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基于Ansoft的大噸位永磁起重設(shè)備磁路設(shè)計(jì)

2014-01-15 10:00:06曹珍珍李建禎
電子設(shè)計(jì)工程 2014年16期
關(guān)鍵詞:磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度磁極

曹珍珍,李建禎

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

目前,冶金、機(jī)械制造和造船等行業(yè)的起重吊均普遍性采用的是起重電磁鐵,它對(duì)具有較高導(dǎo)磁率的鋼鐵貨物產(chǎn)生足以克服其自身重量的吸力,來實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的目的。由于其工作時(shí)必須通以一定大小的直流電流,為此帶來耗電量大,易發(fā)熱,使用壽命短等缺點(diǎn),特別是斷電時(shí)物品會(huì)墜落,起重噸位不足,不能滿足生產(chǎn)需要[1]。近年來,隨著稀土永磁體的發(fā)展,尤其是第三代稀土永磁材料釹鐵硼的出現(xiàn),永磁起重吊的開發(fā)成為起重技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向[2]。

目前,國(guó)內(nèi)外小型永磁起重吊用反向磁場(chǎng)平衡技術(shù)關(guān)閉磁場(chǎng),由于磁路間隙小,磁場(chǎng)關(guān)閉時(shí)剩磁大,不能滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要。因此,研究具有較大磁場(chǎng)深度的大噸位起重永磁吊是該領(lǐng)域的迫切需要。

1 永磁起重設(shè)備的工作原理

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)依據(jù)公司自主研發(fā)的發(fā)明專利技術(shù) “磁路開關(guān)”[3],它的基本工作原理如圖1所示。作業(yè)時(shí),如圖1(a)(1-外殼 2-強(qiáng)磁 3-弱磁 4-月牙板 5-地板 6-鋼板 7-鐵心)所示,鐵芯周圍的3個(gè)方向上分布的磁體同時(shí)朝向鐵芯,磁場(chǎng)疊加,磁力線通過磁軛,經(jīng)過鐵磁性工件,形成磁回路,工件牢牢地被吸在永磁吸盤的工作極面上;卸載時(shí),如圖1(b)所示,將導(dǎo)磁軸及旋轉(zhuǎn)磁體轉(zhuǎn)過 90°使之同時(shí)背離鐵芯且與頂部磁體極性方向相對(duì),磁力線通過磁軛在起重永磁吊內(nèi)部形成閉合磁回路,因而對(duì)工件不產(chǎn)生吸力,順利實(shí)現(xiàn)卸載。

2 大噸位永磁起重設(shè)備磁路的設(shè)計(jì)

磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)起重永磁吊的用途與所要達(dá)到的吸力來確定磁軛的面積、形狀和永磁體的尺寸。由選用的永磁體的退磁曲線,查知最大磁能積點(diǎn)(BmHm),并根據(jù)吸重來初步確定永磁體的寬度及高度[4]。我們利用磁導(dǎo)法中的磁導(dǎo)公式分別求出在吸物狀態(tài)、卸物狀態(tài)、可動(dòng)磁系于固定磁系無相互作用狀態(tài)時(shí)磁路的各個(gè)部分的磁導(dǎo),然后求出總磁導(dǎo)。

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)步驟,設(shè)計(jì)出如圖2所示的永磁磁路。磁路由5塊永磁體及3塊軟磁材料組成,軟磁材料之間有一定的空隙保證轉(zhuǎn)軸能夠轉(zhuǎn)動(dòng)??蓜?dòng)磁系應(yīng)采用釹鐵硼和鐵氧體,其牌號(hào)為NdFe35、Y30BH。軟磁材料為10號(hào)鋼,它起聚磁作用其牌號(hào)為Steel_1010。 圖2給出了定義該磁路的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),整個(gè)磁路為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。HmB,HmE分別為強(qiáng)磁和弱磁的磁化長(zhǎng)度,LmB,LmE分別為強(qiáng)磁和弱磁的高度。永磁吸盤的底部外形尺寸為980 mm×1 650 mm。

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)定義Fig.2 The definition of structure parameters

將CAD中生成的幾何模型導(dǎo)入Ansoft工作環(huán)境,經(jīng)過制定材料屬性,加載邊界條件和運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置、設(shè)定求解規(guī)范等,使用ansoft瞬態(tài)磁路分析方法計(jì)算后得到整個(gè)工作磁極面處的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.173 2 T(圖4),為了使設(shè)計(jì)值更加接近要求的值,分析鋼板所受的吸力(圖5),鋼板在Y軸所受的力為1 287 800 N,相當(dāng)于131 408 kg即131 t,設(shè)計(jì)符合要求。

從圖3(b)、圖6可以清晰地看出,在該磁路結(jié)構(gòu)下,卸載時(shí)仍然有一部分磁力線穿過鋼板,工作磁極面處的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度接近370 Oe,充分說明在磁路結(jié)構(gòu)在卸載狀態(tài)時(shí)漏磁嚴(yán)重。

對(duì)于永磁起重設(shè)備的磁路而言,除了考慮它所提供的吸力和磁感應(yīng)強(qiáng)度外,還應(yīng)該關(guān)注磁路的綜合成本,因此,需要以降低工作磁極面處的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,減少永磁體用量和磁路的總重量為目標(biāo),對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 永磁起重吊的磁力線分布Fig.3 Distribution of magnetic flux of permanent lifting

圖4 工作磁極面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig.4 Magnetic induction intensity values of magnetic pole face

圖5 鋼板所受的吸力Fig.5 Suction of steel sheet

圖6 工作磁極面處的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度Fig.6 The residual magnetic intensity of magnetic pole face

3 磁路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)形式的永磁磁路而言,其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)永磁磁路工作磁極面的磁場(chǎng)強(qiáng)度具有較大的影響[7]。為了對(duì)這一磁路進(jìn)行優(yōu)化,首先利用Ansoft參數(shù)化建立模型,添加掃描變量。由于采用的是點(diǎn)描法來建模,因此在Parametric模塊中設(shè)置參數(shù)時(shí),只能對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)定義變量。根據(jù)分析結(jié)果,可初步確定影響磁路性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及被優(yōu)化變量的合理變化區(qū)間。

通過參數(shù)掃描分析發(fā)現(xiàn),達(dá)到降低工作磁極面處的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度,減少永磁體用量和磁路的總重量的目的,有效的方法就是合理匹配永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù),避免漏磁現(xiàn)象。

鑒于優(yōu)化的目的,在滿足吸力的前提下永磁吸盤的剩磁必須盡量的小,我們可從掃描分析中得到多組滿足要求的數(shù)據(jù)。能夠反映磁路設(shè)計(jì)水平高低的兩個(gè)重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)就是起重永磁吊的吸重比(吸重/永磁體重量)和吸重成本比(永磁體成本/吸重),綜合比較可得到較優(yōu)的磁路結(jié)構(gòu)。

為了驗(yàn)證磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果,仍選用Ansoft有限元分析軟件對(duì)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的磁路進(jìn)行磁場(chǎng)有限元分析,保證仿真過程中其他條件不變,仿真結(jié)果如圖7~9所示。

圖7 優(yōu)化后的磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig.7 Magnetic induction intensity values after optimization

圖8 優(yōu)化后鋼板所受的吸力Fig.8 Suction of steel sheet after optimization

圖9 優(yōu)化后的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.9 The residual magnetic intensity after optimization

相對(duì)于優(yōu)化前的永磁磁路,其永磁體B、C的磁化長(zhǎng)度減小了42 mm,永磁體的高度沒有變,E、F的長(zhǎng)度增加了42 mm且材料修改為10號(hào)鋼。優(yōu)化后永磁起重設(shè)備工作磁極面處的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1.146 8 T,此時(shí)鋼板所受的吸力為127噸,僅下降了3噸,而剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度僅為90.52,漏磁有了明顯的降低。

4 結(jié) 論

對(duì)于永磁起重設(shè)備,在基于磁導(dǎo)法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出了工作磁極面平均磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.173 2 T的永磁磁路。通過分析該磁路中永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁路的影響,利用Ansoft軟件對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后得到的新磁路滿足了對(duì)鋼板提供的吸力的前提,且卸載時(shí)工作磁極面處的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度從370Oe降至90.52Oe,永磁體的用量從1 385.62 kg降至643.19 kg,降低了53.6%。

Ansoft磁場(chǎng)有限元分析是磁路分析的重要方法[8],基于分析結(jié)果,查找起重永磁吊設(shè)計(jì)中存在的問題,對(duì)于指導(dǎo)大噸位永磁起重設(shè)備磁路優(yōu)化和改進(jìn)有著重要的意義。

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