新型節(jié)能稀土永磁吊的研究

裴一錚，丁 寧

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

新型節(jié)能稀土永磁吊的研究

裴一錚1，2，丁 寧2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

稀土永磁吊是完全不用電就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸缷的一種吊裝工具，它的應(yīng)用使得鐵磁性貨物的吊裝既方便又安全。首先，不需要捆綁貨物，省去了很多麻煩;其次，不用帶電作業(yè)，提高了安全性。本文就是針對(duì)永磁吊這一課題，進(jìn)行進(jìn)一步研究，從磁路設(shè)計(jì)到自動(dòng)吸缷結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面入手，使得磁吊的應(yīng)用更加廣泛。

永磁吊;吸重比;磁導(dǎo);最大磁能積點(diǎn)

0 引言

起重磁吊是用來(lái)搬運(yùn)具有鐵磁性貨物的一種吸附式取物裝置，它用來(lái)搬運(yùn)任何形狀的具有較高導(dǎo)磁率的鋼鐵貨物，如鋼錠、鋼板、連鑄坯、各種型鋼、鑄鐵塊、廢鋼及其鐵屑。起重磁鐵工作時(shí)，對(duì)被吸鋼鐵產(chǎn)生足以克服其重量的吸力才能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)鋼鐵的目的。

目前世界各國(guó)均大量使用起重電磁鐵，由于其作業(yè)時(shí)必須通過十幾安培至上百安培的直流電流，這就導(dǎo)致起重電磁鐵有不可克服的嚴(yán)重缺點(diǎn);首先，消耗電量太大，其次使用壽命短。八十年代，高磁能的稀土永磁體——釹鐵硼被日本研制成功，我國(guó)相繼在八四年也進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，使我國(guó)成為世界上生產(chǎn)稀土永磁吊的三大強(qiáng)國(guó)之一，隨著稀土永磁體的發(fā)展，各種各樣的稀土永磁吊產(chǎn)生了。

起重永磁吊的工作磁場(chǎng)和零磁場(chǎng)的獲得都是靠永磁體的兩個(gè)磁系中活動(dòng)磁系相對(duì)固定磁系所處的兩種不同狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)可動(dòng)磁系與固定磁系在磁極面處所形成的磁場(chǎng)方向相同時(shí)，吸物;當(dāng)可動(dòng)磁系與固定磁系在磁極面處所形成的磁場(chǎng)方向相反時(shí)，卸物［1］，這就是起重永磁吊的工作原理。

目前，研究人員從三個(gè)方面去研究稀土永磁吊。

第一方面就是提高起重永磁吊的吸重比和吸重成本比［2］［3］

第二方面就是永磁吊的自動(dòng)吸缷結(jié)構(gòu)。人們最初研究的永磁吊其吸卸結(jié)構(gòu)采用電機(jī)減速器系統(tǒng)，這種磁吊工作時(shí)尚需通電，在某些作業(yè)條件下，用電是很危險(xiǎn)的，因此這種磁吊尚不理想，現(xiàn)有的可動(dòng)磁系的傳動(dòng)系統(tǒng)已不需用電，其方法是將牽引力轉(zhuǎn)換為可動(dòng)磁系的力矩，但還存在著吸力不足及可動(dòng)磁系轉(zhuǎn)動(dòng)不到位的而影響吸力的缺點(diǎn)［4］［5］。

第三方面就是可動(dòng)磁系的自鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)起重磁鐵處于吸物的工作狀態(tài)時(shí)，是可動(dòng)磁系的永磁體與固定磁系的永磁體處于同極相斥的狀態(tài)，為高磁能不穩(wěn)定狀態(tài)，如不將可動(dòng)磁系鎖住，讓其處于自由狀態(tài)，則其會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)向與固定磁系的永磁體處于異性磁極相吸的穩(wěn)定狀態(tài)，故永磁體處于吸物工作狀態(tài)時(shí)，必須將可動(dòng)磁系牢固鎖住，才能保證其作業(yè)時(shí)安全可靠，這是必須的。

本篇論文的研究?jī)?nèi)容主要是以下幾方面;

1)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2)自動(dòng)吸缷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3)可動(dòng)磁系的自鎖機(jī)構(gòu)。

1 磁路設(shè)計(jì)

磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)永磁吊的外形尺寸吸與用途來(lái)確定磁極的面積、形狀和永磁體及其在磁路中的配置。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)吸重比初步確定永磁體的寬度及高度。在考慮相互作用時(shí)，計(jì)算出工作點(diǎn)，確定了工作點(diǎn)后，由設(shè)計(jì)給出的起重永磁鐵的用途來(lái)確定起重永磁鐵的工作磁極面與被吸物的間隙Lg，算出永磁體的工作點(diǎn)是否在恢復(fù)曲線的中點(diǎn)及起重永磁鐵吸重，經(jīng)過多次反復(fù)，改變永磁體的寬度及高度，使永磁體的工作點(diǎn)接近恢復(fù)曲線的中點(diǎn)，達(dá)到吸重要求，最后要在基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，求出卸物狀態(tài)下工作磁極面上的殘余磁場(chǎng)強(qiáng)度不大于50(Oe)時(shí)所選用的永磁體的寬度及高度，最后確定下來(lái)。磁體選用一個(gè)可動(dòng)磁系，兩個(gè)固定磁系，磁路設(shè)計(jì)的方法主要有以下幾種。

1.1 有限元法

有限元法首先在結(jié)構(gòu)力學(xué)上得到廣泛應(yīng)用，目前也開始用于電學(xué)與磁學(xué)，它首先將計(jì)算對(duì)象分成100個(gè)-1000個(gè)小的三角形或四角形的元素，而后列出磁場(chǎng)方程，建立數(shù)學(xué)模型，求出有限元的磁通密度，進(jìn)而求出吸力。

1.2 磁導(dǎo)法

有關(guān)磁導(dǎo)的公式有;

式中，T為磁體高度，W為磁體長(zhǎng)度，Lg為兩磁體間距離，μ為L(zhǎng)g中的介質(zhì)的磁導(dǎo)率。計(jì)算間隙的磁導(dǎo)及永磁體本身的磁導(dǎo)用此公式。

計(jì)算永磁體上表面間及側(cè)表面漏磁導(dǎo)及工作磁極面間的磁導(dǎo)用此公式。

式中θ為曲面弧度，r為圓柱半徑，μl為曲面與圓柱間的徑向距離。

磁導(dǎo)法是以某一磁體為磁源，利用磁導(dǎo)公式分別求出在各個(gè)狀態(tài)下(吸物狀態(tài)、卸物狀態(tài)、可動(dòng)磁系與固定磁系無(wú)相互作用狀態(tài))磁路的各部分的磁導(dǎo)，再求總磁導(dǎo)。利用公求出其各個(gè)狀態(tài)下孤立狀態(tài)下的工作點(diǎn)，然后求出此磁體在相互作用下的平衡工作點(diǎn)。工作點(diǎn)要滿足要求(對(duì)于一般的永磁材料，起始點(diǎn)應(yīng)選擇在最大磁能積(BH)max點(diǎn)下方，對(duì)于稀土等強(qiáng)各向異性永磁材料，因其退磁曲線為一直線，因而起始點(diǎn)就應(yīng)取最大磁能積(BH)max點(diǎn)，只有這樣，才能使回復(fù)能達(dá)到最大值，使用較少的永磁體便具有較大吸力。)查永磁體的退磁曲線圖，得出此磁體的Bm，根據(jù)磁路第一方程BmSm=KfBgSg，求出Bg而后求出Hg.，在計(jì)算各各狀態(tài)下工作磁極面上合成的磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)公式F=(H/5000)2Sg計(jì)算出吸力，再效驗(yàn)卸物狀態(tài)下磁極面上的殘余磁場(chǎng)強(qiáng)度是否不大于50(Oe)，經(jīng)多次反復(fù)，直到達(dá)到要求。

2 自動(dòng)吸缷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)起重永磁鐵理論及設(shè)計(jì)原則，通過磁路設(shè)計(jì)，能使起重永磁鐵滿足對(duì)外形尺寸及吸重的要求，但這只是能夠吸住各種不同形狀的鋼鐵物件，而要實(shí)現(xiàn)永磁鐵的吸卸功能，就得解決可動(dòng)磁系的轉(zhuǎn)動(dòng)問題。這里我們?cè)O(shè)想了利用吊車起吊時(shí)向上的牽引力，通過一個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成可動(dòng)磁系的旋轉(zhuǎn)力矩。如圖1所示，棘輪14與轉(zhuǎn)軸8過渡配合，棘輪兩側(cè)面裝有擺桿9，擺桿9繞著轉(zhuǎn)軸8可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿上裝有棘爪13，擺桿9尾端與彈簧10相連，彈簧10與吊鏈12一起與吊車吊鉤的吊桿相連，起吊時(shí)，彈簧受力，彈簧的初拉力為F0，F(xiàn)0所產(chǎn)生的力矩正好克服掉來(lái)自于復(fù)合永磁體17所產(chǎn)生的力矩，使得彈簧在未被拉伸或伸長(zhǎng)量不大的情況下，擺桿到達(dá)它的極限位置，即到達(dá)13處，此時(shí)吊鏈12還未受力，隨著彈簧的伸長(zhǎng)到一定程度，吊鏈開始受力，起重磁吊吸著被吸物體緩緩升起，擺桿在彈簧力的作用下由初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)了60°，由于棘爪的作用使轉(zhuǎn)軸8也轉(zhuǎn)動(dòng)了60°，此時(shí)，起重永磁吊的可動(dòng)磁系與固定磁系在工作磁極面上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度相消，如圖2 (C)所示。當(dāng)?shù)踯嚢哑鹬赜来诺醴诺奖晃锷喜训蹑溑c彈簧落下時(shí)，擺桿與棘爪又回到初始位置，而擺桿與棘爪下落過程中轉(zhuǎn)軸8并沒有動(dòng)，因?yàn)樵谙侣溥^程中，棘爪只是滑到棘輪的下一個(gè)齒槽內(nèi)。當(dāng)?shù)踯囋俅纹鸬鯐r(shí)，擺桿帶動(dòng)棘爪使轉(zhuǎn)軸8轉(zhuǎn)動(dòng)了60°，使轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)180°，很明顯可動(dòng)磁系也轉(zhuǎn)動(dòng)了180°(因?yàn)檗D(zhuǎn)軸8上的齒輪的直徑是轉(zhuǎn)軸5上的齒輪直徑的3倍)，這時(shí)可動(dòng)磁系與固定磁系的磁狀態(tài)如圖2(d)所示，兩個(gè)磁系在工作磁極面上磁場(chǎng)加倍即為吸物狀態(tài)，此時(shí)在吊車的運(yùn)送下，永磁吊吸著被吸物體運(yùn)到卸貨地點(diǎn)，吊鏈落下時(shí)，，擺桿帶動(dòng)棘爪在棘輪邊緣滑下來(lái)，此時(shí)轉(zhuǎn)軸8并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，可動(dòng)磁系也沒轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)復(fù)合永磁體仍保持吸物的磁狀態(tài)，當(dāng)?shù)踯囋俅伟哑鹬赜来诺醯膹椈衫o時(shí)，在彈簧力的作用下，擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)60°，使可動(dòng)磁系轉(zhuǎn)動(dòng)180°，使兩個(gè)磁系的磁狀態(tài)如圖2(C)所示，即為卸物的磁狀態(tài)。此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖1 稀土永磁吊結(jié)構(gòu)圖

圖2 復(fù)合永磁體吸物與卸物時(shí)的狀態(tài)

一是實(shí)現(xiàn)吸缷機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化，即利用牽引力產(chǎn)生的力矩實(shí)現(xiàn)可動(dòng)磁系的轉(zhuǎn)動(dòng)。

二是當(dāng)被吸物體處于傾斜狀態(tài)時(shí)，磁吊也可將其吸起。因?yàn)樵诘蹑?2未受力時(shí)，也就是在磁吊未被吊起時(shí)，彈簧的初拉力使得擺桿就已到達(dá)其極限位置13處，可動(dòng)磁系就已旋轉(zhuǎn)到圖2(d)位置處，此時(shí)可動(dòng)磁系與固定磁系在磁極面處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度相加強(qiáng)。這樣即使被吸物體有傾斜，吊鏈12在拉直前，磁吊就可以對(duì)被吸物產(chǎn)生最大的吸力，隨著吊鏈12的移動(dòng)，被吸物被緩緩升起。(如果彈簧10改為小吊鏈，那么在被吸物處于水平位置時(shí)，小吊鏈被拉直的同時(shí)，吊鏈12也同時(shí)被拉直，那么一旦被吸物處于傾斜位置，左側(cè)或右側(cè)的吊鏈12被拉直時(shí)，擺桿還沒有到達(dá)其極限位置處，也就是可動(dòng)磁系還未到達(dá)圖2(d)處，對(duì)被吸物產(chǎn)生不了最大的吸力，使磁吊無(wú)法吸起物體。)

3 可動(dòng)磁系的自鎖機(jī)構(gòu)

當(dāng)起重永磁鐵處于吸物的工作狀態(tài)時(shí)，可動(dòng)磁系的永磁體與固定磁系的永磁體處于同極相斥的狀態(tài)，為高磁能不穩(wěn)定狀態(tài)，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)使永磁體不處于水平位置，而是如圖2(d)所示，其右邊與水平位置向下偏5-7度(假定可動(dòng)詞系是反時(shí)針旋轉(zhuǎn))，這樣減少了可動(dòng)與固定磁系間的斥力，但如不將可動(dòng)磁系鎖住，讓其處于自由狀態(tài)，則會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)向與固定磁系的永磁體處于異性磁極相吸的穩(wěn)定狀態(tài)，所以永磁體處于吸物狀態(tài)時(shí)，必須將可動(dòng)磁系鎖住，才能保證其作業(yè)時(shí)安全可靠。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一種自鎖機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)如圖三所示，那么磁力的作用使其離開平衡位置向下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)(順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))時(shí)，自鎖機(jī)構(gòu)就限制它的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)樵撗b置只允許軸5反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)可動(dòng)磁系處于同極相斥狀態(tài)時(shí)，就不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

［1］ 丁寧，劉曉杰，李曉梅.稀稀土起重永磁吊傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(4)：1-2.

［2］ 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)：89-92.

［3］ 丁寧.稀土起重永磁吊的磁路設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(1)：11-13.

［4］ 丁寧，王龍山.稀土起重永磁吊的自動(dòng)吸卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2002(2)：25-26.

［5］ 徐志鋒，劉新才，莊建平，蔡長(zhǎng)春.500kg釹鐵硼永磁磁力吊的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.磁性材料及器件，2000(3)：57-60.

［6］ 丁寧.起永磁吊的磁路設(shè)計(jì)程序與計(jì)算［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2)：9-11+25.

［7］ 王禎忠.機(jī)械式自動(dòng)掛脫吊鉤［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1996(5)：23-24.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research of a New Type Energy-saving Rare Earth Permanent Magnetic Crane

PEI Yi-zheng1，2，DING Ning2
(1.College of Mechanical and Electric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The rare-earth permanent magnetic crane is a tool used to stick or unload automatically without electricity，the application of which makes hoisting of ferromagnetic goods safe and convenient.On the one hand，it lifts cargos without binding，reducing a lot of trouble.On the other hand，It works without electricity，improving security.This article makes a further study on the topic about permanent magnetic crane from magnetic circuit design and automatic sticking or unloading structure，hoping to have a wide application.

permanent magnetic crane;lifting ratio;magnetic permeability;maximum magnetic energy

TM273

A

1009-3907(2011)08-0010-03

2011-06-10

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20060533);吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(2009038);吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2011215)

裴一錚(1973-)，男，吉林通化人，碩士研究生，工程師，主要從事機(jī)械制造及其應(yīng)用的研究。

丁 寧(1967-)，女，遼寧營(yíng)口人，教授，博士，主要從事機(jī)械制造及其應(yīng)用的研究。