新型節(jié)能稀土永磁吊的研究

裴一錚，丁 寧

(1.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機械工程學(xué)院，長春 130022)

新型節(jié)能稀土永磁吊的研究

裴一錚1，2，丁 寧2

(1.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機械工程學(xué)院，長春 130022)

稀土永磁吊是完全不用電就可以實現(xiàn)對鐵磁性物質(zhì)實現(xiàn)自動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。本文就是針對永磁吊這一課題，進行進一步研究，從磁路設(shè)計到自動吸缷結(jié)構(gòu)兩個方面入手，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

0 引言

起重磁吊是用來搬運具有鐵磁性貨物的一種吸附式取物裝置，它用來搬運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，對被吸鋼鐵產(chǎn)生足以克服其重量的吸力才能實現(xiàn)搬運鋼鐵的目的。

目前世界各國均大量使用起重電磁鐵，由于其作業(yè)時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;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，我國相繼在八四年也進行了工業(yè)化生產(chǎn)，使我國成為世界上生產(chǎn)稀土永磁吊的三大強國之一，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和零磁場的獲得都是靠永磁體的兩個磁系中活動磁系相對固定磁系所處的兩種不同狀態(tài)而實現(xiàn)的。當(dāng)可動磁系與固定磁系在磁極面處所形成的磁場方向相同時，吸物;當(dāng)可動磁系與固定磁系在磁極面處所形成的磁場方向相反時，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)采用電機減速器系統(tǒng)，這種磁吊工作時尚需通電，在某些作業(yè)條件下，用電是很危險的，因此這種磁吊尚不理想，現(xiàn)有的可動磁系的傳動系統(tǒng)已不需用電，其方法是將牽引力轉(zhuǎn)換為可動磁系的力矩，但還存在著吸力不足及可動磁系轉(zhuǎn)動不到位的而影響吸力的缺點［4］［5］。

第三方面就是可動磁系的自鎖機構(gòu)，當(dāng)起重磁鐵處于吸物的工作狀態(tài)時，是可動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)，如不將可動磁系鎖住，讓其處于自由狀態(tài)，則其會發(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，必須將可動磁系牢固鎖住，才能保證其作業(yè)時安全可靠，這是必須的。

本篇論文的研究內(nèi)容主要是以下幾方面;

1)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計。2)自動吸缷結(jié)構(gòu)設(shè)計。3)可動磁系的自鎖機構(gòu)。

1 磁路設(shè)計

磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是根據(jù)永磁吊的外形尺寸吸與用途來確定磁極的面積、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(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，計算出工作點，確定了工作點后，由設(shè)計給出的起重永磁鐵的用途來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是否在恢復(fù)曲線的中點及起重永磁鐵吸重，經(jīng)過多次反復(fù)，改變永磁體的寬度及高度，使永磁體的工作點接近恢復(fù)曲線的中點，達(dá)到吸重要求，最后要在基本達(dá)到設(shè)計要求時，求出卸物狀態(tài)下工作磁極面上的殘余磁場強度不大于50(Oe)時所選用的永磁體的寬度及高度，最后確定下來。磁體選用一個可動磁系，兩個固定磁系，磁路設(shè)計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)，它首先將計算對象分成100個-1000個小的三角形或四角形的元素，而后列出磁場方程，建立數(shù)學(xué)模型，求出有限元的磁通密度，進而求出吸力。

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為磁體長度，Lg為兩磁體間距離，μ為Lg中的介質(zhì)的磁導(dǎo)率。計算間隙的磁導(dǎo)及永磁體本身的磁導(dǎo)用此公式。

計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狀態(tài)下(吸物狀態(tài)、卸物狀態(tài)、可動磁系與固定磁系無相互作用狀態(tài))磁路的各部分的磁導(dǎo)，再求總磁導(dǎo)。利用公求出其各個狀態(tài)下孤立狀態(tài)下的工作點，然后求出此磁體在相互作用下的平衡工作點。工作點要滿足要求(對于一般的永磁材料，起始點應(yīng)選擇在最大磁能積(BH)max點下方，對于稀土等強各向異性永磁材料，因其退磁曲線為一直線，因而起始點就應(yīng)取最大磁能積(BH)max點，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.，在計算各各狀態(tài)下工作磁極面上合成的磁場強度，根據(jù)公式F=(H/5000)2Sg計算出吸力，再效驗卸物狀態(tài)下磁極面上的殘余磁場強度是否不大于50(Oe)，經(jīng)多次反復(fù)，直到達(dá)到要求。

2 自動吸缷結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)起重永磁鐵理論及設(shè)計原則，通過磁路設(shè)計，能使起重永磁鐵滿足對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，而要實現(xiàn)永磁鐵的吸卸功能，就得解決可動磁系的轉(zhuǎn)動問題。這里我們設(shè)想了利用吊車起吊時向上的牽引力，通過一個機構(gòu)轉(zhuǎn)換成可動磁系的旋轉(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，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，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，此時吊鏈12還未受力，隨著彈簧的伸長到一定程度，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)動了60°，由于棘爪的作用使轉(zhuǎn)軸8也轉(zhuǎn)動了60°，此時，起重永磁吊的可動磁系與固定磁系在工作磁極面上所產(chǎn)生的磁場強度相消，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，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，因為在下落過程中，棘爪只是滑到棘輪的下一個齒槽內(nèi)。當(dāng)?shù)踯囋俅纹鸬鯐r，擺桿帶動棘爪使轉(zhuǎn)軸8轉(zhuǎn)動了60°，使轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動180°，很明顯可動磁系也轉(zhuǎn)動了180°(因為轉(zhuǎn)軸8上的齒輪的直徑是轉(zhuǎn)軸5上的齒輪直徑的3倍)，這時可動磁系與固定磁系的磁狀態(tài)如圖2(d)所示，兩個磁系在工作磁極面上磁場加倍即為吸物狀態(tài)，此時在吊車的運送下，永磁吊吸著被吸物體運到卸貨地點，吊鏈落下時，，擺桿帶動棘爪在棘輪邊緣滑下來，此時轉(zhuǎn)軸8并沒有轉(zhuǎn)動，可動磁系也沒轉(zhuǎn)動，整個復(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，在彈簧力的作用下，擺桿轉(zhuǎn)動60°，使可動磁系轉(zhuǎn)動180°，使兩個磁系的磁狀態(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)計有兩個優(yōu)點。

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的狀態(tài)

一是實現(xiàn)吸缷機構(gòu)的自動化，即利用牽引力產(chǎn)生的力矩實現(xiàn)可動磁系的轉(zhuǎn)動。

二是當(dāng)被吸物體處于傾斜狀態(tài)時，磁吊也可將其吸起。因為在吊鏈12未受力時，也就是在磁吊未被吊起時，彈簧的初拉力使得擺桿就已到達(dá)其極限位置13處，可動磁系就已旋轉(zhuǎn)到圖2(d)位置處，此時可動磁系與固定磁系在磁極面處所產(chǎn)生的磁場強度相加強。這樣即使被吸物體有傾斜，吊鏈12在拉直前，磁吊就可以對被吸物產(chǎn)生最大的吸力，隨著吊鏈12的移動，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，小吊鏈被拉直的同時，吊鏈12也同時被拉直，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，擺桿還沒有到達(dá)其極限位置處，也就是可動磁系還未到達(dá)圖2(d)處，對被吸物產(chǎn)生不了最大的吸力，使磁吊無法吸起物體。)

3 可動磁系的自鎖機構(gòu)

當(dāng)起重永磁鐵處于吸物的工作狀態(tài)時，可動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)，所以我們設(shè)計了一種機構(gòu)，該機構(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(假定可動詞系是反時針旋轉(zhuǎn))，這樣減少了可動與固定磁系間的斥力，但如不將可動磁系鎖住，讓其處于自由狀態(tài)，則會發(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，必須將可動磁系鎖住，才能保證其作業(yè)時安全可靠。所以我們設(shè)計了一種自鎖機構(gòu)，該機構(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(順時針轉(zhuǎn)動)時，自鎖機構(gòu)就限制它的轉(zhuǎn)動，因為該裝置只允許軸5反時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)可動磁系處于同極相斥狀態(tài)時，就不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

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

［2］ 丁寧，王龍山，何平.稀土起重永磁吊的設(shè)計原理［J］.吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2001(1)：89-92.

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

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

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

［6］ 丁寧.起永磁吊的磁路設(shè)計程序與計算［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2000(2)：9-11+25.

［7］ 王禎忠.機械式自動掛脫吊鉤［J］.起重運輸機械，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)展計劃項目(20060533);吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項目(2009038);吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(2011215)

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

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