基于抗磁懸浮熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

中圖分類號(hào)：TN201文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and research on optical drive rotating structure of antimagnetic levitation pyrolytic graphite

YU Mingxin，CAO Mingrui，LI Jianlang （School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200o93，China）

Abstract： The optical drive movement of anti-magnetic levitation pyrolytic graphite is of great significance to the optical manipulation of objects and the acquisition of optical energy. At present， the existing rotating system of optical drive based on pyrolytic graphite has the problems of low rotating speed and low energy conversion efficiency. Therefore， it is proposed to adjust the magnetic field around the magnetic levitation pyrolytic graphite to directionally enhance its rotation. Specifically， a magnetic levitation base structure with circular magnetic field defects was designed to improve the rotation speed of pyrolytic graphite under irradiation. Firstly， based on the magnetic field theory and heat conduction theory， a numerical analysis model was established， and the realization mechanism and motion law of the magnetic levitation pyrolytic graphite optical drive were explained. Then the optical driving effect of the designed magnetic levitation structure was verified by experiments. The results showed that the maximum rotation speed of pyrolytic graphite was 3.5r/s driven by semiconductor laser with wavelength of 808nm and power of 200mW Compared with the original structure， in the power range of 20 to 200mW ，drivenby the laserwith the same optical power， the rotating speed of the pyrolytic graphite was increased by 1 to 2 times. It had better stability and lower rotation threshold power. The research results provide reference for the design of optical drive rotating devices and new optical energy collection systems.

Keywords： anti-magnetic levitation; optical drive rotation; pyrolytic graphite; permanent magnet

引言

磁懸浮技術(shù)具有無(wú)摩擦特性，能減少物體間的接觸磨損，被廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械與軌道交通設(shè)備（如軸承、電機(jī)、列車等）[1-3]。目前該技術(shù)主要依賴主動(dòng)懸浮方式，需要外界持續(xù)供能以維持懸浮狀態(tài)。而抗磁懸浮是一種被動(dòng)懸浮方式，具有抗磁性的物體能在磁場(chǎng)中產(chǎn)生與原磁場(chǎng)相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，從而受到磁場(chǎng)的斥力，甚至懸浮于磁場(chǎng)中。抗磁懸浮的實(shí)現(xiàn)無(wú)需外界能量的輸入?？勾艖腋∽畹湫偷睦邮浅瑢?dǎo)體的邁斯納效應(yīng)，即超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，但實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)需要保持極低的溫度，同樣需要消耗大量能量。在常溫下，自然界中許多物質(zhì)的抗磁性都很弱，無(wú)法在較低的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)懸浮，但熱解石墨卻表現(xiàn)出顯著的抗磁性[4-5]，能在永磁鐵提供的磁場(chǎng)中穩(wěn)定懸浮。

熱解石墨不僅能在常溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，還能在光操縱下實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)。光驅(qū)動(dòng)方法具有遠(yuǎn)程操縱與無(wú)接觸的特性，不需要使用額外供源組件。已有的光驅(qū)動(dòng)方法，如光鑷、光致熱泳等只能實(shí)現(xiàn)微納尺寸物體的驅(qū)動(dòng)[6-7]，而磁懸浮熱解石墨的光驅(qū)動(dòng)則實(shí)現(xiàn)了大尺寸物體的直接操縱。2012年，Kobayashi等[首次實(shí)現(xiàn)了磁懸浮熱解石墨的光驅(qū)動(dòng)。他們采用不同的永磁懸浮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱解石墨的平移運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但沒有解釋磁懸浮熱解石墨在光驅(qū)動(dòng)下沿不同方向旋轉(zhuǎn)的機(jī)理。2021年，童鑫等通過(guò)計(jì)算懸浮熱解石墨在光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中扭矩及勢(shì)能的變化，從理論上證實(shí)了導(dǎo)致磁懸浮熱解石墨在光驅(qū)動(dòng)下沿不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)理，即嵌套永磁體間存在的偏心導(dǎo)致了熱解石墨的旋轉(zhuǎn)。目前，基于光驅(qū)動(dòng)的磁懸浮熱解石墨已實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用，包括磁懸浮轉(zhuǎn)盤激光器、懸浮微型貨物裝配機(jī)器人以及新型光功率傳感器等[10-12] 。

在已有研究中，光誘導(dǎo)磁懸浮熱解石墨的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在 300mW 激光驅(qū)動(dòng)下僅達(dá)到 0.33r/s^[8] 由于光能轉(zhuǎn)化效率偏低，其在光驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用受到顯著制約。對(duì)磁懸浮基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、設(shè)計(jì)，是提高熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的有效方法。為此設(shè)計(jì)了一種帶有圓形缺陷的嵌套永磁結(jié)構(gòu)，在環(huán)形分布的磁場(chǎng)中引入圓形磁場(chǎng)缺陷。相比原始永磁結(jié)構(gòu)，圓孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)缺陷更集中，磁場(chǎng)強(qiáng)度在局部區(qū)域的突變更大，在同等功率光照下，熱解石墨產(chǎn)生的扭矩更大。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面說(shuō)明了熱解石墨在光照下的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并比較了原始磁懸浮結(jié)構(gòu)與本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)對(duì)熱解石墨的光驅(qū)動(dòng)效果。

1 數(shù)值計(jì)算

為分析懸浮抗磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，首先計(jì)算了永磁體的空間磁場(chǎng)分布，然后計(jì)算了抗磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中的受力及力矩[13-14]，據(jù)此來(lái)判斷抗磁物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？勾艖腋∠到y(tǒng)為無(wú)電流的靜磁場(chǎng)系統(tǒng)，可采用等效磁荷法計(jì)算永磁體產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)分布[15-16]，其中磁鐵由等效磁荷分布模擬，通過(guò)磁荷分布得到總磁場(chǎng) H ，進(jìn)一步可以得到抗磁物質(zhì)所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的分布

B=μ₀（H+M）

式中： μ₀ 為真空磁導(dǎo)率； M 為磁化強(qiáng)度。對(duì)于熱解石墨，其具有較高的晶格取向，在不同方向上的抗磁化率 χ 有一定差異，其磁化強(qiáng)度 M 可以表示為

M=χ?H=χ_xH_x+χ_yH_y+χ_zH_z

式中： χ 在 x-y 平面的值 χ_x=χ_y=-0.85×10^-4 在 z 方向（軸向）的值 χ_z=-4.5×10^-4 。

接下來(lái)計(jì)算熱解石墨在磁場(chǎng)中的受力。由于熱解石墨的磁化方向與原磁場(chǎng)方向相反，因此它會(huì)受到原磁場(chǎng)的斥力。熱解石墨在磁場(chǎng)中的抗磁力可以表示為

圖，它由圓形熱解石墨以及釹鐵硼（NdFeB）永磁體組成。為了描述激光在熱解石墨表面的照射位置，以熱解石墨表面的圓心為原點(diǎn)，以磁鐵表面的基準(zhǔn)軸線 L₁ 的方向?yàn)闃O軸，建立極坐標(biāo)系，通過(guò)照射角 θ 及距原點(diǎn)的距離 R 確定激光在熱解石墨上的照射位置。實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為 808nm 的半導(dǎo)體耦合激光，激光照射點(diǎn) P 的直徑約為1.5mm 。熱解石墨懸浮于永磁體結(jié)構(gòu)正上方，半徑為 6mm ，厚度為 50μm 。對(duì)于NdFeB永磁體，原始的永磁懸浮結(jié)構(gòu)，即不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。它是由軸向充磁的柱形磁體M₁ 與環(huán)形磁體 M₂ 相互嵌套而成。熱解石墨可以穩(wěn)定懸浮于嵌套磁鐵軸向表面上方。在該結(jié)構(gòu)中， M₂ 的內(nèi)外半徑 R₂ 與 R₃ 分別為 6mm 與11mm ， M₁ 的半徑 R₁ 為 5mm 。由于 R₁ 與 R₂ 尺寸不匹配以及永磁體間磁場(chǎng)力的作用， M₂ 的軸心 O₁ 相對(duì) M₁ 的軸心 o 會(huì)發(fā)生一定偏移，偏心量為 Δx ，且 Δx 的值可調(diào)。該永磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱解石墨旋轉(zhuǎn)的機(jī)理為：內(nèi)外磁體間尺寸 R₁ 與R₂ 的不匹配，使具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性分布的磁場(chǎng)發(fā)生偏移，熱解石墨在光照下受到非均衡變化的磁力，產(chǎn)生 z 軸方向的扭矩，驅(qū)動(dòng)其發(fā)生旋轉(zhuǎn)。但受限于該結(jié)構(gòu)，熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)速率較低。

式中： f 為抗磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中的力密度； V 為抗磁物質(zhì)的體積。其中， f 可以表示為[16]

f=χ_xB_x²+χ_yB_y²

懸浮熱解石墨的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由磁力矩導(dǎo)致，通過(guò)計(jì)算熱解石墨磁力矩的方向及大小可以判斷其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向及大小[18-19]

式中： τ 為扭矩； r 為抗磁物質(zhì)相對(duì)轉(zhuǎn)軸的位置矢量?？勾艖腋∠到y(tǒng)中抗磁物質(zhì)的磁化方向始終與原磁場(chǎng)方向相反，因此式（5）中的第一項(xiàng)M×B 恒為0。此外，熱解石墨在 x-y 平面繞z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其扭矩沿 z 軸方向，進(jìn)一步化簡(jiǎn)式（5）可以得到熱解石墨的軸向扭矩 τ_z 為

式中： 為單位抗磁物質(zhì)相對(duì)轉(zhuǎn)軸的距離；f_x 與 f_y 為單位抗磁物質(zhì)在 x，y 軸方向的力密度分量。

本文設(shè)計(jì)的永磁懸浮結(jié)構(gòu)，即圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。它由柱形磁鐵 M₃ 與環(huán)形磁鐵 M₄ 嵌套組成。采用圓形嵌套結(jié)構(gòu)不僅能將熱解石墨限制在中心穩(wěn)定位置，防止熱解石墨偏移出磁場(chǎng)范圍，而且磁體產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)分布與圓形熱解石墨的形狀相匹配，熱解石墨在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的磁阻低。其中 M₄ 的外半徑 r₃ 為 11mm 與原始結(jié)構(gòu)不同的是，圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)中環(huán)形磁鐵 M₄ 的內(nèi)半徑 r₂ 與柱形磁鐵 M₃ 半徑 r₁ 等大，都為 6mm 。內(nèi)外磁鐵的完美嵌套，增大了熱解石墨轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。此外，該結(jié)構(gòu)不再通過(guò)嵌套磁體間尺寸的不匹配來(lái)產(chǎn)生非均勻磁場(chǎng)，而是在柱形磁體中引入直徑為 d 的圓形通孔來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)缺陷，使得熱解石墨周圍的磁場(chǎng)非均衡分布。環(huán)形磁鐵軸心與圓形通孔軸心的距離為 L 。相比原始永磁結(jié)構(gòu)在整個(gè)環(huán)形區(qū)域產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)，圓孔產(chǎn)生的磁場(chǎng)缺陷更集中，磁場(chǎng)強(qiáng)度在局部區(qū)域的突變更大，在同等功率光照下熱解石墨產(chǎn)生的峰值轉(zhuǎn)速更高。為了準(zhǔn)確比較兩種結(jié)構(gòu)

2 理論模擬與實(shí)驗(yàn)分析

2.1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1（a）為磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置

的性能差異，模型間參數(shù)基本保持一致，磁鐵高度都為 10mm ，剩余磁通密度均為 1.4T ，且沿z 軸方向。

2.2磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理分析

針對(duì)本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，分析其在光照條件下驅(qū)動(dòng)熱解石墨的原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用COMSOL軟件建立了如圖1（a）所示的抗磁懸浮系統(tǒng)等效模型，結(jié)合式（3）得到熱解石墨的懸浮高度為 0.8mm 。因此，分析了嵌套磁鐵正上方0.8mm 處 x-y 平面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。圖2（a）～（c）所示分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度在不同方向的分布。 B_x 與 B_y 大小為 -0.4～0.4T ，且關(guān)于x 軸對(duì)稱分布。但在圓孔周圍，其大小及方向發(fā)生了突變。 B_z 大小為 -0.1～0.5T ，也關(guān)于 x 軸對(duì)稱分布，且在環(huán)形分布的磁場(chǎng)中產(chǎn)生了明顯的磁場(chǎng)缺陷。這說(shuō)明磁場(chǎng)的分布情況與設(shè)計(jì)相符。

光對(duì)磁懸浮熱解石墨的作用是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)的重要條件之一。光照射下，熱解石墨吸收光子能量生成光生載流子。載流子通過(guò)非輻射復(fù)合引發(fā)晶格振動(dòng)加劇，導(dǎo)致軌道磁矩的有序度降低，抗磁化率顯著下降。這一變化使得材料在磁場(chǎng)梯度中受到的排斥力減弱，最終引發(fā)其懸浮狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。利用COMSOL軟件的固體傳熱接口模擬了局部激光照射下熱解石墨表面的溫度分布。熱解石墨的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

此外，模擬采用了具有高斯分布的功率為100mW 的激光，激光波長(zhǎng)為 808nm ，光斑直徑為 1.5mm 。激光作用于熱解石墨表面距離圓心5mm 的位置，熱解石墨的初始溫度為 20°C 。如圖3所示，激光照射區(qū)域的溫度最高，遠(yuǎn)離激光照射的區(qū)域，溫度逐漸降低。整個(gè)熱解石墨的溫度呈梯度分布，最大溫差約為 1.9^°C 。而熱解石墨的抗磁化率是溫度的函數(shù)，其在 x 與 y 軸方向的分量為 χ_x=χ_y=（0.25T-135）×10^-6 ，在 z 軸方向分量為 ，其中 T 為熱力學(xué)溫度[20]。因此，在激光作用下，熱解石墨的抗磁化率將以光照區(qū)域?yàn)橹行模侍荻确植?，從而使熱解石墨的受力狀態(tài)發(fā)生改變。

令 θ 為 45^° ， R 為 5mm ，將上述激光加熱模型與抗磁懸浮模型耦合?？勾艖腋∧Ｐ椭袩峤馐目勾呕士赏ㄟ^(guò)激光加熱模型中的溫度分布情況求得。最終，得到磁懸浮熱解石墨在光照下的受力分布，結(jié)果如圖4（a）所示。圖中點(diǎn)P 所示區(qū)域?yàn)榧す庹丈湮恢??？梢杂^察到，激光照射區(qū)域所受磁場(chǎng)磁力會(huì)減小，從而使得熱解石墨的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)發(fā)生改變。此外，當(dāng)激光功率為 100mW 時(shí)，通過(guò)式（6），可以求得熱解石墨在 z 軸方向的扭矩 τ_z 為 1.51nN?m 。由扭矩右手定則可知，熱解石墨將以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。據(jù)此，通過(guò)理論模擬得到熱解石墨在激光照射下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)上述分析方法，討論了熱解石墨在激光驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。主要分析了熱解石墨的扭矩與光照射角 θ 的關(guān)系，并比較了兩種永磁結(jié)構(gòu)在不同 θ 下扭矩大小的變化，結(jié)果如圖4（b）所示。對(duì)于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，由于熱解石墨的轉(zhuǎn)速受偏心量 Δx 的影響，因此討論了 Δx 分別為0.5、1.0、1.5與 2.0mm 時(shí)的情況。結(jié)果表明，熱解石墨在 θ 為 90^° 或 270^° 時(shí)具有最大扭矩。此外，當(dāng) Δx 從 0.5mm 增大到 2.0mm 時(shí)，扭矩先增大后減小，當(dāng) Δx=1.5mm 時(shí)，熱解石墨具有最大扭矩 （0.73nN?m） ）。因此，增大 Δx 也是提高熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)速的方法之一。對(duì)于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，將 L 初步設(shè)置為 3mm ，分別討論了 d 為2.0、2.6與 3.2mm 時(shí)熱解石墨的扭矩變化。由圖4（b）可知，隨著 d 增大，扭矩也逐漸增大，當(dāng) d=3.2mm 時(shí)，熱解石墨的最大扭矩約為 1.51nN?m 。由分析結(jié)果可知，對(duì)于相同規(guī)格的熱解石墨，在相同光功率下，圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大扭矩約為不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)的2.07倍。

對(duì)于本文所提出的圓孔缺陷永磁體，其結(jié)構(gòu)參數(shù) d 與 L 對(duì)熱解石墨的光驅(qū)動(dòng)效果影響較大，對(duì)此進(jìn)行討論，以得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖4（b）可知，在 θ=45^° 時(shí)，熱解石墨具有最大扭矩，因此將激光照射角度設(shè)置為 45^° ，激光功率為 100mW ， R 為 5mm 。圖5（a）為熱解石墨的扭矩隨 d 的變化曲線，當(dāng) L 為2.0、3.0和4.0mm 時(shí)，隨著 d 從0增大到 3.6mm ，扭矩呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明在一定條件下， d 越大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速越快。圖5（b）為熱解石墨的扭矩隨L 的變化曲線，當(dāng) d 為2.0、2.6和 3.2mm 時(shí)，隨著 L 由0增大到 4.0mm ，扭矩均表現(xiàn)為先增大后減小，當(dāng) L=3.2mm 時(shí)，扭矩增至最大。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

分析討論了熱解石墨的光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算初步比較了兩種永磁結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)效果，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù) L 的大?。?3.2mm ）。作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中選用了3種規(guī)格的 d （2.0、2.6和3.2mm ）。此外，理想情況下 r₁ 與 r₂ 應(yīng)等大，但由于制作誤差，實(shí)際磁體樣品中 r₁ 需略小于r₂ ，兩磁鐵才能相互嵌套。經(jīng)測(cè)量 r₁ 與 r₂ 的實(shí)際差值約為 30μm ，遠(yuǎn)小于 R₁ 與 R₂ 之間的差值（ 1.0mm^′ ，因此可以忽略制作誤差對(duì)結(jié)果的影響。圖6所示為懸浮于圓孔缺陷永磁體上方的熱解石墨在不同光照角度的激光驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng) θ∈（0^°，100^°） 時(shí)，熱解石墨呈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng) θ∈[100^° ， 260^°] 或?yàn)?^° 時(shí)，呈靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng) θ∈（260^° ， 360^° ）時(shí)，呈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。該結(jié)果與圖4所示模擬結(jié)果一致。

測(cè)量了激光功率為 100mW ， R=5mm 時(shí)熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨 θ 的變化情況，結(jié)果如圖7所示，自定義逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。對(duì)于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，根據(jù)前文的分析可知，在一定范圍內(nèi)增大 Δx 可以有效增大熱解石墨的扭矩。但實(shí)際上，當(dāng) Δx 較大時(shí)，邊緣磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生明顯偏移，熱解石墨將嚴(yán)重傾斜，水平轉(zhuǎn)動(dòng)也因此受到阻礙。綜合考慮，將嵌套磁鐵的最大偏心量 Δx 設(shè)置為 1.0mm 。圖7（a）展示了 Δx 為 0.4， 0.7 與 1.0mm 時(shí)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速變化曲線。當(dāng) θ 為 90^° 或 270^° 時(shí)，熱解石墨有最大轉(zhuǎn)速。此外，當(dāng) θ 相同時(shí)， Δx 越大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速越高，當(dāng) Δx=1.0mm 時(shí)，其最高轉(zhuǎn)速約為0.61r/s 。對(duì)于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，測(cè)量結(jié)果如圖7（b）所示，曲線變化規(guī)律與圖4（b）所示的模擬結(jié)果基本保持一致。在整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速隨 d 的增大而增大，當(dāng) d 分別為2.0、2.6與 3.2mm 時(shí)，熱解石墨的最大轉(zhuǎn)速分別為1.45、1.70和 1.82r/s 。結(jié)果表明，在同等光功率下，基于本文提出的圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速有顯著提升，在 100mW 的激光功率驅(qū)動(dòng)下，熱解石墨的峰值轉(zhuǎn)速提高了約2倍。

最后，討論了激光功率與熱解石墨最大光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并對(duì)比了兩種永磁結(jié)構(gòu)在不同功率下對(duì)熱解石墨的驅(qū)動(dòng)效果，結(jié)果如圖8所示。激光功率為 20～200mW 時(shí)，對(duì)于不完全嵌套永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的最大轉(zhuǎn)速隨激光功率的增加而增大，但對(duì)于不同的 Δx ，熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨功率的變化率不同。在 Δx=1.0mm ，激光功率為 200mW 時(shí)，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速約為 1.70r/s 。對(duì)于圓孔缺陷永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速也隨激光功率的增加而增大。在同一激光功率下，隨著 d 增大，熱解石墨的轉(zhuǎn)速也隨之增大。在 d= 3.2mm ，激光功率為 200mW 時(shí)，熱解石墨的最高轉(zhuǎn)速約為 3.5r/s 。

在 20～200mW 功率范圍內(nèi)，相比原始永磁結(jié)構(gòu)，基于本文提出的永磁結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速提高了 1～2 倍。且對(duì)于原始永磁結(jié)構(gòu)，當(dāng)Δx 較大時(shí)，熱解石墨在 x-y 平面內(nèi)傾斜嚴(yán)重，尤其在低功率時(shí)轉(zhuǎn)速顯著下降，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性更差?；诒疚闹刑岢龅挠来沤Y(jié)構(gòu)，熱解石墨轉(zhuǎn)動(dòng)所需的閾值功率更低，約為 20～30mW ，而對(duì)于原始永磁結(jié)構(gòu)，其所需轉(zhuǎn)動(dòng)閾值功率為 30～ 50mW ?？傮w而言，本文提出的永磁結(jié)構(gòu)能有效增大磁懸浮熱解石墨的光能利用率，提升光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并具有更好的穩(wěn)定性和更低的轉(zhuǎn)動(dòng)閾值功率。

3結(jié)論

針對(duì)已有磁懸浮熱解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)存在的低光能轉(zhuǎn)化率、低轉(zhuǎn)速等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種作為磁懸浮基底的帶孔圓形嵌套永磁體。通過(guò)調(diào)控懸浮熱解石墨周圍磁場(chǎng)產(chǎn)生局部缺陷，提高了光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化率與熱解石墨的峰值轉(zhuǎn)速。首先，通過(guò)數(shù)值模擬得到懸浮熱解石墨在光照下的受力分布以及扭矩大小，據(jù)此分析熱解石墨懸浮于永磁體上方的光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)比了兩種不同磁體結(jié)構(gòu)對(duì)熱解石墨的驅(qū)動(dòng)效果。接著，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)量了熱解石墨的轉(zhuǎn)速隨光照角度和激光功率的變化曲線。結(jié)果表明，對(duì)于本文所提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，隨著激光功率的增加，熱解石墨的轉(zhuǎn)動(dòng)速率呈線性增大，在光功率為 200mW 時(shí)，獲得了 3.5r/s 的最高轉(zhuǎn)速。在 20～200mW 功率范圍內(nèi)，同等光功率下，基于本文提出的磁懸浮結(jié)構(gòu)，熱解石墨的轉(zhuǎn)速提高了 1～2 倍，且具有更好的穩(wěn)定性與更低的轉(zhuǎn)動(dòng)閾值功率。此研究為新型無(wú)摩擦光驅(qū)動(dòng)器械及光熱太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]MELVILLE P H. Magnetic propulsion for magnetically levitated trains[J].Cryogenics，1973，13（12）：716— 717.

[2]BASSANI R.Levitation of passive magnetic bearings and systems[J]. Tribology Intermational， 2006，39（9）： 963-970.

[3]SHUQS，CHENGGF，SUSTAJT，et al.Magnetic levitation technology and itsapplicationsin exploration projects[J].Cryogenics，2006，46（2/3）：105-110.

[4]KLEMENSP G，PEDRAZADF.Thermal conductivityof graphitein the basal plane[J].Carbon， 1994，32（4）： 735-741.

[5]SENCHENKO V N，BELIKOV R S. Experimental investigation of density of pyrolytic graphite up to melting point[J]. Journal ofPhysics：Conference Series， 2018，946（1）： 012105.

[6]ASHKIN A，DZIEDZICJM，YAMANE T. Optical trapping and manipulation of single cellsusing infrared laserbeams[J].Nature，1987，330（6150）： 769-771.

[7]LEWITTESM，ARNOLDS，OSTERG.Radiometric levitation of micron sized spheres[J].Applied Physics Letters，1982，40（6）： 455-457.

[8]KOBAYASHI M， ABE J. Optical motion control of maglev graphite[J]. Journal of the American Chemical Society，2012，134（51）： 20593-20596.

[9］童鑫，唐鋒，李建郎.基于永磁體離心量對(duì)磁懸浮熱 解石墨光驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象的研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn) 展，2021，58（1）： 0126001.

[10]，HAN X H，LI JL.Maglev rotating disk laser[J]. Chinese Optics Letters，2015，13（12）：121403.

[11]PINOT P， SILVESTRI Z. New laser power sensor using diamagnetic levitation[J]. The Reviewof Scientific Instruments， 2017， 88（8）： 085003.

[12]LU Y Y，LUO H C，QIU J. Magnetic levitation photothermal actuator with sunlight traction[J]. Smart Materials and Structures， 2021， 30（8）： 085007.

[13]INUI N， MAEBUCHI K. Dynamic and fluctuation properties of a graphene disk levitated by a diamagnetic force in air[J]. Journal of PhysicsD：Applied Physics， 2022，55（28）： 285002.

[14]INUI N. Stabilizing diamagnetic levitation ofa graphene flake through the casimir effect[J]. Physics， 2023，5（3）：923-935.

[15]，李景天，宋一得，鄭勤紅，等.用等效磁荷法計(jì)算永磁 體磁場(chǎng)[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（2）：33－36.

[16] NIU C， LIN F，WANG Z M， et al. Graphene levitation and orientation control using a magnetic field[J]. Journal of Applied Physics，2018， 123（4）： 044302.

[17]NGUYEN J， CONTERA S， GARCIA IL. Magnetoelectrical orientation of lipid-coated graphitic microparticles in solution[J].RSC Advances， 2016，6（52）： 46643-46653.

[18]TABAT N，EDELMAN H S， SONG D，et al. Macroscopicspin-orbitcouplinginnon-uniform magnetic fields[J]. Applied Physics Letters，2015， 106（9）： 092405.

[19]ARORA R K.Forces and torques on current circuits placed in nonuniformmagneticfields[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 1989，25（3）： 2789-2790.

[20]，EWALL-WICE M， YEE S，DELAWDER K，et al. Optomechanical actuation of diamagnetically levitated pyrolytic graphite[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2019， 55（7）： 2501506.