电永磁吸盘及其应用的研究电永磁吸盘及其应用的研究 郎素萍 , 强冬梅 ( )天津机电职业技术学院 , 天津市 300131 摘 要 : 机械制造业中采用磁力吸盘吸合铁磁性材料作业存在着耗能大 、不安全等问题 , 采用电永磁吸盘是较 为理想的节能 、可靠的方法 。 关键词 : 电永磁吸盘 ; 主磁体 ; 可逆磁体 ; 力矩 ( ) 中图分类号 : TM 754 文献标识码 :A 文章编号 : 1009 - 2498 200402 - 0082 - 04 一 、引言 在机械制造领域中 , 采用磁力吸盘对铁磁性材料来吸合固定或搬运...

  电永磁吸盘及其应用的研究 郎素萍 , 强冬梅 ( )天津机电职业技术学院 , 天津市 300131 摘 要 : 机械制造业中采用磁力吸盘吸合铁磁性材料作业存在着耗能大 、不安全等问题 , 采用电永磁吸盘是较 为理想的节能 、可靠的方法 。 关键词 : 电永磁吸盘 ; 主磁体 ; 可逆磁体 ; 力矩 ( ) 中图分类号 : TM 754 文献标识码 :A 文章编号 : 1009 - 2498 200402 - 0082 - 04 一 、引言 在机械制造领域中 , 采用磁力吸盘对铁磁性材料来吸合固定或搬运作业 , 至今已有一百多年的历史 。19 世纪 末美国 WAL KER 公司率先制造和推广使用电磁吸盘 。随着应用场景范围的扩大 , 尤其是在车间里应用 , 暴露出它的缺 ( ) 点 :耗能大 例如一个吸力 16t 的吸盘需要电力约 10 k w ; 而且一旦断电 , 吸盘失磁工件脱落易造成事故 。虽然现在有断电保护设施可与之配合使用 , 但此装置只能保护电源的停电 , 而不能保护励磁回路的故障 。 20 世纪 30 年代 , 法国 B RAILL O N 公司开始把永磁材料应用至吸盘上 , 在减少能耗及热变形 、安全可靠方面都有 很好的效果 。但由于是手柄操作 , 随容量的增大及多件组合使用 , 给操作带来不便 , 从而限制了它在吊运大型钢板方 面的发展 。 1974 年意大利 T EC N O M A GN E T E 公司用磁差原理开发了电永磁吸盘 。所谓电永磁吸盘是用电脉冲控制的永 磁吸盘 。永磁吸盘通电时间短 , 能耗及发热很小 ; 由于以永磁材料作为磁源 , 不存在断电失磁引起工件脱落的危险 , 比 较安全 。但是由于当时缺少高性能的永磁材料 , 未能广泛应用 。 20 世纪 80 年代 , 高性能稀土永磁材料的加快速度进行发展给电永磁吸盘带来了生机 。20 世纪 90 年代以后 , 稀土永磁材 料之王 ———钕铁硼价格逐步走低 , 大大促进了电永磁吸盘的发展与应用 。 二 、电永磁吸盘的工作原理 、实现方案和操控方法 1 1 . 电永磁吸盘的工作原理( ) 由图 1 知 , 主磁体 1 由高矫顽力的永磁材料 如钕铁硼构成 , 镶嵌在极芯 4 与磁轭 5 之间 , 极性如图中所示 ; 可逆 磁体 2 一般用中等顽力的铝镍钴材料构成 , 镶嵌在极芯 4 与磁轭 5 之间 。当励磁线 受正向激励后 , 可逆磁体 2 极 性方向如图 1 , 则主磁体和可逆磁体都有磁通从 N 极出发经工件 6 和磁轭 5 回到各自的 S 极 , 工件被吸合 。 1 . 主磁体 2 . 可逆磁体 3 . 线 收稿日期 : 2003 - 09 - 05 ( ) 作者简介 :郎素萍 1957 - , 女 , 天津市人 , 天津机电职业技术学院电气自动化教研室主任 , 高级讲师 , 主要 ( ) 研究机电技术应用 ; 强冬梅 1963 - , 女 , 天津市人 , 天津机电职业技术学院高级讲师 , 学士 , 主要研究自动 1 . 主磁体 2 . 可逆磁体 3 . 线 在退磁过程中 , 励磁线圈的磁化力对于主磁体也有退磁作用 , 因此 , 这个磁化力一定要保证可逆磁体的反向极化 ,1 同时 , 主磁体还不得退磁。 1 . 主磁体 2 . 可逆磁体 3 . 线 . 电永磁吸盘的实现方案 ( ) 1主磁体与可逆磁体上下布置 如图 3 所示 ,主磁体 1 与可逆磁体 2 在磁轭 4 中上下布置 。磁体的数量可以是单一的 ,也可是多个组合 。此种布置在励 磁与退磁时磁通方向在三维坐标中是一致的 。此方案适合吸盘在高度方向不受限制 ,而在长宽方向受限制的场合 。 ( ) 2主磁体与可逆磁体水帄布置 图 4 为吸盘正面剖视图 , 主磁体 1 与可逆磁体 2 都布置在同一水帄位置 , 从三维空间上看 , 励磁时磁通为上下方 向 , 退磁时磁通为水帄方向 。此方案适合长度宽大而高度受限制的吸盘 。 ( ) 3圆型吸盘 见图 5 , 主磁体 1 为多个瓦形磁体环形均匀布置 , 可逆磁体 2 、线 均为圆形 。此种方案对可逆 磁极有最大的励磁效率 , 也就是说 , 在同样面积 、不一样的形状吸盘中 , 在同等的磁化力下 , 圆形吸盘励磁功率最小 。 上述三种吸盘结构方案大多数都用在吊吸钢板 , 类似的 , 适合于安装在数控铣床加工中心 、普通铣床 、镗床等用作紧 1 . 主磁体 2 . 可逆磁体 3 . 线 . 线 固板类工件的吸盘结构方案还有很多 。 3 . 电永磁吸盘的电气控制 对于电永磁吸盘励磁线圈的 供电方式 , 常有下列几种 : ( ) ( ) 1桥式全波整流 , 通电延时控制 此法励磁电流 有效值较大 , 通电时间比较久 。 ( ) 2储能电容放电法 通过储能电容一次或多次对励磁线圈放电 。此法可降低从线路上输入的功率 , 但操作频次 不能太高 。 ?83 ? 较短时间内有较好的逆转效果 。为此 , 除较小的吸盘外 , 将吸盘励磁线圈个数宜

  为偶数 , 如图 6 所示 。 图 6 这种操控方法使交流电源的正负半周分别对应于一对或数对励磁线圈 , 无论励磁还是退磁 , 在线圈里都流着半 波直流电 , 而电源里仍是交流电 , 使控制线路变得简单 、可靠 、节能 , 并避免了对外的干扰 。 三 、吸合工件时磁力吸盘的受力分析 1 . 工件脱落缘由分析 对于质量比较集中的整体工件 , 吸盘对它的吸力除取决于本身的性能外 , 还受工件材质 、

  面质量及运动帄稳性 的影响 。因此 , 在设计吸盘时应考虑足够的安全系数 , 确保正常工作 。 对于板类工件 , 由于它长宽与厚度之比过大 , 与吸盘起重能力相应质量的板件面积要比吸盘吸合面的面积大得 多 , 吊吸过程中很易偏心 , 由此产生一个偏心力矩 。这个偏心力矩是使板件坠落的根本原因之一 。 2 . 对板件偏心吸合时的受力分析 δγ如图 7 所示 。已知钢板长度为 L , 宽度为 b , 厚度为, 材料密度为 , 工件总质量为 G , 其重心在 a 点 ; 吸盘长度 为 1 l, 宽度为 b, 单位面积吸力为 f , 整体吸力为 F , 吸盘几何中心位于 c 点 , 距 a 点距离为 P 2 2 图 7 为了简化计算 , 现假定偏心只发生在长度方向 。因为偏心 , 工件会产生偏心力矩 M ,p 其方程式为 : 同理 , 不难推出 , 圆吸盘在各方向的抗掀力矩相等 。 需要指出 , 在上面公式推导中 , 都是假定吸盘吸力是均匀分布的 , 而实际上其吸力是不均匀的 , 因为吸力是磁通 ( ) 产生的 , 而磁通必须由磁极的 N 极出发经工件回 S 极 , 使得 N 、S 极之间必须有空隙 吸盘至少要有一对极, 因而存 ?84 ? ( ) 1吸盘形状 ( ) () 从式 2、3显而易见 ,抗掀力矩正比于吸盘长度和宽度 ,当长度 l大于宽度 b时 ,则长度方向的抗掀力矩抗 M 2 2 kl2 大于宽度方向的掀力矩 M。所以 ,对于吊吸板料的静态不坠落条件不单应满足吸盘额定吸力大于工件质量 F

  G , kb B 2 F是考虑到安全系数后吸盘额定吸力 ,而且应满足抗掀力矩大于偏心力矩 ,即 M

  M ,也就是 1/ 2 Fl

  GP 。H k P H 2 为增加抗掀力矩 , 就必须增大吸盘的长度和宽度尺寸 , 或将多台吸盘组合分装于一珩架 , 形成组合吊具 , 以满足 吊吸大型钢板的要求 。 ( ) 2吸盘的磁极形式 δ吸盘产生磁力的磁通通过板件厚度 方向的截面 。假设吸盘磁极的长度为 l, 宽度为 b, 那么从磁极 N 出来的 3 3 φ磁通为 φb B l =3 3 式中 : B ——— 吸合面磁通密度 。 φ如果不考虑漏磁 , 则通过工件的磁通也应为 , 此时工件厚度方向的磁通密度 B为 :δ φδ lB= /δ 3 2 [ 2 ] δ( ) δ当工件厚度大于磁极宽度 b时 , 即

  B , 当 B

  2 T 特斯拉时 , 则磁路趋于饱和, 使得流过工件的磁通 = 2 l

  集C . 北京 : 中国电工技术学会 , 1991 . ( ) 2 广东师范学院. 电工学 上M . 北京 : 人民教育出版社 , 1997 . ( ) 3 《机械设计手册》编写组. 机械设计手册 上M . 北京 : 机械工业出版社 , 1993 . [ 责任编辑 :上官家桂 陈林松 ] S t u d y o n H ois t i n g a n d H a n dli n g S t e el Pl a t e b y El e c t r o m a g n e t o C h uc ks 1 LAN G S u p i n g, Q IAN G Don g mei - - ( )T i anji n V ocat ion al Col lege of M echanics an d Elect rici t y , T i anji n 300131 Chi n a A b s t r a c t : This p ap e r p rese nts a n a nal ysis ai mi n g at t he p r oblems existed i n hoisti n g a n d ha n dli n g steel p l ate b y ma g netic c h ucks a dop ted b y c u r re nt mec ha nical ma n uf act u ri n g i n d ust r y . It is p r op osed t hat t o hoist a n d t r a ns p ort steel p late b y a dop ti ng elect r oma g netic c h uck is a f i r ml y i deal a n d relia ble met hod on p owe r econom y . K e y w o r d s : elect r oma g net o c h uck ; p ri ncip al ma g netic bod y ; reve rsi ble ma g netic bod y ; mome nt . ?85 ?

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