孔加工孔、锪平孔、螺纹孔钻孔机镗刀第5章 永磁体的安装注意5.1 永磁体目前，常用的永磁体材料有铝镍钴、钡铁氧体和锶铁氧体、钐钴、和钕铁硼，这是按发明的先后顺序排列的；若按年产吨位排列则为：铁氧体、钕铁硼、铝镍钴、钐钴。本文使用的是钕铁硼。钕铁硼永磁体是一种储能材料，可以在一定空间内产生恒定磁场。由于其极高的矫顽力和磁能积，特别是在20150环境下相对于其它永磁体的优异表现，使得钕铁硼永磁材料在多种领域特别是现代高科技领域获得了广泛应用。其应用从物理原理上我们可以分为以下几种：1、电能-机械能转换，如：电动机，扬声器，VCM音圈电机等；2、机械能-电能转换，如：发电机，受话器，测量仪表等；3、机械能-机械能，如：磁分离，磁悬浮，磁传动，磁吊磁吸盘等；4、利用磁场的物理效应，如：磁共振，磁化除蜡，磁化节油等。钕铁硼主要的影响因素：环境温度。由于烧结钕铁硼具有负的温度系数（Br-0。13%/，Hcj-0。6%/），所以使用环境的瞬间最高温度和持续最高温度都会对磁体本身产生不同程度的退磁，包括可逆的和不可逆的，可恢复的和不可恢复的。环境湿度。钕铁硼本身是易腐蚀，氧化的，一般我们采取表面处理的方式来保护永磁体，但并不能从根本上解决环境湿度对磁体的影响。环境愈干燥，磁体的使用寿命就愈长久。 朱后定.常用永磁材料的特性参数.常用材料及应用知识讲座.2007年5.2 钕铁硼的安装注意注意事项:1 磁铁材料为钕铁硼，磁性非常强，操作时应避免手或身体的其他部分被磁铁夹住，对于尺寸较大的磁铁更应重视人身安全和防护。2 切勿将磁铁接近电子医疗器械或携带起搏器等医疗设备的人。3 磁铁在使用过需确保工作场所洁净，以免铁屑等细小杂志吸附在磁铁表面影响产品的正常使用。4 钕铁硼磁铁磁性非常强，如对其进行强烈冲击，磁体会破碎并飞散，磁碎片可能会飞入眼中，小心使用。5 钕铁硼磁铁适宜存放在通风干燥的室内，酸性、碱性、有机溶剂、水中、高温潮湿的环境容易使磁体产生锈蚀，镀层脱落磁体粉化退磁。对于未电镀的产品更应注意，存放时可适当涂油防锈。6 遇热后，钕铁硼磁铁的磁性性能会大大降低。7 在使用或保管磁铁时，避开含有腐蚀性气体、导电性高的环境、酸性环境、有机溶剂等。否则会引起磁体腐蚀及磁性能和机械强度的减弱。8 磁体硬而脆，因此在用于振动、冲击等场合时，可能会断裂、脱落等现象金陵科技学院学士学位论文 参考文献第6章 总结与展望6.1 本文主要工作本文首先建立起浮动磁座和固定磁座筋板的基础模型，选择安装导向轮后，然后通过ANSYS MAXWELL有限元模块MAXWELL 2D对永磁磁悬浮装置进行静态分析、ANSYS有限元对永磁装置的结构进行静力学分析，最后对永磁磁悬浮演示装置的进行结构优化，做出符合要求的永磁磁悬浮装置。整个实验的核心在于装置的力学特征分析，确定装置的竖直方向受到的最大磁力以及承重板在500MPA下的最大变形。另外装置选择及优化，零件加工工艺、永磁安装方式也是装置设计的关键。通过本次的永磁磁悬浮装置结构设计，我们不难发现永磁磁悬浮在悬浮力、经济性、平衡性、环境适应性这些方面拥有极大的优势，并且装置的系统结构简单，值得在更多的行业领域进行推广。6.2 展望通过本次永磁磁悬浮装置的结构设计，我们觉得永磁磁悬浮技术相对于常导、超导来说降低了对电力的依赖，减少了能耗。并且永磁磁悬浮的装置相对的简单，促使它可以在更复杂的环境中可以运用，并且经济性好，结构稳定。我们认为未来的永磁磁悬浮的发展方向是针对于更复杂的自然环境或者工作环境装置开发相对应的装置，以及在现今技术相对成熟的领域中在使用结构进行简化或者进行结构的升级，以便于达到更好的机械性能。永磁技术的发展另一方面是在于永磁材料技术的进步，物理性能更好、经济性更佳的材料对于该技术的推广是至关重要。磁悬浮列车一直以来是该行业的关注热点，永磁磁悬浮技术拥有其他磁悬浮技术无可取代的优势。在下一代磁悬浮列车的开发中，永磁技术有很大的可能性投入使用，改善现在磁悬浮列车的噪音和能耗缺陷。磁悬浮轴承则是我国国计民生的重点项目，我国的该项技术目前还处于实验室研究阶段和少部分行业运用中，我们一致希望尽快开发出真正可以产业化的大型磁悬浮轴承，满足工业生产的实际需要，保证生产的稳定性。总之，永磁磁悬浮技术终究会以其结构优势进入我们的生产生活中。参考文献1 李维晖，张宏.磁悬浮装置的设计与研究. 北京. 北京理工大学2 刘强.典型零件加工工艺分析.无锡.无锡技术师范学院3 成大先 机械设计手册 第一卷.化学工业出版社4 张士勇.磁悬浮技术的应用现状与展望.长安大学基础部5 张岩.ANSYS.WORKBENCE 15.0.有限元分析.机械工业出版社.20146 毛保华、黄荣、贾顺平.磁悬浮技术在中国的应用前景分析.北京交通 大学7 许进峰.ANASY.WORKBENCE 15.0.完全自学一本通.电子工业出版社.2018 王天录、吴锦青.我国磁悬浮铁路的发展状况.电气化铁道.2002年.第2期.38-419 缪炳荣、肖守讷、罗世辉、金鼎昌、雷成.磁悬浮车辆结构动力学.中国铁道科学.2006年1月.第27卷第一期.104-10810 程建峰、苏晓峰.磁悬浮列车的发展及应用.高速列车.2003年11月.第41卷11期.14-1711 朱后定.常用永磁材料的特性参数.常用材料及应用知识讲座.2007年12 吴华.常导/超导磁悬浮演示装置的控制.西南交通大学.2006年6月致谢忙碌而紧张的毕业设计就要结束了，在完成了永磁磁悬浮演示装置的结构设计后，我感到喜悦和自豪。在我做毕业设计期间，感谢艾凌节能技术有限公司给予我平台和知道老师对我的指导。这次毕业设计让我受益匪浅。经过了2个月的奋斗，我学会了SolidWorks三维画图软件和ANSYS、Maxwell有限元分析软件。在这次毕业设计中，我曾遇到一些困难，比如如何利用ANSYS分析受力，而在克服这些困难的过程中，我收到了艾凌节能有限公司同事的帮助。通过这次毕业设计，我进一步了解了永磁磁悬浮装置的原理。