電控永磁吸盤研究進展

王青青，李裕迪，方燕云，陳 躍，胡錦蓮，李志剛*

（1．臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000；2．安徽工業(yè)大學 材料工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

電控永磁吸盤研究進展

王青青1，李裕迪1，方燕云1，陳 躍1，胡錦蓮2，李志剛*1

（1．臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000；2．安徽工業(yè)大學 材料工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

電控永磁吸盤由于吸力強、安全系數(shù)高、操作方便、節(jié)能等優(yōu)點，在模具加工、機械搬運和電磁機器人等方面有廣泛的應用?？偨Y了目前電控永磁吸盤磁路結構設計、電路優(yōu)化和應用等方面的研究進展，提出兩個亟待解決的關鍵問題。

永磁吸盤；充磁；退磁

1 引言

19世紀末美國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間。但隨著應用范圍的擴大，電磁吸盤耗能大（例如一個吸力16t的吸盤需要電力約10kw）、斷電失磁等一系列問題開始顯現(xiàn)。20世紀30年代鋁鎳鈷永磁材料問世，法國BRAILLON公司開始把此材料應用到吸盤上，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，給吊運大型模塊方面帶來了不便。后來，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［3-6］。

近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，尤其是釹鐵硼永磁材料，其低廉的價格，優(yōu)異的磁性能，大大增強了電控永磁吸盤的吸力，提高了其安全性，促進了永磁吸盤的應用［7-11］。目前電控永磁吸盤已廣泛應用于倉庫和作業(yè)現(xiàn)場的鋼材起重搬運、模具加工等眾多領域。本文就電控永磁吸盤磁、電路的設計，以及其應用拓展等方面的研究進展進行綜述。

2 磁路設計

2.1 磁路設計原理

永磁吸盤磁路設計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號鋼）組成磁路，再通過對勵磁線圈中脈沖電流的產生的電磁場，改變可逆磁體的磁場方向，實現(xiàn)對吸盤內部磁路的控制與轉換，從而達到對外消磁（DEMAG）或充磁（MAG）［12，13］，具體的工作過程如圖1所示。當勵磁線圈受正向激勵后，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，通過外部工件構成外通路，永磁吸盤處于充磁狀態(tài)；當勵磁線圈受負向激勵后，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成內通路，對外無磁通流出，外部工件無磁通通過，因而處于無磁力狀態(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。電控永磁吸力大小的計算，可由麥克斯韋公式推導得出，氣隙磁通密度均勻時永磁吸力為：

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。永磁吸盤磁通的強弱取決于主磁體的硬磁性能，為了增強磁通，人們采用釹鐵硼材料來代替?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，即在永磁體磁極附加一個面積減小的導磁極頭，在磁通不變的情況下可有效增強磁通密度，從而提高永磁吸盤的磁吸力［5］。

隨著永磁吸盤吸力的增強及其應用的不斷拓展，人們對其又提出了更高的要求，即磁通的均勻度問題。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)百倍甚至上萬倍，這讓永磁吸盤在某些方面的應用（如模具換模等）存在安全隱患。對此，Weiker公司對永磁吸盤結構進行了改進，采用多組磁極組合成一個大的永磁吸盤，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，由此產生強大的吸力［8］，每平方厘米平均吸力可高達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。永磁體的位置應盡量靠近氣隙，距離越近越有利于改善永磁體磁場的分布，減少漏磁，氣隙磁場分布將更趨均勻。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。同時就磁體間距與磁吸力進行了實驗，在各磁體間距趨小的情況下，氣隙場的分布更趨均勻，起吊重量越大［13-16］。

2.3 結構設計

合理設計磁路結構，不僅可以減少漏磁，增強吸力，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］提出了兩套磁路設計方案（見圖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，勵磁時磁通為上下方向，退磁時磁通為水平方向，此方案適合長寬大而高度受限制的吸盤，見圖3a；第二種主磁體與可逆磁體上下布置，這種布置在勵磁與退磁時磁通方向在三維坐標中保持一致，適合在高度方向不受限制，而在長寬方向受限的場合，見圖3b。同過對主磁體和可逆磁體相對位置的調節(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用。例如，鋼板的調運中，通過改變磁通穿透深度，永磁吸盤可只吸附一層鋼板，而不影響第二層鋼板。

圖3 磁路設計方案：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部分，往往自重較大。謝祖榮等人［5］針對永磁吸盤的自重，設計了一種能夠依靠自重來改變二磁系（主磁體和可逆磁體）相對位置的永磁吸盤。該設計可通過吸盤自重與利用傳動機構上連桿、齒輪間的相互關聯(lián)，改變永磁吸盤二磁系間的相對位置，進而可達到對工件的自動卸載，從而節(jié)約能量。該設計在大型工件操控過程中存在安全隱患（自動卸載可能會造成人身安全的威脅），但對于一些非人工操控的工件，如爬壁機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內阻），電容被充電至設定電壓時斷開充電電源，隨即接通LR電路，則電容所儲電荷通過L、R迅速地以脈沖形式放電，得到極大的脈沖電流（峰值Im），在勵磁線圈（銅線纏繞的線圈）內產生脈沖強磁場，可用來對永磁體充、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（橫軸為時間，縱軸為電流）分別對應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、退磁每次放電前對電容充電所需時間極短（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

對于電控永磁吸盤勵磁線圈的供電方式，早期采用橋式全波整流法和儲能電容放電法兩種方式。但這兩種方法都存在缺點：如橋式全波整流法，采用延時控制，勵磁電流（有效值）較大，通電時間較長，能耗高、穩(wěn)定性差［1］；而儲能電容放電法，通過儲能電容一次或多次對勵磁線圈放電，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上，采用半波的脈動直流電代替全波直流電，不僅可以降低勵磁電流的有效值，且時間更短，有利于可逆磁體的逆向極化。半波脈動直流電勵磁線圈電路示意圖見圖5，其中勵磁線圈個數(shù)設計為偶數(shù)。

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

這種控制方法交流電源的正負半周分別對應一對或數(shù)對勵磁線圈，無論勵磁還是退磁，在線圈里都流著半波直流電，而電源里仍是交流電，使控制線路變得簡單、可靠和節(jié)能。但依然存在著通電電流較大，通電時間長［3］等缺點。

電流大，通電時間長不僅能耗高，且易導致線路發(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）來控制勵磁線圈的方案，可控硅控制勵磁線圈原理圖見圖6。其工作原理為：交流電壓經降壓電阻降壓后輸入有源帶通濾波器的輸入端，通過公式計算選擇好各元件參數(shù)，就可只允許50 Hz左右的工頻信號通過，其他頻率的信號則迅速衰減，有效地抑制了電網(wǎng)中各種諧波對控制器的干擾，使輸入信號ABC三相電壓與輸出信號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、較寬的電壓調節(jié)范圍等諸多優(yōu)點，在電力拖動、電機軟啟動、直流電源等方面得到了廣泛應用。

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

可控硅控制避免了強電流，有效保證勵磁線圈的安全可靠運行，操作頻率亦較高，可有效延長電控系統(tǒng)的使用壽命。但也帶來了高次諧波對線路和其它設備的干擾問題［1］，仍需進一步改善。

4 電控永磁吸盤的應用

電控永磁吸盤由于安全可靠、實用高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點使其在以下幾個方面得到了廣泛的應用：

電控永磁吊具的應用：在歐美及亞洲許多國家的碼頭、鋼鐵廠、修造船廠等行業(yè)電控永磁吸盤已經得到了廣泛的應用。碼頭前沿的裝卸作業(yè)特點是風荷載較大、軌上起升高度和軌下起升高度較大、吊具吊運鋼板的單個循環(huán)作業(yè)時間較長，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上，吊具起吊鋼板后，可使鋼板回轉±110°，將鋼板垂直卸載于船艙內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)的應用：在注塑機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注塑機上的30多噸重的模具最多由兩人在30分鐘之內完成。該系統(tǒng)安全可靠、實用高效、節(jié)能環(huán)保、無需維修、無運營費用、柔性極大，在一臺注塑機上可對各種不同模具進行快速換模，特別適合于多品種、小批量、準時制混流生產。由于夾緊力均勻分布于模具與磁盤的全部接觸表面上，使模具背面無受力“空腔”更好地保證了合模精度，大大提高注塑件的質量［9，13］?？焖贀Q模技術，在微型汽車和轎車行業(yè)的應用已比較成熟，但是在大型客車行業(yè)的應用還處于起步階段［18］。

此外，還有人將電控永磁吸盤應用于爬壁機器人［19-22］，設計了履帶吸盤模型吸力方程及其磁路的設計原則，對今后爬壁機器人吸盤的進一步改進具有相當大的理論指導意義。依此設計的爬壁機器人履帶吸盤達到很好的實際應用效果。

5 總結

電控永磁吸盤經過多年的發(fā)展，由于其磁吸力大、安全系數(shù)高、操作方便、移植能力強、節(jié)能環(huán)保等特點，在各種模具行業(yè)、鋼材裝卸、貨物吊運等方面已開展全面應用，取得了豐碩的成果。但是目前仍然有幾個關鍵問題亟待研究解決：（1）電控系統(tǒng)的使用壽命及干擾問題，盡管可控硅可有效減低勵磁電流（有效值），減少發(fā)熱延長了電控系統(tǒng)使用壽命，但也帶來了高次諧波對其它電路干擾的問題，且使用壽命遠無法與磁控系統(tǒng)相比，如何延長電控系統(tǒng)使用壽命降低干擾仍需進一步探索。（2）電控永磁吸盤小型化問題，由于勵磁電流較大，導致勵磁線圈尺寸無法做的很小，從而限制了電控永磁吸盤在一些小工件操控方面的應用，目前只能應用于快速換模、裝卸吊運等大型工件操作。

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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

浙江省大學生科技創(chuàng)新項目，國家自然基金青年項目（資助號51001078），國家自然基金面上項目（資助號50701002）

李志剛（1978- ），男，博士，副教授，主要從事磁性材料教學及科研工作。