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[摘 要]新型磁悬浮直线平台以无摩擦、无污染、高强度的优点被人们所熟知。它是由磁悬浮运动装置和电磁直线驱动装置两部分构成的，其作用就是能够对平台的大运动行程和高运动精度进行精确定位。本文主要对磁悬浮直线运动平台在运行过程中存在的电磁铁发热问题进行了讨论，对其发热原理、发热量等进行了分析之后，得出重要结论。希望本文的探究可以对未来磁悬浮直线运动平台的结构优化起到一定程度的参考作用。
[关键词]磁悬浮直线运动、热分析、冷却装置
中图分类号：TM503.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0152-01
前言
与传统模式相比，磁悬浮技术的原理是充分利用电磁力使悬浮体稳定的悬浮于轨道上方并且与轨道毫无接触，这样一来就会有很多优势以至于得到了广泛的应用。在运动平台上应用磁悬浮技术可以实现高精度定位并且发展前景非常广阔，所以越来越受到人们的关注。要想在目前存在的运动平台中把高精度定位和大运动行程一同实现是比较困难的。但是本文提到的新型磁悬浮直线运动平台能够做到兼顾两者，当然，其工作环境也比较特殊，适合在真空的环境下进行工作。
1.磁悬浮直线运动平台的结构
悬浮体、与基座固连在一起的精密导轨等组成了新型磁悬浮直线运动平台。当平台处于稳定行驶的过程中时，悬浮体和精密导轨是分离的，没有任何接触。平台在导轨上方悬浮着，同时沿着导轨做来回的直线运动。悬浮结构和推进结构是按照平台各部分的功能差异来划分的。悬浮体、电磁铁及间隙传感器构成了悬浮结构，其作用是为了保证悬浮体能够稳定的悬浮在导轨上。直线电机定子及动子、导轨、挡板和光栅尺组成了推进结构，其作用是使运动平台能够沿着导轨运动。推进结构中的直线电机定子安装在基座上，动子安装在悬浮体的内部，两者之间是没有任何接触的。直线电机定子和动子之间有一定的电磁力，而也正是这个力量驱赶着悬浮体沿着导轨做直线运动。推进结构中挡板有两个并且安装在导轨的末端，其目的是为了防止平台在运动过程中脱轨。四对U型和两对E型的电磁铁分别安装于悬浮体的内部。当电磁铁线圈通电之后，电磁悬浮力就会产生，上下电磁铁分别对悬浮体产生不同方向的拉力。由于上电磁力和下电磁力之间存在的差异中和掉了悬浮体本身的重量，所以运动平台才会悬浮。[1]悬浮体要想稳定的悬浮于导轨上方，并保持平衡就需要通过位移传感器来对悬浮体的位置進行实时监测，同时控制器要对线圈间的电流进行控制，针对不同变化对电磁悬浮力进行相应的调整。如果想要对平台实现直线运动和精确定位就需要悬浮体在导轨上直线运动时反馈系统对悬浮体的运动位置进行实时测量。
2.电磁铁的发热机理
铁心、线圈和其他辅助固定装置共同组成了电磁铁，它是运动平台的关键，也是平台悬浮运动的执行器。电磁铁按照铁心的结构可以划分为很多类型，但是应用最为广泛的是U型电磁铁和E型电磁铁。新型磁悬浮直线运动平台中的上下部位用的是U型，侧面用的则是E型，这样一来就可以减少磁铁之间的磁场耦合。电磁铁中的重要部位就是铁心，铁心材料的好坏直接决定了电磁铁的工作性能，因此对于铁心的选择要十分的慎重。硅钢片的特点是导磁率较大、磁滞回线较狭窄、剩磁及矫顽力小，所以通常选用这种材质的铁心。这种材质的铁心较薄，外表光滑，精度高，同时磁性能也很好。电磁铁功率损耗导致新型磁悬浮直线运动平台热量的产生，这些损耗全部都以热的形式散发出去，并且整个过程都是不可逆的。电磁铁的功率损耗包括铜损和铁损，其中发热的主要来源就是铜损，因此如何将线圈中的损耗减少是进行冷却分析的重点。
3.模型仿真实验结论
众所周知，热传导、热对流、热辐射是热传递的三种方式。热辐射在温度较低的情况下可以忽略不计，因此运动平台主要通过热传导、热对流来进行散热。运动平台的温度会随着热量的变化而变化。通过对平台进行模型仿真操作后我们发现仿真操作进行了六个小时之后，上下电磁铁线圈的温度达到了最高。下线圈的温度最高，其次是上线圈，温度最低的是侧线圈。温度之所以聚集在电磁铁线圈，是由于竖直电磁铁通过的电流最大从而使得发热也最多，再加上介质的导热系数小所导致的。值得注意的是在刚开始的一段时间里温度变化很快，但是后来渐渐平缓，最后达到稳定状态[2]。
4.真空环境下的热分析
通过上述实验可知，在常温常压的环境下，运动平台的电磁铁温度在刚开始的时候迅速增加，随后趋于缓慢，最后达到稳定状态。最后稳定的温度和室温几乎相等，也就说明在这种情况下不用进行冷却就可以保证精度要求。但是在一些先进的设备中，平台的工作环境是真空的。由于在真空的环境下无法进行散热，温度就会逐渐升高，这样一来就会对运行精度产生影响。怎样解决真空环境下温度的不断升高成了人们关注的焦点。通过对真空状态下的运动平台进行试验模拟之后发现在真空状态下，电磁铁温度近似线性增加，尽管经过一段时间后增加速率放慢，但是还是呈线性增加状态，并且会一直增加下去。在这样的高温状态下线圈及铁心之间的绝缘材料会快速老化，严重的情况下有可能直接将电磁铁烧毁，这样就很难保证平台的定位精度了。当前最先要解决的问题就是将电磁铁温度控制在合理的范围内，因此安装冷却装置就成了不二之选。由于平台处于真空状态下，所以建议采用水冷对电磁铁进行冷却，这样的话就可以适度增加对流散热直接对热源进行强制冷却。导热率较大的铝制管是冷却管的最佳选择，平台安装上冷却装置之后散热方式就变成了水冷对流和热传导，有利于温度稳定，达到和外界环境温度相持平的状态。[3]要想使冷却效果非常明显就需要使管的对流换热系数达到1000W/（m2℃），改善温度的变化趋势。悬浮精度不受影响就必须保证温度的变化程度，这样才能满足精度要求。
总结
通过对新型磁悬浮直线运动平台的电磁铁发热问题进行了详细的分析之后得出了非常重要的结论：如果运行环境是常温常压的，那么电磁铁的温度会在运行的过程中上升到一定程度之后趋于平稳，但是如果在真空的环境下电磁铁的温度就会一直处于上升的状态，因此必須安装冷却装置使温度降低。在冷却管的选择方面需要注意的是，只有冷却管的对流换热系数大于1000W/（m2.℃）才能使冷却效果更加明显。
参考文献
[1] 王晓亮.磁悬浮直线运动平台的结构设计与优化[D].山东大学，2013.
[2] 周海波.磁悬浮直线运动系统的设计与控制研究[D].中南大学，2010.
[3] 段吉安，郭宁平，周海波.一种新型磁悬浮直线运动平台的热分析[J]. 中国电机工程学报，2011，（15）：114-120.
[关键词]磁悬浮直线运动、热分析、冷却装置
中图分类号：TM503.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0152-01
前言
与传统模式相比，磁悬浮技术的原理是充分利用电磁力使悬浮体稳定的悬浮于轨道上方并且与轨道毫无接触，这样一来就会有很多优势以至于得到了广泛的应用。在运动平台上应用磁悬浮技术可以实现高精度定位并且发展前景非常广阔，所以越来越受到人们的关注。要想在目前存在的运动平台中把高精度定位和大运动行程一同实现是比较困难的。但是本文提到的新型磁悬浮直线运动平台能够做到兼顾两者，当然，其工作环境也比较特殊，适合在真空的环境下进行工作。
1.磁悬浮直线运动平台的结构
悬浮体、与基座固连在一起的精密导轨等组成了新型磁悬浮直线运动平台。当平台处于稳定行驶的过程中时，悬浮体和精密导轨是分离的，没有任何接触。平台在导轨上方悬浮着，同时沿着导轨做来回的直线运动。悬浮结构和推进结构是按照平台各部分的功能差异来划分的。悬浮体、电磁铁及间隙传感器构成了悬浮结构，其作用是为了保证悬浮体能够稳定的悬浮在导轨上。直线电机定子及动子、导轨、挡板和光栅尺组成了推进结构，其作用是使运动平台能够沿着导轨运动。推进结构中的直线电机定子安装在基座上，动子安装在悬浮体的内部，两者之间是没有任何接触的。直线电机定子和动子之间有一定的电磁力，而也正是这个力量驱赶着悬浮体沿着导轨做直线运动。推进结构中挡板有两个并且安装在导轨的末端，其目的是为了防止平台在运动过程中脱轨。四对U型和两对E型的电磁铁分别安装于悬浮体的内部。当电磁铁线圈通电之后，电磁悬浮力就会产生，上下电磁铁分别对悬浮体产生不同方向的拉力。由于上电磁力和下电磁力之间存在的差异中和掉了悬浮体本身的重量，所以运动平台才会悬浮。[1]悬浮体要想稳定的悬浮于导轨上方，并保持平衡就需要通过位移传感器来对悬浮体的位置進行实时监测，同时控制器要对线圈间的电流进行控制，针对不同变化对电磁悬浮力进行相应的调整。如果想要对平台实现直线运动和精确定位就需要悬浮体在导轨上直线运动时反馈系统对悬浮体的运动位置进行实时测量。
2.电磁铁的发热机理
铁心、线圈和其他辅助固定装置共同组成了电磁铁，它是运动平台的关键，也是平台悬浮运动的执行器。电磁铁按照铁心的结构可以划分为很多类型，但是应用最为广泛的是U型电磁铁和E型电磁铁。新型磁悬浮直线运动平台中的上下部位用的是U型，侧面用的则是E型，这样一来就可以减少磁铁之间的磁场耦合。电磁铁中的重要部位就是铁心，铁心材料的好坏直接决定了电磁铁的工作性能，因此对于铁心的选择要十分的慎重。硅钢片的特点是导磁率较大、磁滞回线较狭窄、剩磁及矫顽力小，所以通常选用这种材质的铁心。这种材质的铁心较薄，外表光滑，精度高，同时磁性能也很好。电磁铁功率损耗导致新型磁悬浮直线运动平台热量的产生，这些损耗全部都以热的形式散发出去，并且整个过程都是不可逆的。电磁铁的功率损耗包括铜损和铁损，其中发热的主要来源就是铜损，因此如何将线圈中的损耗减少是进行冷却分析的重点。
3.模型仿真实验结论
众所周知，热传导、热对流、热辐射是热传递的三种方式。热辐射在温度较低的情况下可以忽略不计，因此运动平台主要通过热传导、热对流来进行散热。运动平台的温度会随着热量的变化而变化。通过对平台进行模型仿真操作后我们发现仿真操作进行了六个小时之后，上下电磁铁线圈的温度达到了最高。下线圈的温度最高，其次是上线圈，温度最低的是侧线圈。温度之所以聚集在电磁铁线圈，是由于竖直电磁铁通过的电流最大从而使得发热也最多，再加上介质的导热系数小所导致的。值得注意的是在刚开始的一段时间里温度变化很快，但是后来渐渐平缓，最后达到稳定状态[2]。
4.真空环境下的热分析
通过上述实验可知，在常温常压的环境下，运动平台的电磁铁温度在刚开始的时候迅速增加，随后趋于缓慢，最后达到稳定状态。最后稳定的温度和室温几乎相等，也就说明在这种情况下不用进行冷却就可以保证精度要求。但是在一些先进的设备中，平台的工作环境是真空的。由于在真空的环境下无法进行散热，温度就会逐渐升高，这样一来就会对运行精度产生影响。怎样解决真空环境下温度的不断升高成了人们关注的焦点。通过对真空状态下的运动平台进行试验模拟之后发现在真空状态下，电磁铁温度近似线性增加，尽管经过一段时间后增加速率放慢，但是还是呈线性增加状态，并且会一直增加下去。在这样的高温状态下线圈及铁心之间的绝缘材料会快速老化，严重的情况下有可能直接将电磁铁烧毁，这样就很难保证平台的定位精度了。当前最先要解决的问题就是将电磁铁温度控制在合理的范围内，因此安装冷却装置就成了不二之选。由于平台处于真空状态下，所以建议采用水冷对电磁铁进行冷却，这样的话就可以适度增加对流散热直接对热源进行强制冷却。导热率较大的铝制管是冷却管的最佳选择，平台安装上冷却装置之后散热方式就变成了水冷对流和热传导，有利于温度稳定，达到和外界环境温度相持平的状态。[3]要想使冷却效果非常明显就需要使管的对流换热系数达到1000W/（m2℃），改善温度的变化趋势。悬浮精度不受影响就必须保证温度的变化程度，这样才能满足精度要求。
总结
通过对新型磁悬浮直线运动平台的电磁铁发热问题进行了详细的分析之后得出了非常重要的结论：如果运行环境是常温常压的，那么电磁铁的温度会在运行的过程中上升到一定程度之后趋于平稳，但是如果在真空的环境下电磁铁的温度就会一直处于上升的状态，因此必須安装冷却装置使温度降低。在冷却管的选择方面需要注意的是，只有冷却管的对流换热系数大于1000W/（m2.℃）才能使冷却效果更加明显。
参考文献
[1] 王晓亮.磁悬浮直线运动平台的结构设计与优化[D].山东大学，2013.
[2] 周海波.磁悬浮直线运动系统的设计与控制研究[D].中南大学，2010.
[3] 段吉安，郭宁平，周海波.一种新型磁悬浮直线运动平台的热分析[J]. 中国电机工程学报，2011，（15）：114-120.