電磁無(wú)心夾具的磁力分析

陳乃豪, 王志偉, 張香社, 周川

(新鄉(xiāng)日升數(shù)控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700)

電磁無(wú)心夾具是一種利用磁力來(lái)夾持工件，從而使工件裝拆簡(jiǎn)化，便于上、下料自動(dòng)化，在軸承套圈的加工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。但在實(shí)際生產(chǎn)中，相同結(jié)構(gòu)的電磁無(wú)心夾具所能產(chǎn)生的最大磁力常會(huì)有很大的差異，在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中對(duì)如何提高磁力、減少磁損耗還沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)思路。下文以某一種電磁無(wú)心夾具為例，運(yùn)用磁力學(xué)公式，對(duì)影響磁力大小的因素進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)和磁力原理

1.1 電磁無(wú)心夾具結(jié)構(gòu)

軸承磨床某一種常用電磁無(wú)心夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由線(xiàn)圈、線(xiàn)圈盤(pán)、夾具底板、鐵磁芯、磁盤(pán)、磁極、支承等部件組成。線(xiàn)圈裝在線(xiàn)圈盤(pán)中，通過(guò)夾具底板固定在工件箱體上；鐵磁芯固定在工件軸上，從線(xiàn)圈盤(pán)中間穿過(guò)，并隨工件軸一起旋轉(zhuǎn)；磁極固定在磁盤(pán)上，磁盤(pán)固定在鐵磁芯上，隨鐵磁芯一起旋轉(zhuǎn)；支承在支承座上可調(diào)整，使支承與工件保持良好接觸。

1—夾具底板；2—線(xiàn)圈盤(pán)；3—線(xiàn)圈；4—磁盤(pán)；5—隔磁盤(pán)；6—磁極；7—工件；8—鐵磁芯；9—支承；10—支承座

1.2 磁力原理

電磁無(wú)心夾具實(shí)際是一種中間鐵芯伸出的螺管式線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)。由電磁原理可知，當(dāng)線(xiàn)圈通入電流，在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，按螺管磁場(chǎng)磁感線(xiàn)的方向，磁感線(xiàn)將依次通過(guò)鐵磁芯、磁盤(pán)、磁極、支承、支承座、氣隙及夾具體，最后回到鐵磁芯形成一個(gè)封閉的磁路，磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力，吸附工件使其緊緊貼合在磁極上，隨磁極一起旋轉(zhuǎn)。

2 磁力分析

電磁無(wú)心夾具的磁力會(huì)對(duì)加工工件產(chǎn)生影響，如果磁力過(guò)大，容易劃傷工件支承表面或燒傷；磁力過(guò)小，工件夾持不穩(wěn)，影響工件加工精度。由于螺管式線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的磁路有氣隙，很難準(zhǔn)確計(jì)算磁力的大小，依據(jù)電磁吸力的近似計(jì)算公式對(duì)影響磁力的因素進(jìn)行分析。磁力計(jì)算公式為[1]

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為磁通橫截面面積；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m。

由(1)式可以看出，F(xiàn)與B的平方成正比，與S成正比。在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中，由于受結(jié)構(gòu)限制，S設(shè)為常數(shù)，則磁力的主要影響因素為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算式為

B=μH，

(2)

HL=NI，

(3)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為磁路的平均長(zhǎng)度；N為線(xiàn)圈匝數(shù)；I為線(xiàn)圈中的電流；μ為磁導(dǎo)率。

2.1 采用磁導(dǎo)率高的鐵磁芯

圖2所示為3種不同材料的磁化曲線(xiàn)[1]，以鑄鐵和硅鋼片鐵磁芯為例。由(3)式可知，當(dāng)電磁無(wú)心夾具結(jié)構(gòu)確定后，線(xiàn)圈匝數(shù)N及磁路的平均長(zhǎng)度L固定，若通入相同電流I，則H為定值。假設(shè)H為0.5 A/m，由圖2查得，當(dāng)鐵磁芯為鑄鐵時(shí)，B為0.12 T；當(dāng)鐵磁芯為硅鋼片時(shí)，B為1.14 T，兩者之比為1:9.5。因此，在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中采用磁導(dǎo)率高的鐵磁芯能極大地提高線(xiàn)圈的磁力。

磁場(chǎng)強(qiáng)度/(×103A·m-1)

2.2 提高線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度H

對(duì)影響磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線(xiàn)圈匝數(shù)N、線(xiàn)圈通入電流I和磁路的平均長(zhǎng)度L進(jìn)行分析。

2.2.1 磁路的平均長(zhǎng)度L

當(dāng)線(xiàn)圈匝數(shù)與通入線(xiàn)圈的電流固定時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁路的平均長(zhǎng)度成反比。因此，在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量縮短從鐵磁芯到磁極的長(zhǎng)度，以便能增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而增大線(xiàn)圈的磁力。

2.2.2 磁路中的氣隙

電磁無(wú)心夾具線(xiàn)圈的磁路中有一部分是氣隙。因此，(3)式的另外一種形式為[1]

NI=H0L0+H1L1,

(4)

式中：H0L0是氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁路長(zhǎng)度的乘積，是磁場(chǎng)在氣隙中的損耗，稱(chēng)之為無(wú)用磁通勢(shì)；H1L1是導(dǎo)體中磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁路的乘積，稱(chēng)之為有用磁通勢(shì)?？諝獾拇抛璺浅４?，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí)，假設(shè)B等于0.9 T，由圖2可以得知H1為500 A/m；由公式H0=B0/μ0(μ0=4π×107)得出H0為7.2×105A/m。兩者比值為1:1 440。所以氣隙對(duì)線(xiàn)圈磁力的影響非常大。

在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中，為增大線(xiàn)圈磁力，應(yīng)盡量減少磁路中的氣隙。在線(xiàn)圈繞制時(shí)一定要密實(shí)，并進(jìn)行浸漆烘烤處理，不容許線(xiàn)圈內(nèi)部殘留空氣氣隙，并在結(jié)構(gòu)允許的情況下減少鐵磁芯、線(xiàn)圈盤(pán)、磁盤(pán)、磁極等之間的間隙，以減小磁通勢(shì)在空氣氣隙中的損耗。

2.2.3 線(xiàn)圈匝數(shù)N

由(3)式可知，增加線(xiàn)圈匝數(shù)能夠提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而增大線(xiàn)圈磁力；但隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加，線(xiàn)圈的電阻也隨之增加，從而使線(xiàn)圈中的電流減小，影響線(xiàn)圈的磁力。磨床電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中常用匝數(shù)為1 000～2 500匝，實(shí)踐證明，按夾具所允許的最大尺寸安排線(xiàn)圈匝數(shù)，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)所需的磁力。

2.2.4 線(xiàn)圈電流I

在電磁無(wú)心夾具設(shè)計(jì)中，實(shí)際是通過(guò)調(diào)整線(xiàn)圈中電流的大小來(lái)控制磁力的大小。磁性材料在磁場(chǎng)內(nèi)的磁化曲線(xiàn)(B-H曲線(xiàn))如圖3所示[1]。

圖3 B與μ和H的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖可知，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度(即電流I)的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度由顯著上升逐漸趨于平緩(磁飽和)。因此，在電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)中，電流并非越大越好，當(dāng)磁性材料達(dá)到磁飽和后，電流對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響并不明顯。而且線(xiàn)圈繞制銅線(xiàn)的直徑不同，其允許通過(guò)的額定電流亦不同，不能只靠增大電流來(lái)增大線(xiàn)圈磁力。銅線(xiàn)中電流密度J應(yīng)小于其額定電流密度[J]，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常[J]=2～4 A/mm2。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電磁無(wú)心夾具磁力的影響因素進(jìn)行分析，得出了磁力大小控制較為明確的方法，為電磁無(wú)心夾具的設(shè)計(jì)提供了參考。