王青青，李裕迪，方燕云，陳 躍，胡錦蓮，李志剛*

（1．臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2．安徽工業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

電控永磁吸盤研究進(jìn)展

王青青1，李裕迪1，方燕云1，陳 躍1，胡錦蓮2，李志剛*1

（1．臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2．安徽工業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

電控永磁吸盤由于吸力強(qiáng)、安全系數(shù)高、操作方便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在模具加工、機(jī)械搬運(yùn)和電磁機(jī)器人等方面有廣泛的應(yīng)用?？偨Y(jié)了目前電控永磁吸盤磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路優(yōu)化和應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，提出兩個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

永磁吸盤；充磁；退磁

1 引言

19世紀(jì)末美國(guó)WALKER公司制造了電磁吸盤［1，2］，在一百多年的歷史中，極大地減少了加工輔助時(shí)間。但隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，電磁吸盤耗能大（例如一個(gè)吸力16t的吸盤需要電力約10kw）、斷電失磁等一系列問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn)。20世紀(jì)30年代鋁鎳鈷永磁材料問(wèn)世，法國(guó)BRAILLON公司開(kāi)始把此材料應(yīng)用到吸盤上，在耗能、熱形變、安全系數(shù)等方面，與傳統(tǒng)電磁吸盤相比都有了很大的提高，但其控制系統(tǒng)依然采用手柄操作，給吊運(yùn)大型模塊方面帶來(lái)了不便。后來(lái)，意大利泰磁公司用磁差原理制造了電控永磁吸盤，該吸盤采用電脈沖控制，通電時(shí)間短，能耗低，發(fā)熱量小，安全系數(shù)高，不存在斷電失磁引起工件掉落的危險(xiǎn)［3-6］。

近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，尤其是釹鐵硼永磁材料，其低廉的價(jià)格，優(yōu)異的磁性能，大大增強(qiáng)了電控永磁吸盤的吸力，提高了其安全性，促進(jìn)了永磁吸盤的應(yīng)用［7-11］。目前電控永磁吸盤已廣泛應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的鋼材起重搬運(yùn)、模具加工等眾多領(lǐng)域。本文就電控永磁吸盤磁、電路的設(shè)計(jì)，以及其應(yīng)用拓展等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 磁路設(shè)計(jì)

2.1 磁路設(shè)計(jì)原理

永磁吸盤磁路設(shè)計(jì)通常采用兩種不同的磁性材料作為主要磁體，一種為高矯頑力的永磁材料（如釹鐵硼）作為主磁體，另一種為中等矯頑力的磁鋼材料（如鈷鎳鋁等）作為可逆磁體，利用兩種磁體之間的磁軛（一般為45號(hào)鋼）組成磁路，再通過(guò)對(duì)勵(lì)磁線圈中脈沖電流的產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，改變可逆磁體的磁場(chǎng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸盤內(nèi)部磁路的控制與轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到對(duì)外消磁（DEMAG）或充磁（MAG）［12，13］，具體的工作過(guò)程如圖1所示。當(dāng)勵(lì)磁線圈受正向激勵(lì)后，可逆磁體的極性方向如圖1a所示，則主磁體和可逆磁體都有磁通流出，通過(guò)外部工件構(gòu)成外通路，永磁吸盤處于充磁狀態(tài)；當(dāng)勵(lì)磁線圈受負(fù)向激勵(lì)后，可逆磁體的極性方向反向，如圖1b所示，主磁體與可逆磁體構(gòu)成內(nèi)通路，對(duì)外無(wú)磁通流出，外部工件無(wú)磁通通過(guò)，因而處于無(wú)磁力狀態(tài)，永磁吸盤處于退磁狀態(tài)［3］。

圖1 永磁吸盤充、消磁過(guò)程：a充磁；b消磁Fig.1 Magnetizing and demagnetization for permanent magnet chunk a magnetizing;b demagnetization

2.2 磁吸力

永磁吸盤磁吸力大小及穩(wěn)定性，是永磁吸盤的核心部分，也是早期研究的重點(diǎn)。電控永磁吸力大小的計(jì)算，可由麥克斯韋公式推導(dǎo)得出，氣隙磁通密度均勻時(shí)永磁吸力為：

式中F為磁吸力，Bg為氣隙磁通密度，φg為氣隙磁通，Ag為磁極面積，μ0是真空磁導(dǎo)率。

由公式（1）可知，磁吸力大小與磁通的平方成正比，與磁極的面積成反比。永磁吸盤磁通的強(qiáng)弱取決于主磁體的硬磁性能，為了增強(qiáng)磁通，人們采用釹鐵硼材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鐵或鋁鎳鈷，并使得永磁吸盤的吸力得到大幅提高［8］。此外，謝祖榮等人［5］還提出了一種聚磁技術(shù)，即在永磁體磁極附加一個(gè)面積減小的導(dǎo)磁極頭，在磁通不變的情況下可有效增強(qiáng)磁通密度，從而提高永磁吸盤的磁吸力［5］。

隨著永磁吸盤吸力的增強(qiáng)及其應(yīng)用的不斷拓展，人們對(duì)其又提出了更高的要求，即磁通的均勻度問(wèn)題。由公式（1）可知，磁吸力與磁通密度平方成正比，而永磁吸盤中心磁通密度低，兩邊密度高，導(dǎo)致吸盤磁吸力分布及其不均勻，中心區(qū)域與邊緣區(qū)域每平方厘米的磁吸力往往相差數(shù)百倍甚至上萬(wàn)倍，這讓永磁吸盤在某些方面的應(yīng)用（如模具換模等）存在安全隱患。對(duì)此，Weiker公司對(duì)永磁吸盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用多組磁極組合成一個(gè)大的永磁吸盤，相鄰磁極間磁性相反，如圖2所示。N、S磁極相鄰排列，磁感線束從S磁極通過(guò)工件回到N磁極，形成閉合回路，而且前后方向磁束成橫向排列，左右方向磁束成縱向排列，多個(gè)單元集合后，工件與磁極之間就由密集的磁束捆綁在一起，由此產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力［8］，每平方厘米平均吸力可高達(dá)150 N。

圖2 永磁吸盤示意圖Fig.2 Schematic of permanent magnet chuck

徐志峰等人［13］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，磁體的排列方式及各磁體間距也是影響磁吸力的重要因素。永磁體的位置應(yīng)盡量靠近氣隙，距離越近越有利于改善永磁體磁場(chǎng)的分布，減少漏磁，氣隙磁場(chǎng)分布將更趨均勻。若僅改變永磁體的排列而其他條件不變，起吊的重量在磁體均布的條件下可提高1倍以上。同時(shí)就磁體間距與磁吸力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在各磁體間距趨小的情況下，氣隙場(chǎng)的分布更趨均勻，起吊重量越大［13-16］。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)，不僅可以減少漏磁，增強(qiáng)吸力，提高磁通分布的均勻度，而且還可以改變磁力穿透深度，以完成某種特殊的用途。如張玉維等人［1］提出了兩套磁路設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖3）：第一種主磁體與可逆磁體水平布置，主磁體與可逆磁體都布置在同一水平面，從三維空間上看，勵(lì)磁時(shí)磁通為上下方向，退磁時(shí)磁通為水平方向，此方案適合長(zhǎng)寬大而高度受限制的吸盤，見(jiàn)圖3a；第二種主磁體與可逆磁體上下布置，這種布置在勵(lì)磁與退磁時(shí)磁通方向在三維坐標(biāo)中保持一致，適合在高度方向不受限制，而在長(zhǎng)寬方向受限的場(chǎng)合，見(jiàn)圖3b。同過(guò)對(duì)主磁體和可逆磁體相對(duì)位置的調(diào)節(jié)，可有效控制永磁吸盤磁力穿透深度，這在某些工件操控中具有重要的應(yīng)用。例如，鋼板的調(diào)運(yùn)中，通過(guò)改變磁通穿透深度，永磁吸盤可只吸附一層鋼板，而不影響第二層鋼板。

圖3 磁路設(shè)計(jì)方案：主磁體與可逆磁體a水平放置，b上下放置。1主磁體，2可逆磁體，3線圈，4磁軛Fig.3 main magnetic and reversible magnetic design：a horizontal;b vertically.1 main magnetic，2 reversible magnetic，3 coil，4 magnetic yoke

永磁吸盤由于含有磁路和電路兩個(gè)部分，往往自重較大。謝祖榮等人［5］針對(duì)永磁吸盤的自重，設(shè)計(jì)了一種能夠依靠自重來(lái)改變二磁系（主磁體和可逆磁體）相對(duì)位置的永磁吸盤。該設(shè)計(jì)可通過(guò)吸盤自重與利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上連桿、齒輪間的相互關(guān)聯(lián)，改變永磁吸盤二磁系間的相對(duì)位置，進(jìn)而可達(dá)到對(duì)工件的自動(dòng)卸載，從而節(jié)約能量。該設(shè)計(jì)在大型工件操控過(guò)程中存在安全隱患（自動(dòng)卸載可能會(huì)造成人身安全的威脅），但對(duì)于一些非人工操控的工件，如爬壁機(jī)器人的永磁吸盤履帶的研究有重要的意義。

3 電路優(yōu)化

3.1 脈沖充、退磁原理

R、L、C串聯(lián)組成脈沖放電電路（C電容，L電感，R內(nèi)阻），電容被充電至設(shè)定電壓時(shí)斷開(kāi)充電電源，隨即接通LR電路，則電容所儲(chǔ)電荷通過(guò)L、R迅速地以脈沖形式放電，得到極大的脈沖電流（峰值Im），在勵(lì)磁線圈（銅線纏繞的線圈）內(nèi)產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，可用來(lái)對(duì)永磁體充、退磁。圖4給出了R與L/C三種脈沖放電波形，圖中1、2、3曲線（橫軸為時(shí)間，縱軸為電流）分別對(duì)應(yīng)R＞2 L/C、R=2 L/C和與R＜2 L/C。永磁吸盤保持吸力不耗能，充、退磁每次放電前對(duì)電容充電所需時(shí)間極短（僅數(shù)秒鐘）能耗很小，電脈沖式起重永磁吸盤比同級(jí)電磁鐵吸盤可節(jié)能95%以上［10-12］。

圖4 三種脈沖放電電流波形［9］Fig.4 Three current waveforms of Pulse discharge

3.2 電控優(yōu)化

對(duì)于電控永磁吸盤勵(lì)磁線圈的供電方式，早期采用橋式全波整流法和儲(chǔ)能電容放電法兩種方式。但這兩種方法都存在缺點(diǎn)：如橋式全波整流法，采用延時(shí)控制，勵(lì)磁電流（有效值）較大，通電時(shí)間較長(zhǎng)，能耗高、穩(wěn)定性差［1］；而儲(chǔ)能電容放電法，通過(guò)儲(chǔ)能電容一次或多次對(duì)勵(lì)磁線圈放電，此方法可降低從線路上輸入的功率，但操作頻次不能太高［3］。

張玉維等人［1］在橋式全波整流法的基礎(chǔ)上，采用半波的脈動(dòng)直流電代替全波直流電，不僅可以降低勵(lì)磁電流的有效值，且時(shí)間更短，有利于可逆磁體的逆向極化。半波脈動(dòng)直流電勵(lì)磁線圈電路示意圖見(jiàn)圖5，其中勵(lì)磁線圈個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為偶數(shù)。

圖5 半波脈動(dòng)直流電控制勵(lì)磁線圈電路示意圖［1］Fig.5 Schematic diagram of field coil

這種控制方法交流電源的正負(fù)半周分別對(duì)應(yīng)一對(duì)或數(shù)對(duì)勵(lì)磁線圈，無(wú)論勵(lì)磁還是退磁，在線圈里都流著半波直流電，而電源里仍是交流電，使控制線路變得簡(jiǎn)單、可靠和節(jié)能。但依然存在著通電電流較大，通電時(shí)間長(zhǎng)［3］等缺點(diǎn)。

電流大，通電時(shí)間長(zhǎng)不僅能耗高，且易導(dǎo)致線路發(fā)熱、老化，從而影響電控系統(tǒng)的使用壽命。李方園［3］等人提出了采用可控硅（SCR）來(lái)控制勵(lì)磁線圈的方案，可控硅控制勵(lì)磁線圈原理圖見(jiàn)圖6。其工作原理為：交流電壓經(jīng)降壓電阻降壓后輸入有源帶通濾波器的輸入端，通過(guò)公式計(jì)算選擇好各元件參數(shù)，就可只允許50 Hz左右的工頻信號(hào)通過(guò)，其他頻率的信號(hào)則迅速衰減，有效地抑制了電網(wǎng)中各種諧波對(duì)控制器的干擾，使輸入信號(hào)ABC三相電壓與輸出信號(hào)Ua，Ub和Uc同步［3］。此外，可控硅整流電路以其可靠的性能、穩(wěn)定的電壓輸出、較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力拖動(dòng)、電機(jī)軟啟動(dòng)、直流電源等方面得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 可控硅控制勵(lì)磁線圈的原理圖［3］Fig.4 Schematic of SCR control field coil

可控硅控制避免了強(qiáng)電流，有效保證勵(lì)磁線圈的安全可靠運(yùn)行，操作頻率亦較高，可有效延長(zhǎng)電控系統(tǒng)的使用壽命。但也帶來(lái)了高次諧波對(duì)線路和其它設(shè)備的干擾問(wèn)題［1］，仍需進(jìn)一步改善。

4 電控永磁吸盤的應(yīng)用

電控永磁吸盤由于安全可靠、實(shí)用高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)使其在以下幾個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用：

電控永磁吊具的應(yīng)用：在歐美及亞洲許多國(guó)家的碼頭、鋼鐵廠、修造船廠等行業(yè)電控永磁吸盤已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。碼頭前沿的裝卸作業(yè)特點(diǎn)是風(fēng)荷載較大、軌上起升高度和軌下起升高度較大、吊具吊運(yùn)鋼板的單個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，故充分體現(xiàn)了電控永磁吊具的安全性及高效性。安裝在岸邊橋式起重機(jī)上，吊具起吊鋼板后，可使鋼板回轉(zhuǎn)±110°，將鋼板垂直卸載于船艙內(nèi)或碼頭面上的平板拖車上，既方便又安全［17］。

電控永磁快速換模和夾模系統(tǒng)的應(yīng)用：在注塑機(jī)上使用電控永磁快速換模和夾模系統(tǒng)，可提高換模效率，3000 t注塑機(jī)上的30多噸重的模具最多由兩人在30分鐘之內(nèi)完成。該系統(tǒng)安全可靠、實(shí)用高效、節(jié)能環(huán)保、無(wú)需維修、無(wú)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、柔性極大，在一臺(tái)注塑機(jī)上可對(duì)各種不同模具進(jìn)行快速換模，特別適合于多品種、小批量、準(zhǔn)時(shí)制混流生產(chǎn)。由于夾緊力均勻分布于模具與磁盤的全部接觸表面上，使模具背面無(wú)受力“空腔”更好地保證了合模精度，大大提高注塑件的質(zhì)量［9，13］?？焖贀Q模技術(shù)，在微型汽車和轎車行業(yè)的應(yīng)用已比較成熟，但是在大型客車行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段［18］。

此外，還有人將電控永磁吸盤應(yīng)用于爬壁機(jī)器人［19-22］，設(shè)計(jì)了履帶吸盤模型吸力方程及其磁路的設(shè)計(jì)原則，對(duì)今后爬壁機(jī)器人吸盤的進(jìn)一步改進(jìn)具有相當(dāng)大的理論指導(dǎo)意義。依此設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人履帶吸盤達(dá)到很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 總結(jié)

電控永磁吸盤經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，由于其磁吸力大、安全系數(shù)高、操作方便、移植能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，在各種模具行業(yè)、鋼材裝卸、貨物吊運(yùn)等方面已開(kāi)展全面應(yīng)用，取得了豐碩的成果。但是目前仍然有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待研究解決：（1）電控系統(tǒng)的使用壽命及干擾問(wèn)題，盡管可控硅可有效減低勵(lì)磁電流（有效值），減少發(fā)熱延長(zhǎng)了電控系統(tǒng)使用壽命，但也帶來(lái)了高次諧波對(duì)其它電路干擾的問(wèn)題，且使用壽命遠(yuǎn)無(wú)法與磁控系統(tǒng)相比，如何延長(zhǎng)電控系統(tǒng)使用壽命降低干擾仍需進(jìn)一步探索。（2）電控永磁吸盤小型化問(wèn)題，由于勵(lì)磁電流較大，導(dǎo)致勵(lì)磁線圈尺寸無(wú)法做的很小，從而限制了電控永磁吸盤在一些小工件操控方面的應(yīng)用，目前只能應(yīng)用于快速換模、裝卸吊運(yùn)等大型工件操作。

［1］張玉維，李立斌．電永磁吸盤吊運(yùn)鋼板的研究［J］，機(jī)械設(shè)計(jì)，2002，7：23-25.

［2］泰磁公司．電控永磁夾具系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用［J］，模具制造，2007，3：76-77.

［3］李方圓，劉為民．注塑機(jī)永磁吸盤的自動(dòng)控制［J］，輕工機(jī)械，2008，26（5）：53-57.

［4］郎素萍，強(qiáng)冬梅．電永磁吸盤及其應(yīng)用的研究［J］，天津成人高等學(xué)校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2004，6（2）：82-85.

［5］院謝祖，榮吳明捷，周曉正，張永麗．永磁起重吸盤的設(shè)計(jì)思路［J］，起重運(yùn)輸機(jī)械，2001，7：11-13.

［6］丁立功，張?jiān)隽郑⊥劣来诺踯嚕跩］，中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1994，12：538-542.

［7］樸明偉，江林威，王純亞．ZPY 型重力開(kāi)關(guān)式永磁吸盤［J］，起重運(yùn)輸機(jī)械，1997，1：15-17.

［8］張郁諾．Weiker永磁超強(qiáng)吸盤及永磁起重器［R］，上海：上海偉求磁業(yè)有限公司，2002.

［9］馬景蘭，謝祖榮，王偉，張永麗，戴波．磁性材料在起重永磁吸盤中的應(yīng)用［J］，起重運(yùn)輸機(jī)械，2008，1：89-91.

［10］謝祖榮，李偉，黃之初．強(qiáng)電流脈沖控制的永磁起重吸盤研究與設(shè)計(jì)［J］，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24：58-61.

［11］謝祖榮，吳明捷，周曉正，張永麗．永磁起重吸盤的設(shè)計(jì)思路［J］，起重運(yùn)輸機(jī)械，2001，（7）：11-13.

［12］齊鳳春．永磁起重技術(shù)的發(fā)展概況［J］，磁性材料及器件，1999，8：56-62.

［13］徐志鋒，蔡長(zhǎng)春，嚴(yán)青松，萬(wàn)紅，余歡．強(qiáng)吸力釹鐵硼永磁起重機(jī)［J］，起重運(yùn)輸機(jī)械，2004，3：28-30.

［14］丁寧，王龍山，何平．稀土起重永磁吊的設(shè)計(jì)原理［J］，吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，1：86-90.

［15］王文華．關(guān)于磁路的幾點(diǎn)教學(xué)體會(huì)［J］.職教論壇，2004，（20）：29-30.

［16］汪文虎，楊應(yīng)昌，張軍，雋英昌．電控永磁吊具在鋼板裝卸中的應(yīng)用［J］，制造技術(shù)與機(jī)床，2007，12：112-115.

［17］沈紅賓．電控永磁吊具在鋼板裝卸領(lǐng)域的應(yīng)用［J］，水運(yùn)工程，2009年12月第12期總第435期：61-64.

［18］王洪廣，張麗麗．快速換模技術(shù)在大中型客車行業(yè)沖壓加工中的應(yīng)用［J］，裝備制造技術(shù)，2009，4：139?-141.

［19］徐澤亮，馬培蓀．基于電磁能量理論的爬壁機(jī)器人履帶永磁吸盤設(shè)計(jì)研究［J］，機(jī)械設(shè)計(jì)，2002，11：23-25.

［20］袁夫彩，孟慶鑫，王義文．水下船體表面清刷機(jī)器人吸附及移動(dòng)性能分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，2：13-14.

［21］王麗慧.水下船體表面清刷機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2002.

［22］劉春煊，華元濤．一種新型的釹鐵硼永磁吸盤及其設(shè)計(jì)［J］，電工電能新技術(shù)，1993，3：31-35.

A Review of Research on Electronic Control of Permanent Magnet Chuck

WANG Qing-qing1，LI Yu-di1，F(xiàn)ANG Yan-yun1，CHEN Yue1，HU Jin-lian2，LI Zhi-gang*1

(1.School of Physics&Electronics Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,China;2.School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma-An-Shan 243002,China)

Because of strong absorption,high safety and convenient operation,electronically controlled permanent magnet chunk has been widely applied to mold processing,mechanical handling,electromagnetic robots and so on.This article summarizes the research on the current design of the electronically control permanent magnetic chuck,its performance improvement and application.It also puts forward two key problems demanding prompt solution.

permanent magnet chunk;magnetizing;demagnetization

周小莉）

TG146.4

A

1672-3708（2010）06-0022-06

2010-01-31；

2010-05-01

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（資助號(hào)51001078），國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目（資助號(hào)50701002）

李志剛（1978- ），男，博士，副教授，主要從事磁性材料教學(xué)及科研工作。