電磁式張力器的結構設計和張力測試

尹銘澤，張昊，繆宇軒，孟祥益，夏港東，王慶東

(南京航空航天大學 a. 航天學院；b. 機電學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

在紡織業(yè)中，紗線張力是貫穿于紡織制造各個工序的關鍵參數(shù)。紗線張力值的穩(wěn)定將直接關系到紗線質量、生產(chǎn)效率及后續(xù)加工的順利進行。由此可見控制紗線張力的智能控制系統(tǒng)的研究越發(fā)重要。目前市場上大多數(shù)紗線張力控制系統(tǒng)是通過人工測量來操作的，誤差較大且生產(chǎn)效率低。本文設計了一種電磁式張力控制器，能夠根據(jù)實際情況對紗線的張力進行調整，提高生產(chǎn)效率和紗線質量，減少浪費。

國內(nèi)常用的紗線張力控制裝置主要可分為摩擦型和旋轉型兩種。摩擦型張力控制裝置是紗線在傳送過程中經(jīng)過張力裝置時，通過增加或減少紗線與控制器之間的摩擦力來調節(jié)張力。常見的摩擦型張力控制器有桿式、盤式、杠桿式和球式張力器[1]。

圖1為盤式張力控制器，也被叫做彈簧張力器，當紗線經(jīng)過裝置時，能根據(jù)彈簧的受力大小來調節(jié)紗線中的力；圖2為桿式紗線張力器，通過調節(jié)紗線傳送中的傾斜角度改變傳送速度，以此來控制紗線張力；圖3是杠桿式張力器，上部支架以彈簧支撐，能夠順時針旋轉，當紗線中的張力比較低時，杠桿就位于上方位置，以此增加張力；圖4是球式張力器[2]，通過改變紗線的總傾斜角來改變紗線中的張力。

圖1 盤式張力控制器

圖2 桿式張力控制器

圖3 杠桿式張力控制器

圖4 球式張力控制器

旋轉式張力控制器(圖5)是將傳送中的紗線纏繞兩三圈到裝置的旋轉元件上，牽引力施加在旋轉張力構件上，通過調控旋轉裝置的旋轉角度來控制紗線的張力。當速度不穩(wěn)時，對紗線中的張力產(chǎn)生波動。

圖5 旋轉式張力控制器

除了上面的機械型張力控制器之外，市面上還有油阻尼式張力控制器和空氣活塞式阻尼張力控制器，如圖6和圖7所示。

圖6 油阻尼式張力控制器

圖7 空氣活塞式阻尼張力控制器

上述張力器能滿足基本的張力控制，但都存在如下缺點：1) 紗線張力小且不穩(wěn)定，精度不高；2) 紗線的放線速度對張力的波動大；3) 張力控制器缺少連續(xù)性，不能實時對張力的變化做出反應；4) 機械式的紗線張力控制裝置會受到紗線的磨損，使設備誤差不斷增大。

1 電磁式張力控制器結構及參數(shù)

設計張力控制器時，考慮到紗線的特性，根據(jù)紗線張力過大易斷以及紗線表面有絨毛的情況，在現(xiàn)有的紗線張力控制器的基礎上，設計出了一種性能比高的電磁式張力控制器，它的三維結構如圖8所示。

圖8 電磁式張力器三維圖

此電磁式張力控制器除了單元控制板外，還有11個部件，如圖9所示。每個部件都有它的功能。在單元控制板上裝有一個光電傳感器，用于檢測紗線是否正常運行。

圖9 電磁式張力器分解圖

2 電磁式張力控制器的結構功能

1) 同步電機：紗線的表面存在大量的絨毛，當控制器運行時，高速的處理過程會使2個張力盤之間殘留下絨毛，積累到一定的量時，如不及時清理干凈，將會使紗線上的摩擦力不斷增大，阻礙紗線的運動，使紗線的運動速度下降；且張力盤受到磨損，容易局部過熱，發(fā)生斷紗現(xiàn)象，影響控制系統(tǒng)的安全性與準確性。所以設計的同步電機，在張力控制器運轉過程中，一方面可以清理由于紗線剩下的絨毛，使其自動脫落，另一方面可以防止局部摩擦發(fā)熱的現(xiàn)象。

2) 電磁線圈與殼體(磁性材料)：作為整個張力器控制的核心部件，通過控制中心給線圈通上直流電壓，利用電磁線圈的電磁特性產(chǎn)生吸力進而控制紗線張力大小。在選擇型號的時候，線圈的參數(shù)及電流對產(chǎn)生的吸力值有影響，外部電磁材料對吸力大小也有一定的影響。通過實驗對比材料DT4A、DT4E、DT4AG、A3和10#等，參考其對電磁線圈的磁力影響程度。

3) 張力盤：這對張力盤在外形上區(qū)別不大，但所選用的材料有區(qū)別，靠近電磁線圈端張力盤b采用的是無極性的材料，而張力盤a則是采用極性材料制成。系統(tǒng)運行過程中，紗線從這2個張力盤中通過，當電磁線圈通上電源，產(chǎn)生磁場有了吸力，有極性的張力盤被吸附，擠壓紗線產(chǎn)生張力。

高潮沒搭腔，只是一邊抽煙，一邊漫不經(jīng)心地望著田卓，望著田卓身后的那排書架。此時，田卓的表情依然平靜似水，看不出一絲兒波瀾。應該說，和馮可兒一起工作了好幾年，馮可兒的脾性和做派，在田卓眼里早已是了然于心了。

3 電磁式張力控制器的原理與仿真

3.1 電磁鐵的參數(shù)

電磁式張力器中的張力F可以分為兩個部分，其中一部分可以看作是環(huán)形電磁鐵F1，另一部分張力F2由鐵芯提供。張力公式為：

F=F1+F2

(1)

其中作為環(huán)形電磁鐵模型如圖10所示，其具體參數(shù)如表1所示。

圖10 磁力線分布

表1 環(huán)形結構的具體參數(shù)表

參數(shù)R1/mmR2/mmR3/mmR4/mm匝數(shù)電阻/Ω數(shù)值4.66.314.7517.484 500520

電磁式張力器中的控制裝置參照環(huán)形電磁鐵的結構模型，可以得出電磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應強度的平方成正比[3-4]。將電磁鐵上的磁感應強度B沿磁極表面的分布看作是均勻的，則電磁吸力為：

(2)

式(2)為麥克斯韋公式[5-6]，其中μ0是空氣中的磁導率，為4π×10-10H/cm；S是磁化面的面積(cm2)；B是磁感應強度(Wb/cm2)。將μ0的數(shù)值代入式(2)，可以得出電磁吸力為：

(3)

由基爾霍夫第二定律估算可知，由于空氣磁導率相對于銜鐵的磁導率要小很多，則忽略在銜鐵上的磁動勢消耗，得出：

φ'=IW×Gδ×108

(4)

其中：IW是繞線的安匝數(shù)；Gδ是工作磁通的磁導；φ是通過鐵心磁化面的磁通量?？梢缘贸龉ぷ鞔磐ǖ拇艑Ч?5)：

(5)

由于在實際應用中，其他地方也有一定的磁勢降，所以磁路中的實際磁通要比上述值小一些，這里使用的值比實際值小5%，所以實際磁通為：

φ=φ'(1-5%)

(6)

電磁吸力在環(huán)形結構中由兩部分面積組成，將上述公式代入可得：

(7)

將上述公式代入式(1),得：

(8)

另一部分吸力是由鐵芯提供，同理，它的吸力由式(2)推導出來，其中鐵芯接近張力盤端的面積為S3，張力盤a與鐵芯之間的距離為δ2，實際磁通同樣降低5%，可得

(9)

根據(jù)上述式(8)和式(9)，代入電磁鐵的參數(shù)，可得：

(10)

把式(10)中力的單位換算成N，且距離的單位取mm，可得F1=15.3×10-2/δ12，F(xiàn)2=3.78×10-2/δ22。

取δ1=0.82mm，則F1=1.75N；取δ2=0.60mm，則F2=1.04N；F=F1+F2=2.79N。

3.2 電磁鐵的Maxwell仿真分析

本文基于Ansoft Maxwell軟件對所設計的電磁鐵模型進行仿真計算。設計的電磁鐵模塊是軸對稱的結構，所以選擇軸對稱求解模型，在軟件中只需要畫出所求裝置的一半的模型。具體步驟[7-8]如圖11所示。

圖11 Maxwell建模仿真流程圖

在CAD中創(chuàng)建所設計的電磁鐵模型，根據(jù)電磁鐵的實際尺寸進行建模，對于倒角、細孔和螺紋可忽略，同時為求出兩部分吸力F1和F2，分別設計了帶鐵芯和不帶鐵芯的一半二維圖如圖12和圖13所示。

圖12 帶鐵芯電磁鐵二維圖

圖13 不帶鐵芯電磁鐵二維圖

將CAD中的圖形保存為DXF模式導入Maxwell[9-11]，工作空間選擇z軸回轉。由于帶鐵芯和不帶鐵芯的仿真是一樣的操作，在這里僅列出帶鐵芯的結果。其中電磁鐵中的線圈材料選擇為cooper，張力盤a、外殼以及鐵芯均選擇材料DT4A，張力盤b以及夾層均選擇為非極性的材料，其余均為真空，張力盤a距離電磁鐵的距離為0.82mm。因器件是在24V直流電壓下工作，通過測量計算，將安匝數(shù)設為210A。由于Maxwell的材料庫中沒有DT4A的資料，需手動輸入它的B-H參數(shù)，得到它的B-H曲線圖如圖14所示。

圖14 DT4A的B-H曲線圖

仿真得出磁場分布[12]結果如圖15和圖16所示。

圖15 磁感應強度分布線

圖16 磁力線分布

根據(jù)設計要求，把張力盤a與電磁鐵的距離變成變量，在張力盤a與張力盤b吸住的時候，張力盤a與電磁鐵的距離為0.82mm。把張力盤a與張力盤b的距離改為0～4.18mm(x軸的起點為張力盤a距離b為4.18mm，距離依次減小)，步長設為0.01mm。由此可以得到張力盤a所受吸力與距離的關系曲線，如圖17所示。同理把激勵源210A改為變量，張力盤a與b距離保持0不變，可以得到電磁鐵不同輸入下的吸力曲線，如圖18所示。

圖17 吸力與距離之間的關系圖

圖18 吸力與安匝數(shù)之間的關系圖

由圖18可以得出，當激勵源安匝數(shù)一定時，通過減小張力盤與電磁鐵的距離，張力盤所受到的吸力會不斷增大，且距離越小，增大越明顯；當距離一定時，調整安匝數(shù)值，安匝數(shù)值越大，張力盤所受的吸力會越來越大。通過仿真結果可以得到在安匝數(shù)值為210A，距離為0(即電磁鐵距離張力盤a為0.82mm，鐵芯的頂端距離張力盤a為0.6mm)時，有鐵芯時張力盤a所受的吸力為2.8383N。同時，在進行沒有鐵芯時的仿真時，得到的張力盤a所受到的吸力為1.7323N。

4 搭建實驗平臺及數(shù)據(jù)分析

對于所設計的張力控制器，需要把張力控制在0～700mN之間，張力盤之間的摩擦因數(shù)在0.3左右。在實驗室對于所設計的張力器搭建了一個實驗平臺，進行張力大小的測試研究。采用砝碼水平測量的方法，探究不同條件下電磁式張力控制器所能達到的最大吸力值。實驗所采用的電源是24V直流電壓，探究不同的材料是否滿足設計需要，并且在實驗過程中得到最適合的電磁材料(純鐵熱處理)。實驗室測量試驗平臺如圖19所示。

圖19 張力測試實驗平臺

線圈一定，搭配經(jīng)過熱處理的不同材質材料的殼體，得到表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 不同殼體的實驗數(shù)據(jù)

由于實驗有一定的誤差，且測試的張力是一個斷開瞬時的力，所以結果取區(qū)間為10g的范圍值，同時，根據(jù)表2可得出，經(jīng)過熱處理的材料DT4E的吸力最大，DT4A的吸力單位轉化為牛頓(N)為2.65～2.75N。

熱處理和未熱處理的材料比較，得出熱處理過的材料導磁性偏好；鍍鋅與不鍍鋅的同種材料比較影響差別不大。

5 結語

通過公式推導和仿真分析，可以得出此張力器的吸力與電磁線圈激勵源的平方成正比關系，與張力盤和線圈間間隙的平方成反比關系。

對比計算、仿真和實驗數(shù)據(jù)，其中計算和仿真結果相差0.04N，存在的誤差很小。誤差的來源是因為一部分磁場不均勻帶來的誤差，也有磁降5%不是準確的值所帶來的誤差，可以通過更多的仿真數(shù)據(jù)來使取值更準確。仿真和實驗的結果相差0.1～0.2N，其原因是實驗需要固定張力盤，增加了間隙，所以實驗值比仿真值略小,還有零件制造的誤差因素。

由此可見，本文設計的電磁式張力控制器達到設計要求。