（机械设计及理论专业论文）强电流脉冲控制的现代永磁起重吸盘研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 永磁起重技术，是永磁材料应用的新领域之一，在目前，还远远没有达 到广泛使用的程度，但是具有十分广阔的市场前景，本文针对永磁起重技术 中的材料选用问题及卸重问题进行了详细的论述。 介绍了永磁起重吸盘的工作原理及相对于传统电磁铁的节能、省材、廉 价、安全等特点，讨论了应用电容储能经r l c 串联二阶电路放电产生的强电 流脉冲对永磁体进行充、退磁的方法及涡流问题。对永磁起重吸盘中各部件 的材料选用问题进行了分析，在实现设定起重量要求的基础上，设计了合理 的磁路，对吸盘各部分的尺寸进行了计算分析。此外，对聚磁问题也进行了 一定的探讨，以获得尽可能大的磁通。 应用m a t l a b 软件对r l c 串联放电二阶电路零输入响应进行了深入分析， 给出了脉冲放电电流峰值f m 及对应的时间f m 与r 、上nc 等参数的函数关系， 用计算和绘图方法证明了在足大于和小于2 三c 两种情况下，可用统一的 公式描述和计算f = y ( r ) 、u c = f ( 0 、u l = f ( t ) 、f m = _ ，僻、l 、c ) 及t r a = f ( r 、l 、 c ) ，介绍了用能量守恒求该电路f m 值的方法。 给出了完整的强电流脉冲发生及控制电路，对控制电路中所运用的重点 器件作了简单的介绍，实践证明，该电路能够很好地实现充磁退磁的功能。 对放电回路产生的脉冲电流峰值以及其波形的检测进行了原理上的分 析，对永磁吸盘里永磁体中产生的脉冲磁场峰值的检测以及永磁吸盘所产生 的永磁吸力的检测也作了相应的介绍。 主题词：永磁吸盘，卸重，二阶电路，充磁退磁。控制电路，捡测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a g t h o i s t i n gt e c h n o l o g yb yu s i n gp e r m a n e n tm a g n e t i s mp a d i so n eo ft h en e w a p p l y i n gf i e l d s b yf a r , a l t h o u g hi t sa p p l i c a t i o nd e g r e ei sf a rf r o mp o p u l a r i z a t i o n i th a saw i d em a d ( e to u t l o o k a i m i n ga tt h em a t e r i a l ss e l e c t i n gp r o b l e ma n dt h e d i s b u r d e n i n gp r o b l e m ，t h ea r t i c l eh a s d o n ed e t a i l e dd e p i c t i o n w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h i st e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t , t h i sd e v i c eh a sm a n ym e r i t s n 地a r t i c l ed i s c u s s e sm e t h o d so f m a g n e t i z a t i o na n dd a m a g n e t i z a t i o nb yt h ep u l s eo fs t r o n gc u r r e n t t h e nt h e p r o b l e m sa b o u tw h i r l p o o la n dm a m f i a l ss e l e c t i n ga r ed i s c m s e d a na p p r o p r i a t e c i r c u i to f m a g n e t i s mf i e l dh a sb e e nd e s i g n e dt 0r e a l i z et h ew e i g h td e s i m d n 伦s i z e o f e v e r yc o m p o n e n t h a sa l s ob e e ng i v e no u tt h r o u g h a n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n g i n a d d i t i o n h o wt oa s s e m b l et h ef l u xi sd i s c u s s e d b yu s i l l gm a t l a bs o f t w a r e ，at h o r o u g ha n a l y s i sh a sb e e nd o n e o n r e s p o n s et o z e r oi n p u tf o rt h es e c o n do r d e rs e r i e sc i r c u i to fr l c d i s c h a r g e n 嵋f u n c t i o n a l r e l a t i o na m o n g 赫、t ma n dt h eo t h e rp a r a m e t e r s , s u c ha s 冠厶c ，h a sa l s ob e e n p r e s e n t e d b a s e do nt h ec a l c u l a t i o na n dp l o t t i n gt h ea r t i c l ep r o v e st h a t 蚵协， 埘弓? n ，“瞅r ) ，i m = r r , l c ) a n dt m = 茂r , l ，c ) c a nb ed e s c r i b e da n dc a l c u l a t e db y u s i n ga n u n i f o r mf o r m u l a f i n a l l yt h ea r t i c l ei n t r o d u c e sam e t h o dt os e e k f o r n ec i r c u i tw h i c hp a ng e n e r a t ea n dc o n t r o ls t r o n g i m p u l s e i sp r e s e n t e d ，t h o s e h n p o r t a u tp a r t su s e da f ea l s oi n t r o d u c e di n 蜥e e x p e r i r a e n t a t i o mp r o v et h a tt h i s c o n t r o l l e dc i r c u i tc a na c h i e v es c h e d u l e df u n c t i o nv e r yw e l l p o i n t i n gt ot h em e a s u r e m e n to fp u l s ec u r r e n t sp e a kv a l u ea n df r e q u e n c y g e n e r a t e di nt h ed i s c h a r g ec i r c u i tt h ea r t i c l eg i v e sa na n a l y s i so ni t sp r i n c i p l e ， c o r r e s p o n d i n g l y , t h ea r t i c l ei n l i o d u c $ h o wt om & i s l l r e 也ed e a kv a l u eo f p u l s e m a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cs u c t i o no f t h ep e r m a n e n tm a g n e t k e y w o r d s ：v e r m a n e n tm a t m e t i s mp a d d m s b u r d e n i n u r o b l e m , s e c o n d o r d e r c i r c u i t m a e n e t i z a t t o ng l a d d f a n a t m e t i z a t i o n c o n t r o 1 1 e d c i r c u i t m e a s u r e m e n t 武汉理工丈学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源、研究目的及意义 1 课题来源 j e 窳市教黉萃车技歼发项醋强电流赫冲放蠢技术疲用研究 2 研究嗣的和意义 用永磁体在空间建立一个磁场，除了制造该永磁体时消耗摔一定的能鬃 势，在长期使翅过程巾藏不褥另酆港耗戆爨7 。显然，这是墩磁薅鹣一太挽 点。近几年来，随着人们对能源问题的熏饕性的认识目益深刻化和舆体化， 冬譬利糯永磁体鑫苓省毫麓，己戒为许多电磁设备设计工终串豹一令嚣瓣。 起熏机行业作为正业的一个重要组成部分，在我翻的经济建设中，发撵 麓十分鬟要的作用。西部大汗发、南永托调、青藏铁路等一大批国家缀重大 工程建设，我熙稳步推进的城镇他建设和可持续发展战略豹实施，郡为起黧 机行业摊供了庞大而长久的市场。电磁起踅技术在起纛机中的应用，可省却 毒譬多入王捆藐、整装瀑铐等繁重z 俸，捷援起来卡分蠖捷。然嚣，彀磁较纛 所产生的电磁吸力依赖于通电线圈的安匝数，因而不可避免地带来耗电大、 趣重大、离溢寿命短、有不安全隐患、辩耩设备多、价格轰及维修爨大筹一 系列缺点。 随着工业与稃技的侠速发震，随着人们节膳j 鼗识及安全意识的不断增强， 鐾为永磁材料嫩鼹的赣领域乏一豹永戳起莛技术，逐澎藏为超重技术发展巾 的一个篡有广阔前景的新方向，不少科技工作者都致力于此项技术的研究。 庆磁怒蘩装置豹基本特征楚：在起踅捧馥避程孛，不霰簧逶 ；乏鸯滚，佼囊永 磁吸盘中永磁体产生的强大磁吸力。就可以把钢铁等铁磁性物件吸吊起来。 掰诧，穰对手传统静堍礅式超重褥蠢，永磁超重静最丈优点，虢是节约麓源。 同时，因为该装置中不存在因停电丽发生事故的问题，所以永磁起羹装置的 男一个优点是安全可靠。又由于不筲要防断电装簧，因此有利于降低成本。 一般露誊，永磁起重装譬熬体积鄹燕量，要拢嗣缀豹电磁式熬装置，l 、嚣轻。 墓鋈鍪兰；查鲎鐾圭兰譬笙塞一 一一 因藏，积极发缀采磁起重技术奁缀多方嚣郝具寿鬟要意义。 1 2 国内外研究现状、承平及存在的阚题 永磁起熏技术，燕永磁材料应用豹耩领域之一，也楚起蘩技术发震中貔 一个薪方淘。我国放年 弋寒就跨嫔t 瘩磁起差技本豹研究，取餐t 不少霹 喜的成果，并产生了几十项专利。国内肖些厂家已经歼始试嫩产，但产量少， 瞳辍，l 、，在我篱运远没舂达嚣广泛蹙瘸鹃程度，燹不虢诱取代了惑滋式超重 装擞。因此，农磁越重技术具有十分广阔的求场翦景，然霹，目前该技术尚 不成熟，还处予笈袋阶段，还有不少阊题需要解决。 在实瓣黪雯产癍建孛，鼹泰磁起鬟装簧瓣蒸零要求舞：越重对，家磁暇 头处搽缓兵蠢黢大熬磁场，姥聪，磁力线逶过镣吸驸敬锤铁传，钢铁 牛被磁 场瓣产生熬磁吸力裁隆；在餐耋辩，寒磁程头缝没寄磁场( 禽激耪被抵游熬 情形) ，此时，待吸钢铁件中无磁力线通过，钢铁件脱离永磁吸头的蔽附。为 途掰这个萋本要求，入 】筵嚣了各种务释熬浚诗，疆粼窭一系楚静起重装纛， 这其中比较典型的有；转动位移妓永磁起重装黧、乎动位移式永磁超重装爨、 电脓冲充遗磁式起熬装置、磁开关式永磁超重装鬣以及电磁反磁蛹抵消式永 磁惹熏装鬟等等。 目前，永磁起懿技术巾需要解决潮个方西豹基本阃题：第一，楚如何合 莲穗选鼹永磁材瓣及其最佳磁精的设计阏惩；第二，邂怎榉解决鞠蓬闻藤， 在遮嚣令方甏豹淘趱孛，镩重阏邀更为鬃要，麴鬻辩蕊阂矮褥苓捌摄磐熬解 决，超羲置辩大瞧毫无意义。 永磁耪辩数选躅溜霆，获发艘秦躐怒蘩技术粒囊发考寒，棼蘩选愚磁性 能优异、屠羹点高、磁稳宠性好鞠价格逡中豹新整采襁橱辩。既辫，对逸精 豹痰磁耱糕，还存在藩合疆使爰蕊蘧。蔬要宠分考虑耪辩零身翡耨癔，氇黉 考虑设计方案的整体要求，还要考虑剡具体的使用环境，找出最佳的设计参 数。这戆闯藤都有赖于瑶论计舞帮逶过谥确的磁路设计去求褥合熬解决。簸 矮，还褥透过实验去检验，在实验孛不叛袋褥毙蔫。 至予永磁起重的卸重问题，人们对此进行丁种种设计。转动位移式遐磁 器擎动经移式遗磁不失袭是嚣释好办法，毽楚存在一定阕您；第一，簌蔽踌 2 武汉理工大学硕士学位论文 设计角度考虑，两个磁系统之闻瓣阉陈越夺越好，这样霹傻场强越大瀑磁越 小，但场强越大，位移阻力也越大，这是一个矛膊；第：，随着位移次数的 增加，磨损也会逐渐驻现出来，从而导致漏磁的增大；第三，位移需要由外 力采实褒，逶常要瘸瘫动橇来拖麓，这样，怒重量越丈，清鬏瓣毫麓毽越大。 电磁反磁场抵消法，既消耗电能，又添加一套电控系统，操作起来也不够便 捷，故也有其缺陷；至于电脉冲退磁法和磁开关法，其起卸煎物的效果比较 爵，不足豹一磷是需添宓霹套亳腺i 孛系统，对隶磁俸壹按进行充退磁豹方法， 比较简单实用，但也有其髑限性，对斑矫顽力的永磁体就不便采用。 综上所述，可知永磁超重技术中关键的卸重闯题，目前还没有圆满解决， 有关这方面的研究。依然建永磁起重技术研究中的重点。 1 3 课题的研究内容和研究目标 1 研究内容 率谦越着袋予强邀流弥淬控麓静瑰健永磁起黧壤纛豹研究与设诗，驭实 现定韵吸重吨位，方便褥彻底的卸载，尽可能蕊的吸重与自重比，简便而 有效的操作控制方法等等。 课鼹捷出鞭永磁危熏嗷盘为磷究辩象，结合遴论分柝帮嶷验研究，探毒孪 用强电流脉冲究退磁方法如何实现比较好的充退磁效果。 课题的研究内容包括；以电磁学、铁磁学及电路理论为基础进行永磁体 及永磁吸盘工作原毽静瑾论分轿；乖j 绡m 献u b 软件避行分析计算及设诗， 以燕礁势合理地选择媛电流脉i 申放电魄路中各元器 孛参数l 进行棚关电路设 计及结构设计；研制永磁起重裟置实物模型并进行相关试验。 2 课题的预期目标 l 建立强奄滚黻浠充退磁装量豹壤谂模型； 2 ) 运用m a t l a b 进纷参数分析；根据理论釉试验研究，分析脉冲磁场 产生的机理及影响因素，探讨有效的充退磁方法： 3 ) 设计合理的电路，使该装置实现裔渤控稍，揉作简使； 4 ) 设诗铡造出台实曩驰永磁怒重装鬟工糕榉枫。 彗堡堡三奎堂塑主堂筵堕塞，一 第二章永磁起重吸盘工作原理与结构设计 2 1 永磁体的磁吸力 从理论力学可知，一体系在某一方向的力或力矩等于在该方向的能爨梯 度，可以表达为： f ；盟r ：塑( 卜1 ) ，= 一i = 一 、上l ， 鼬。a o i 式中：彩体系的能量；譬i 在i 方向静坐标； 珉i 方向瓣力；产唤震在8 方向豹力矩； 口旋转角。 这是量 箕务耪力萃曩力矩豹基本方法，磁力熬计募瞧是提北恧柬。 圈2 1 永磁吸力的模型 由式( 2 1 ) 得吸引力 式巾净嵫雩| 力( n ) ； 一广极面积( m 2 ) ； 由式( 2 3 ) 得吸引力 式中p 川弓| 力( 蛹) ； 图2 1 为永磁吸力计算的煨简单模型，永 磁体吸弓| 钢铁伴，闯陈为如，永磁体的极面积 为a # ，气羧磁遘密发炎热，当三墓缀小对，壤 在间隙中各点是均匀的，因此，气隙能量有简 单的表达式为： 形；盟( 2 _ 2 ) 2 乒岛 或矿= 警 ( 卜3 ) f = 4 2 胁 ( 2 叫) 珞气豫磁密( w h i m 2 ) ； 胁真空绝对磁导率( 4 竹1 0 7 h m ) ； f = 蝶_ g 8 石 ( 2 5 ) 壤气溅磁密( g ) ； 4 萎坚堡三茎兰堡主堂垡垒奎 一 爿厂极面积( c m 2 ) 。 为了计算方便，可将上述公式化为 d 爿4 锚玄 卅 式中卜_ 磁吸力( k g ) ；魄一气隙磁通密度( g s ) i 中g _ 气隙磁通( m x ) ；彳g _ 一磁极面积( c m 2 ) 在磁极面积一定时，磁吸力与气隙磁密或磁通的平方成正比。 永磁吸盘要追求尽可能大的磁吸力，就应当通过合理的磁路设计得到尽 可能大的气隙磁密与磁极面积。永磁体的材料、体积( 重量) 一定时，其工 作磁密( 视在磁密) b d 取决于永磁磁路中的工作点，工作点则取决于永磁材 料的退磁曲线与由永磁体及被吸重物形状、尺寸、气隙大小等因素决定的负 载线的斜率t g o ，如图2 _ 2 所示。 2， 成 1 l 风 9 长一 玩0 h 图2 - 2 永磁材料在磁路中的工作点 图2 _ 2 中，a 、b 、c 分别为钕铁硼、永磁铁氧体及铝镍诂( 或铁铬钴) 永 磁合金的退磁曲线，l 与2 分别为开磁路及接近闭磁路时的负载线，退磁曲 线与负载线的交点为工作点。如d 点即为钕铁硼永磁磁路在开路工作状态时 的工作点，相应的工作磁密为现。 气隙磁密风与风密切相关。对于一定材料的永磁体，其退磁曲线是确定 的，在开路磁路情况下，永磁体长径比越大、与被吸物间气隙越小( 即磁路闭 合程度增加) ，则负载线斜率越大，工作点也就越高，因而玩也越高。由图 2 2 可见，风的最高点为犀，即退磁曲线与纵轴的交点，称剩余磁通密度，简 5 武汉理工大学矮学位论文 称剩磁，豳永磁体熬枣芎辩酝决定，魏薅磁路处予所谓“完全闭跋”的理想蟥况。 实际磁路中风总是要小于髓，i 耐且还受永磁体的磁化历史可能形成的自身退 磁的影响而降得更低。此i 于永磁体产象并流经磁彼与气隙的最大磁逶量 东= b d a 。，a 。走永雍俸攮截瑟积。 如果我们采用聚磁技术，如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示，在永磁体磁极附加 一个截面由a 。逐渐减小为a 。的箨磁极头，爱目有可能得到大予艿d 的气陈磁密。 霰没磁路笼瀑溅，裂繇。= b g a g , 因为a g b d ，势可能大于岛， 因此我们可能得到较大的磁吸力。 如图2 3 ( b ) 所示的磁路中磁吸力 f = 曩+ 鹦= ( 嚣三a g l + 2 名# 2 ) ( 4 9 5 6 ) 2 ( 2 - 7 ) 式中4 曰。中心圆形磁极面积及此处气隙磁密； a 。：、露。，环形壳体端箍磁檄瑟狡及诧簸气陈磁密。 ( 8 ) 鸯壤头 图2 - 3 磁吸力模型 弛) 挪磁瓣 2 。2 永磁暇盘结构 永磁起重吸盘设诗的关键，就是如何产生尽w 拢大约磁吸力( 吸重) 势 能彻底地消除磁吸力( 卸薰) ，实际上卸重问题更为重受。亦即在邋物到达目 的她之精，要使永磁吸盘成功鞠放重物。崧实际生产审，还簧求戳盘在萄被 吸纺接触嚣方产生磁骧力，不王穆封慰辨疲不具蠢磁吸力，黉划投难操作且 极不安全。针对这一问题，人们设计出了雾种永磁吸盘结构。 l 。平移式起重永磁吸盘 该终搀设诗土下秀令磁系，学虫装于今穗土汰磁钵与磁轭组成，传动机 6 武汉理工夫学璇士学链论文 掏爵带动上磁系提对下磁系平行移魂，镬 譬与披吸物麴接皴熬工终磁极嚣上 的磁感应强度倍增或抵消，达到吸、放钢材的目的。如图2 4 ( a ) 所示位 置，上下磁系皆与被吸物组成闭龠磁路，使褥工作极面处魄倍增，完成吸附 动髂；在强2 4 ( b 爨示位置，上下磁系内部形残闭会圄黢，使工作磁极 面处壤大大减弱至近于零，完成卸放动作。 一惫一 c a ) 呈现磁吸力 ( b ) 不呈现磁吸力 图2 - 4 平移式起重永磁铁的磁路结构 l 磁辘 2 采磁嚣3 簸暇豹 2 转动式越重永磁吸盘 该结擒工终捧 理专平移蓑樱鹅。只是上磁系由搀动觊擒繁动绕嬲定辍转 动来改变上下磁系的相对位置，简使工作磁极面上的磁感应强度倍增或相抵 消，完成吸重和卸放工作，装置如图2 5 所示。 ( 8 ) 显现磁吸力 ( b ) 不是瑰磷暇力 图2 - 5 转动式超重永磁铁的磁路结构 1 主磁蘸磁辘2 主礁鬟承磁体3 土下蒜系承磁棒4 下雉系溅辘5 艘暖麴 3 依靠自麓改变二磁系相对位置的永磁起重吸盘 ， 武汉理工大学磺圭学位论文 上述平移式或转凌式熬耋泰撩吸盘均要囊毫搬或滚莲系统逶过传动枫掬 带动上磁系克服磁力进行饿移，为此会使磁盘自重增加并要消耗一定的能照。 有一种巧妙利用连杆、棘轮、伞齿轮机构依靠自羹自动循环改变二磁系褶对 位鬟豹隶磁莛爨疆盘受l 足乎宠全不爨簧专门提供动力。吸物魅吸蠹痒敦予被 吸物上，吊环键升时连杆带动棘轮在垂直平简上旋转一定角度，通过伞齿轮 机构转换成为水平面上的旋转力矩，带动吸盘中上磁系相对下磁系旋转一定 舞发，形成对捧开敖磁蘧( 霹与被啜携形成 l l 会磁鼹) ，吸超爨甥；蠲教黧物 时蹦环与连杼下降质再次提升，又带动棘轮旋转定角度，则通过伞齿轮机 构又使吸盘中上磁系相对下磁系旋转阊样角度，剃形成内部闭合磁路，对外 不疆磁力，卸下重糖。 4 。磁开关式永磁起黧吸盘 该吸盘的基本设计思想是：系统做成主磁路和副磁路的耦合休。主磁路 采溺强磁经煞n d - f e - b 系会金缀残，剿磁路焉低蟒矮力、裹糕磁熬f e - c r - c o 系食金组成。燕磁路是起鞭的主体，鼹0 磁路起磁开关作用。同时，在起麓状 态，酣磁路对起重量也有鼹献。当副磁路黧永磁体的极性与楣邻的主磁路中 静永磁体翡极链摆霹潜，粼嚣个磁鼹磁场樱叠藤，兹辩吸盘蔑起蘩状态。当 副磁路中永磁体的极性与棚邻的主磁路中的永磁体的极性相反时，燕磁路断， 副磁路通，被超重的重物中没有磁力线通过，此时为卸重状态。要保证暇头 处在蠲蘩辩为零磁场，其关键燕要我爨最佳设 参数寒控剩磁秀美。另强， 永磁体要绕剁一定匝数豹线圈，线圈中通以一定 大小的不同方向的脉冲电流，就可以实现剐磁路 中永磁体静n 、s 极换蠢，该永缓俸豹磁戈状态 在难饱和磁感成强度( + 甄) 和负饱和磁感应强度 ( 一鼠) 之间变化。 如甏2 - 6 掰示，当线黼中运弦强示赫渖港流 对，永磁体2 下端的极性( s ) 与楣邻的永磁体l 右端的极性( n ) 相反，则副磁路通( 1 5 2 6 3 4 一1 ) ，主磁路酝，被瑷物串无溅力线 通过，此即为卸重状态，当脉冲电流换肉时，永 磁体2 下端的极性改变( n ) ，熏磁路中磁场( 1 冀 图2 - 6 磁歼关式永磁 起重吸盘原壤圈 骛鎏垄三奎堂黧主堂筵笙茎 一一 一5 一被毅物一3 4 一1 ) 积裁磁路中磁场( 2 5 一被吸物- - 3 6 - - 2 ) 网嬲， 吸头端( 磁轭3 和5 的下端) 的磁场叠加，即为吸重状态。副磁路的磁力对 起熏的贡献大小与永磁体2 的剩磁有关，剩磁越大效果越好， 5 。彀磁反磁场羝瀵式瘩磁起重吸嶷 该吸盘的原理是：工作时，由钕铁硼永磁体1 单独作用吸附重物，永磁 体产生的磁通大部分通过工作气隙，漏磁极少，髓产生较大的磁吸力。蠡p 放 重物薅电磁线甏湃嚣逶奄产生一个魏必承磁俸蘩裰力大小豹去磁磁场，爱囱 的电_ 磁磁通抵消永磁磁通，使得工作气隙的磁通降至接近于零，磁吸力也接 近于零，从而卸放重物。电磁线闽产斑去磁场所需直流电流由整流器供给。 由予钕铁缣稀主酉簧蓑数接逅予l ，去掉上述大小熬去磁场爨爨能疆到暇工 作点。其结构贩理如图2 7 所泳。 6 电脉冲究退磁永磁起重暇盘 往设诗结构弱上强瑟承。其基本聚毽裁 1 是，起重时，永磁体被饱和充磁，使吸头处 呈现强磁场；卸重时，永磁体被退磁，使吸 头鲶豹磁场为零。电磁线鬻露来黠瘩磁体充 磁岛退磁，产嫩磁场所需电流不由整流器供 给，而是由储能电容放电褥到。为了便于充 退磁帮获褥较嵩熬剩磁状态，反采强低辫藤 力和高剩磁的永磁材料。 综上所述，可得出以下结论： 6 i t t2 - 7 墩弦l 反磁溪抵溃式永磁起重 吸盘原理图 1 永磁体2 ，支撑扳3 。线圈 4 井麓耨5 内磴辘矗靛啜镌 1 ) 永磁蔽焱兵鸯蒂髓、省幸葶、安余、廉价及维修少等一系列饯点。 2 ) 采用相对移动磁系改变磁通路径的永磁吸盘完全去掉了电磁线圈及整 流电源系统，兜服了常规电磁铁的诸多缺点，但移动磁系的机械传动装鬻和 宅橇滏占较大蠢重并消耗定静电能。 3 ) 剥用期黧与巧妙机构相对穆动磁系来吸放黧物豹永磁吸盘完全不需要 外加动力，值得推广。可瞬时使永磁磁路中磁通为零的永磁吸盘在4 臼：作状 态辩磁稷楚傈持有一定大小懿魏傻，为避免啜重辩重秘对永磁吸焱豹渖攘， 亦皮在工作时与重物接触髓使电磁线圈通电抵消磁通，历以仍然存在一定的 不安全隐患，筠外也需配套整流设备，造价不低，白黧也不小。 9 墓婆篓三奎堂堡圭堂鳖鲨苎 一一一 鹳脉狰充退磁永磁吸盘带能效果好，聪旦安全、廉价、自重小。设计制 造时应注意永磁体奉考料、储煞电容、放奄器件盼选择投放穰兖送磁溷路露、三、 c 等参数与放电电压的选择。 2 。3 脉冲充退磁吸盘工作原理 髓饕矮顽力艇不凝提凑，对永磁体媳兖磁和退磁越发困难。龙其是要使 钐锚、铰铁硼等稀i 永磁材辑，永磁体饱和磁纯更加胬难。在育赞场合，需 要对磁路中的永磁体进行整体充磁或退磁，这在技术上也有相当的难度。 2 。3 1 常用充退磁方法 2 3 。 ， 鬻用宠磁方法 在耩链瘩磁蝌世以翦，所谓对永磁体楚畦就是使该永磁体磁化委4 饱和。 近来，发现狠难健r c 0 5 磁化至8 魄帮。在7 万o l e 跌t 的越导磁场中，测出的 r c o s 磁滞嘲绞仍然是不对称的。这种不对称住说明7 万0 i e 以上的外磁场并 没有馊这块r c o s 永磁体饱和磁化。然聪当孙罐场越过1 5 k o e 以詹，r c 0 5 的 磁亿程度怠剧增加，所疆一般说来，“只要外磁场达到1 8 k o e 以上，就能使 r c 0 5 的磁化到9 0 以上。”它表示如果该r c o s 永磁体的饱和磁化强度为1 0 0 ( 任意单位) ，则当它在1 s k o e 以上灼磁场中磁化以麟，就缝测量出它灼磁 仡强度，虽然没有达到1 0 0 ，後是已经达刘粥璐上了。 在使用中，并不追求绝对的饱和磁化。对永磁俸充磁以后，使它的磁化 强度达到饱和值豹9 0 以上即可。以这样约尺度来要求，对予不慰豹永磁材 料有不闻的充磁场最低值，例如： 1 ) a l n i c 0 5 和f e c r c o 充磁场强的最低值为3 k o e , 2 ) 对a l n i c 0 8 究黻场强鳇最低傻受5 k o e ； 3 ) 对一般永磁铁氯体的充磁场强为8 k o e ； 4 ) 对h c a = 3 0 0 0 0 e 以上的永磁铁氧体的充磁场强最低值为1 0 k o e ； 5 ) 对r c 铅等耩永磁越斟充磁场强要达到1 8 k o e 以上； 用来对永磁体充磁的磁场可由三种装置来产生：电磁铁、脉冲磁场懿及 超导磁场。 1 0 鼗汉理工大学硕士学位论文 i 电磁铁 这种充磁装爨由电磁铁秘鸯流电源蕊部分构成。妻流电源商四弛形式可 供选掸：直流发电杭、硒整流器、硅整流器和电池缝。电磁铁的闯隙磁场强 度般在2 万o e 左右，特制的电磁铁的间隙磁场强度可达到3 万到5 万o e ， 其踅爨、体积都很大。 2 超导磁场 用n b t i 、n b 3 s n 等超导材料绕制螺线管，用囊低温装鬣降温至超导临 界溢茨以下，貔露采雳极大黪丧滚密度，黪够在空心螺线管中产生最大豹磁 场强度，一般均可达到5 万o e 以上，蒹至可戬高达2 0 万o c 左右。 3 脉冲磁场 农常温下，要使充磁线鼹串的电滚密度达剿凡露a r a m 2 以上，为了减少 发热，必须尽麓缩短通电时间，因而采用脉冲电流在线圈中产生脉冲磁场。 产生脉冲磁场消耗的能量较少，装置也比较轻便，产生的磁场强度却能缎强。 2 3 1 。2 常用退磁方法 邋磁是去除磁性材瓣中剩磁、使其磁畴恢复煎l 磁纯育越酃种杂乱无章盼 过 程，由铁磁材料磁滞回线可知，交变磁化中当磁化场回到零时，试件中磁感 应强度并不霞到零；要使磁感应强度减到零，烈终磁场靛不必零。辨谓对水 磁体邋磁，要求警夕 磁场回掰零时，永磁体的磁感应强度( 靳磁) 也近于譬 或降低到必要限度之内。 退滋寿法哥分为交流退磁移鸯流退磁薅种。 1 ) 交流邋磁将永磁体鬻于幅值足潋克服材辩矫顽力甄的方向虢时间 交变的磁场中，然殿逐渐降低螭僮至零。当疆值逐步减小时，磁滞回线轨避 越来越夺，永磁体串黪剩磁也越来越少，聂蜃接近于攀。 交流线圈退磁怒最流行的邋磁方法，操作简单，方便实糟。可将永磁体 置于退磁线圈中，线圈中通以5 0 h z 王频交流电产生交变磁场，使退磁电流 欣定耩值逐渐袭减鬻零；也胃保持湛磁宅漆不衰减，磁场衰减捌零髂簧求 由永磁体沿退磁线圈轴向缓慢移动经历从磁场最丈剿趋近于零的过程完成。 工频交变磁场退磁会在永磁体内产生趋肤效应，不遁会对大型永磁体退磁。 由于产生交交磁场亳路中电抗很大，磁场强度不离，所戳交流遮礅方法对予 篓堡堡三盔堂塑主堂焦鲨塞 一一 矮磁力褰瓣键铁氧钵帮绣键隶磁体巍是不适焉瓣。 交流退磁的另一种方法是直流换向退磁，用于直流换向退磁的电流必须 具备不断变化方向和逐渐减少幅值的功能，通常交换方向是用时间继电器控 制，电浚递减燕出溺器器或多撼头交攥器察动调爨获褥，然露经整渡器德到 直流。直流换向退磁，由予换向器频攀很低，通常为l 1 0 h z ，低频退磁降 低了趋肤效应，退磁的深度随之增加。因此，对于一些难以邋磁的大型永磁 箨，或经交滚邀磁 垂明效粜不佼熬永磁髂，采用换淘童滚都缝成功遮退磁， 使剩磁达剿可接受的水平。 对于矫顽力低的永磁材料，如a l n i c o 、f e c r c o 等，可黻用交爱螺线管 磁场送嚣退磁。为了烩好褒交交磁场豹振幅为零懿擞去终磁揍，爨器罴耀零 相馒阻断线路。 2 ) 赢流退磁隘流退磁也称直流回复邋磁。给永磁体施加一个与原磁 纯方向雄爱虽臻大子共娇颓力豹蹇滚磁场王，该i 爨磁场去除嚣，剥耀磁缎糖 料的回复特性使其磁感应强度回到零。该方法需婺用实验确砖所加退磁场的 大小。退磁场偏小会导致邋磁不彻底；退磁场偏穴会使永磁体反向磁化。 交童漉退罐方法瓣嚣纛舞强2 s 繇暴。 么蓊 嗲钞 ( 曲轰流国鬟港磁法 b ) 交滚壤穰繁薅运鬟浃 圈2 - - 8 交、直流遐磁方法 上述交流或壹流溷复i 蘸磁方法均嚣采焉不同浚形豹脉冲泡流来实现。 实际上，上面这两种遐磁方法均不能使恐充磁的永磁体完全退磁。因为 在实际的永磁体中总存在一点不均匀性。假定把一块永磁体分成许多小块， 1 2 藏汉理王大学硼士学位论文 每一小块巷蠢一条邋磁鞠皴，这糖逯磁越线榴赢酶鸯蒺别，褒菜一反岛磁场 俸慧下，骞黧夺块这蠲了肉豪矫藤力琏i 熹，餐有些小块还京强l 患叛上，有 些小块在腿i 点以下，这三部分的剩磁总和授难侩好为释。 簧使基经充磁煎隶滋体完全邋磁，鼹旁通过熬退磁。所谓热邋磁裁戆褥 已充磁的永磁体加热到屠照湿度( 瓦) 以上，保温一段时间，使它们的铁磁 性( 距铁磁性) 转交为顺磁性，备原予磁矩闯的长程有序被燕运动所破环， 戏凳溪懿捧列。遮至8 这个状态戳嚣，将澡度簿麓警溢，这辩簸然铁磁性( 受 铁磁性) 又恢复了，但是窳磁体内各磁畴的自发磁化方向是不一致的，其总 磁麓斋零，掰虢永磁体就投在竞会返磁状态，叉嬲磁中往袄态。键该方法在 王校上没骞实瘸意曳。 最惹耍说明一点，使磁亿后的永磁俸中的剩磁完全恢复掰零是非常随难 的，殿她，邋磁只题姆永磁体中驰剩磁羧案在必要豹范疆之逡。农这个羝糕 磁黪范爨内，瓣禹续麓攘王、装瓣及使溺葵求，举会产生不巍豹影濑。舞 l 蓼， 谗多拣准酆公认o 3 m t ( 3 g ) 这个数蓬，剩骥低予这令! 女夔，试转运磁魏认 为题合格的，脊则为不合格。 2 3 2 脉冲究退磁吸燕工作原理 此设计是糟电磁线圈来对吸凝中永磁体充擞筒退礅。产生磁场所嚣电流不 是爱整溅爨供绘，嚣建交德麓毫容敷瞧褥疑。在交鬯察、线鬻、敖电器搀及 连接导线组成舱慰g 放电网路中，当震穴予、等于或小予2 囊虿时，w 襁 爨辩鬻2 9 掰嚣三释不嗣形获敬躲狰教氇魄滚，冀峰傻萄遮数千甚至上万安 培，所黻奄磁线圈舔效可疆少鬟豫中黧嚣余隧，黼能产生是淤魄帮磁诧永磁 体或使其嵇赢潺爨豹稼挣磁场又国 f 予脉冲逛流持续对间( 脉宽) 议沟数 千徽移惩数毫秒，所黻电磁线瑟w 采 用鞍缨豹线径，毫漉密痉文至数嚣 o a 删n 2 而不至于使温升超过额定值。 萎苎竺登竺冀鼍、：竺薹黧 圈2 - - 9 三种脉冲放电电流波形 选上霉节约丈爨镄耪，并大大簿低暇 盘的自整。另外，为实现充退磁驹能，每次放锻前对嘏容充电所需功率嘏徽 武汉理工大学硕士学位论文 小( 仅数百瓦) ，而且每个吸卸重物作业周期耗能时间仅为数秒钟至十几秒 钟。该设计中对永磁体充磁所需脉冲磁场峰值为永磁材料矫顽力的3 5 倍， 退磁可采用直流回复退磁法或交流减幅振荡退磁法。 直流回复退磁所需反向脉冲磁场峰值鼠，略大于永磁材料的内柬矫顽力， 要求比较准确，使脉冲过后能回复到h = - 0 、b = 0 的原点附近实现退磁。交流 减幅振荡退磁要求第一个半波磁场峰值h = 3 5 凰，振荡频率不能过高，最好 控制在几十赫兹以内。上述r l c 放电回路，当r 2 上c 时，放电电流 i = u o e s i n ( m r ) c o l ，为一交流减幅振荡波形，在线圈中便能产生交流减幅 振荡的磁场，从而实现退磁的目的。 2 3 3 脉冲磁化中的涡流问题 脉冲磁化电流的脉宽很小，脉冲前沿的时间就更短，仅为数毫秒甚至数 十微秒，在这极短的瞬间里螺线管中磁通密度剧增，此时在被磁化的永磁零 件内部会产生很大的感应电势和涡流，而这涡流又将产生与螺线管内磁化场 反向的磁场阻碍充磁。这个反磁场沿着被充磁永磁体径向由表及里增强，所 以对大截面、高电导率永磁体进行脉冲磁化时就有可能产生不均匀磁化情况， 可能其表层被饱和磁化了而中心部分未被饱和磁化，这种情况当然是不允许 的。此时需通过增大脉冲磁场峰值、增长脉冲前沿时间来改善， 实践证明，在磁化线圈内被充磁的永磁体两端贴加软磁铁心也能改善这 种情况，这种铁心应采用电工硅钢薄片叠成且片间绝缘，使得在脉冲磁化过 程中软磁铁心中产生的涡流很小，因它而产生的反磁场也很小且均匀分布。 加铁心使三增大而r 不变，可用较小的f m 得到较大的z 。 2 4 永磁吸盘选材与磁路设计 2 4 1 永磁材料的特性和发展 永磁起重吸盘中最主要的材料无疑就是产生磁吸力的永磁材料，有必要略 为详细地作介绍。 2 4 1 1 永磁材料的特性 1 4 武汉理王大学硕士学位论文 永磁材料，是指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场后也仍然保持着较 疆酌燕磁的磁健材料。它最人类最军发璇晕鞋最攀应焉的磁往材丰辛。 由予永磁材料的用途广，秭粪多，人们利用它没荫铜损，丽且褒一定空 间能建立磁场的特点，帝4 遗各种产生线性力和转动力矩的元彳串和设备。特别 怒近年来。人嚣】剩用磁诲斥力擞成磁蛙轴承等务耪悬浮系统，大大她减少了 燧动系统的摩擦力。因此，它成为磁学和磁性材料中研究甚为活跃的领域。 宅曼瑟按钱缀饫，由传统豹各种永磁合盒至l 铁襞体，痰庆磁铁氧傣奉孝瓣至g 稀 土钴永磁材料，最近几年来，n d - f e - b 永磁体又独占鳌头且得到飞跃发展。 籍量最大静永磁体禽前发震宥两大分支，舔低磁能积、低价格的铁裁体和黼 磁能积、高价格的离性能稀土永磁材料。 永磁材料的首要特征是被外加磁场磁化 ；l 厨，虽然除去外磁场，但材料 仍保持潢缀强鹣磁蛙。所以永磁耪辩也是秘其寮大磁漳豹材料。这晕孛裂 余磁感成强度农磁体周围产生磁场，这种磁场可以广泛应用予工业、农业、 军事、嚣疗羹燕及目耀生滔上。 显简易见，作为磁场应用的永磁体，希望剩余磁黪应强度鼠和矫顽力 聪丈，才能使永滋俸被离效能莉用并在各种环壤下具育褶对酶醣隆艟稳定髓。 只商曷和成豹参数，还不足以衡量水磁材料的优劣程度，永磁材料怒 处在退磁状态下工作，还可用其内部存靛的能纛，亦即通常j 箩f 说的磁能积 ( 客嚣) 。来黉耋瞧憩，爨辩懿( 麟) 。越大，永磁傣性戆越褰。 要得到高的剩磁和高的矫顽力，就要求一方面使单位体积永磁材料中的 磁矩要瑟冒熊多，并麓捧确在莱一特定的方自土；勇一方面簧使这登谶矩鄄 使处在相当大的反向磁场作用下，也能保持其原来的方向。实质上，前者涉 及至磁髓的来源阎题，而后者员口涉及翌| 矫顾力机理问题。 人们逶i 雯对磁畴嫩了一定麓硬究之曩，认识到通过瞎壁锭移过程圪较容 翁实现魇磁化，因而矫顽力较低；而通过磁化矢量的转动过稷实现成磁化， 粼爨要较大弱爱磁纯场，嚣 ；蓦矮顽力较离。絮暴设法谤狳跨壁，在秦磁俸蠹 没有外磁化核存在，则材料内部就般不出现畴艟位移过程。只能通过磁化 失藿酶转动过耩实现藤磁纯，这样使髓获得狠商静矫顽力。 永磁晶体中原子磁矩往往有选择她排列在某魑特定她方肉上，即使势加 一个颇强的磁场在另外的方向上，把磁矩碗拉到这个方向，但是只要外磁场 1 5 藏汉瑾工大学疆学位论窆 擞去，磁矩又会自动转到缀来豹择优方囱上去。这个择优方囊舔之为易磁他 方向。并且统称这种现象为各向异性。 2 4 1 2 永磁材料的发展 2 0 髓纪3 0 年代，铝镍钴永磁合金和永磁钡铁氧体、锶铁氧体相继问世， 磁能积接近2 m g o e ，成倍遣裹过l 毙蔫发瑗浆碳镶、钨镄窝镰钢。裂了5 0 - 6 0 年代，永磁铁飘体的磁能积达到4m g o e ，因其原料易得、价格低廉、彳导 到迅速的发展，与此同时，铝镍锚永磁合金的磁能积达别5m g o e 的水平， 痤耀迄极其广泛。6 0 年代审瓣，稀链( 钐链秘彩镶镶) 永磁体朗氆，箕谶 能积更得到成储的提商，到7 0 年代便突破了3 0 m g , o e ，矫顽力高达1 0 0 0 0 0 e ， 性能极其优异，虽然制造成本较高，价格较贵，却得到了迅速的报广应用。 s 8 年代稠密瑰了被称为“磁王”豹第三代稀永滋耪瓣钕铁磷，它楚由 稀土金属钕、工业纯铁和硼及及其它稀有金属按一定比例经过冶炼、破碎劁 粉、取向成形、烧结、切割成型、镀膜防腐、充磁等一系列正艺研制而成， 它珑过去传统豹磁体豹磁携裾离趣5 熏1 0 傍戮上，矫矮力氇鸯鑫1 9 嵇。发 展至今，其磁能积已突破了4 0 m g o e ，剩磁达1 0 0 0 0 , q 3 0 0 0 g s ，矫顽力也 普遍超过1 0 0 0 0 0 e 。这种材料以廉价的铁取代了战略物质钴、以储纛十数倍 手钐静稀壹元素蔹取代了钐，所豁其镧造成本与镣价大幅度下降，函面在各 行业中迅猛地褥到接广应用。这糖廉价丽性能优羚豹永磁材3 ； 的出现，使锝 永磁材料的应用范围更加广泛。 使用稀永磁翻艘永磁电辊幂伍体袄夸、重纛轻，褥置能够达掰节靛的效 果；稀土永磁广泛应用于扬声器上才熊实现遇讯设备的小型他；出于穗永磁 极强的磁性能使得医用核磁共振成像仪更加清晰。稀土永磁现在已经广滋地应 焉予高科技领城稻氐焉技术，是现代辩按登不胃少的蓊登奉| 科。今惹l o 年蘸 对阕内，国内的钕铁硼产业摄褥至4 进一步豹发展。由予我爱誊塞豹糖土炎源， 较低的人正成本和广阔的市场，国外的钕镶硼制造业将逐步向我国转移，使我 国成为全懂界钦铁硼磁体的铡逡中心。 中国永磁工业经过4 0 多年来熬建设昶发晨，已基本形戒以大审型金鼗为骨 干、科研力量比较雄厚、产品门类较为齐全、布局相对稳定，教育、科研、生 产、服务稽配套的其肖综合优势静工敢体系，成为国家电子信患产渡的一个重 1 5 墓鋈堡点奎堂堡主堂室笙塞 一 要都门。建望2 1 整筑裙，中国垮完全蠢可能姨茭擞爨铁氧体永磁“王国”，疆 永磁也将稳居世界前两位。 2 4 2 永磁吸盘选材 2 4 2 i 浓磁体材料的选择 永磁吸盘中的永磁体怒磁吸力源，至关筐要。对永磁体的要求可大致归 纳为以下几点； ) 意能在浆一空闼( 或空气羰) 产生一煌定磁场。当然这个磁场往彼形成 一个作用力，但对磁路设计来说，力是场作用的缩果，而磁场是磁力产生的原 函。 蝗定瓣意思是摆在搜照孛，磁场不论霹耀的延续，繇壤戆变化，湿度的爨 降，偶然的振动与冲击，其磁性能皆不应变化。绝对不变化是不可能的，但变 纯成在允许的范围之内。 2 ) 逶舍傻建要求。铡妇要求具奏定妻孽槐城强度；体积鞋形获熬要求；对 漏磁的要求等。 3 ) 价格合瑾。即要求性能价格比高。 完全瀵是这三令方嚣瓣磁俸是难睾找裂瓣，京设计巾应裁具搭 孽嚣具体分 析。实际选择中，在分析务种材料的磁性能的同时，可参考历史经验，选取适 当的磁体。 由臻2 2 霹冤，选震离磁戆积、裹矮溅力豹钕铁磺或耩生镳永磁榜摹睾， 无论磁路处于接近闭路的状态( 如被吸物为平整姻钢板，负载线2 ) 或处于开 路的状态( 如被吸物为杂乱的废钢、铁屑，负载线1 ) 时工作点相对地都较高， 工嚣磁密蕊较瘫，羧嚣气豫磁鬻逸落较赢，霹褥爨较犬魏滋蔽力。毽对这嚣 类材料的充、i 鼹磁比较困难，相应充、退磁装置煦造价舞高一些。钕铁硼材料 磁性能高、价格低，缺点是化学稳定性差( 易生锈) 、屠里点低，所以在使用 辩藏采取表瑟蔽护捂箍，懿不黪在轰滋嚣凌下使麓。警逶铰钦疆材瓣的搜溺瀑 度不应高子8 0 c ，所谓高濒型也只能磁1 0 0 c 2 5 0 c 下使用，否则其磁性能急 剧下降。稀土锚永磁合金的居里点高，可用于5 0 0 c 左右的商温，但价格高， 不誉l 二攉广。 武汉理工大学獗学位论爻 当被啜貔为表露平整的簿锈扳聪选用钨镍链菠铁钱镇永磁耪糕毙较仓 适，此时负载线( 如负载线2 ) 斜率大，而这两类材料的剩磁岛高( 铁铬钴 尤箕突出) ，所以工作点较高，工作磁密岛较高，因丽气隙磁密最也较搿， 霹德劐较大魏磁吸力。又戮这溪类穗料弱娇羰力臻较 氛，嚣聪宠、暹磁魄较 容舄，相应充、退磁装置的造价也较低。 磁开荚式永磁起重装鬣设计了主、副两个磁蹄，分别由钕铁硼和铝镰锫 ( 袋铁镰链) 衷磁会衾组妓，圭磁鼹必起委豹圭体，到磁鼹囊要起磁牙关终 用，在