一種集群式指狀電磁鐵的結構設計及研究

童和平，謝波，張香紅，張洲（廣東理工職業學院，廣東廣州510091）

一種集群式指狀電磁鐵的結構設計及研究

童和平，謝波，張香紅，張洲
（廣東理工職業學院，廣東廣州510091）

合理的磁路結構及均勻的磁場強度對磁流變拋光效果起著至關重要的作用，基于電磁鐵的特性并結合集群磁流變技術，設計了一種集群式指狀電磁鐵。詳細分析了集群式指狀電磁鐵的結構設計，通過Ansoft有限元仿真對集群式指狀電磁鐵的結構進行仿真及優化。優化結果顯示：當凹槽間隙為1mm、凹槽深度為2mm且凹槽進行圓弧處理時，兩磁極磁指區域表面可以獲得比較均勻的面域磁場。經試驗證明，磁極頭磁指處磁感應強度的測試曲線與仿真曲線趨勢吻合度達87.5%，符合集群效應，磁場強度滿足集群磁流變拋光的要求。

集群式；指狀電磁鐵；結構設計；有限元

0　前言

隨著光電技術的發展，越來越多的光學元件被應用于航空、軍事等領域中。然而，這些領域對光學元件的要求較高，傳統的光學加工方法都滿足不了光學元件對精度和表面質量的要求[1-2]。集群磁流變效應微磨頭平面拋光加工技術，是將磁流變效應微磨頭集群組合形成平面拋光盤用于超光滑平面加工的新工藝方法。集群磁流變拋光技術具有拋光區域大、磁場強度均勻、磨料分布均勻等優點，可以實現高精度、高效率拋光加工目的[3-4]。

永磁式磁場發生器具有磁場強度不可調節、磁場大小較小且不易改變等不足，而電磁式磁場發生器具有磁場強度較大且可任意調節、強度較均勻等優點[5-6]。因此，設計一種電磁式集群磁流變裝置已成為集群磁流變拋光技術的重要事項，而磁場發生器的核心問題是電磁鐵的結構設計。前期設計的集群式指狀電磁鐵通過Ansoft電磁場有限元仿真分析，可以獲得磁場強度較大、磁場分布較為均勻的面域磁場[7]。為驗證集群式指狀電磁鐵是否滿足精密加工對磁場強度的要求，需對集群式指狀電磁鐵進行磁場強度試驗研究。

圖1　用于集群磁流變效應拋光裝置的磁場發生器

圖2　磁極結構示意圖及磁極表面特征線

1　集群式指狀電磁鐵的結構優化

根據集群磁流變效應，綜合考慮現有裝置改造難易程度、改造幅度大小，最終設計為指狀式電磁鐵。利用Ansoft磁場仿真軟件對指狀式電磁鐵進行了結構優化[8]，仿真結果表明：指狀式電磁鐵兩相互夾持的磁指所產生的磁場不均勻，這樣不利于磁流變超精密加工。因此，需要對凹槽結構進行參數優化，使整個磁指區域產生的磁場均勻化。

1.1兩磁極凹槽間隙及是凹槽否圓弧處理的優化

磁極處的凹槽間隙直接影響著兩磁極間漏磁間隙的大小，凹槽處是否圓弧處理也會影響尖端效應和磁力線的缺失，進而影響兩磁極頭表面磁場強度的大小。為了使兩磁極頭相互夾持的區域獲得較大的面域磁場，需要對凹槽間隙進行優化，優化結果如圖3所示。

由圖3可知：凹槽間隙越大，兩相互夾持磁指間的各特征線磁場強度就越小，相反，就越大。當凹槽間隙為1mm且凹槽處進行圓弧處理，兩相互夾持磁指間的磁場強度最大。這是因為，凹槽間隙越大，磁力線穿過的空氣磁阻越大且兩磁極間形成的磁回路越弱，則兩相互夾持磁指間的磁場強度就越小；槽口進行圓弧處理，就會降低兩磁極頭處的尖端效應，進而減少漏磁現象，則兩相互夾持磁指加工區域的磁場強度就越大。

1.2兩磁極凹槽深度的優化

圖3　凹槽間隙及圓弧處理對兩磁指表面磁場強度的影響

雖然兩磁極磁指區域的磁場強度滿足要求，但磁指表面的特征線均勻性較差，用于磁流變拋光會破壞光學元件的表面質量和光整度。不同凹槽深度影響兩磁指表面磁場強度的均勻性，因此，對凹槽深度進行了優化，優化結果如圖4所示。

由圖4可知：凹槽深度越大，兩相互夾持磁指表面各特征線的磁場強度越不均勻；相反，就越均勻。當凹槽深度為2mm，兩相互夾持磁指表面各特征線上的磁場強度大小較為集中，相差不大（即磁場強度較為均勻）。這是因為凹槽越深，兩相互夾持的磁指材料越少，傳導磁力線的截面越小，則傳到兩磁極表面的磁力線越少，并且由于尖端效應，導致指長尖端和中間磁場強度相差很大。當凹槽深度為2mm，兩相互夾持磁指的各特征線磁場強度最均勻。如兩磁極表面間的特征線X7，兩端磁場強度具有周期性變化，基本符合對稱，理論上可形成均勻磁場。

圖4　凹槽深度對兩磁指表面磁場強度的影響及特征線磁場強度的曲線圖

2　集群式指狀電磁鐵的試驗研究

根據設計和優化后加工出的電磁鐵如圖5所示，為了驗證其性能，本試驗使用PEX-035型數字特斯拉計對指狀電磁鐵進行磁場強度測試，以便驗證指狀電磁鐵結構的合理性。

圖5　集群式指狀電磁鐵實物圖

2.1集群式指狀電磁鐵磁極頭性能測試

為了驗證集群式指狀電磁鐵的磁極頭結構設計的合理性，需要用特斯拉計測試兩磁指表面各特征線的磁場強度，測量結果如圖6所示。

圖6　特征線實測后的磁場強度

由圖6可知，隨著勵磁電流的增加，集群式指狀電磁鐵磁極表面磁感應強度也增大，并且各特征線之間的磁場強度相差不大，均在一段范圍內波動，即較為均勻。當電流I由1 A增加到3 A，磁感應強度增加的幅度較大，而當電流I由3 A到3.7A，磁極頭的磁場強度增加不大。

2.2激勵電流對集群指狀電磁鐵表面磁場強度的影響

為了驗證兩磁指表面特征線處磁場強度的誤差，需將該區域磁場強度的實測結果與仿真結果進行對比，以確定實測與仿真之間的誤差率，對比結果如圖7所示。

圖7　不同勵磁電流對磁極表面磁場強度實測值與仿真值的對比

由圖7可知，隨著勵磁電流的增大，磁極頭磁指表面磁場強度實測值與仿真值都增大，且當勵磁電流達到3 A后，磁場強度的實測值與仿真值都基本保持不變。這是因為當勵磁電流達到一定程度后，導磁材料的磁場強度已接近飽和，磁導率隨之降低，所以，磁極頭磁指區域的磁場強度增速趨于停止。磁感應強度的測試曲線與仿真曲線的趨勢基本吻合，但最大相對誤差值也達到了12.5%，這說明磁極頭仿真分析具有一定的誤差。

2.3指狀電磁鐵的集群效果分析

為了定性的檢驗集群效應，在磁極頭磁指區域上方放置一個厚度3～4mm的容器，容器內裝有磁性鐵粉，將其放置于通電狀態下的指狀電磁鐵上測試集群效應，鐵粉形狀如圖8所示：

圖8　不同勵磁電流及永磁體對鐵粉集群效應的影響

如圖8（a）可知，勵磁電流越大，鐵粉的集群效應越明顯，且當勵磁電流達到3 A時，集群效應并沒有顯著提高。由于鐵粉被磁場強度把持的硬度與鐵粉集群厚度存在對應的關系，因此，通過8（b）的實驗結果可以得知，鐵粉集群厚度隨著勵磁電流的增加而增加。這是因為，勵磁電流增加，導磁材料的磁導率也會隨著增加，集群點陣表面釋放的磁場增強也會增強，瞬間被磁化的鐵粉硬度也增加，由于鐵粉之間的相互磁化作用，導致鐵粉相互堆積厚度增加，集群效應明顯。而磁場強度較小的單個永磁體，導致鐵粉磁化面積較小，因此在其表面形成不了面域磁場。

3　結論

根據集群磁流變效應拋光加工技術，設計出了一種集群式指狀電磁鐵，詳細分析并優化了指狀電磁鐵的結構參數，依據優化參數加工出實物進行試驗，試驗結果滿足集群磁流變拋光對磁場強度的要求。

根據集群效應的思想，設計了一種電磁式指狀電磁鐵結構，通過對凹槽間隙和是否圓弧處理進行仿真優化，得出當凹槽間隙為1mm且凹槽處圓弧處理，兩相互夾持的磁指表面磁場強度較大。

利用Ansoft軟件對凹槽深度進行優化，得出當深度為2mm時，磁指尖端和中間的磁場強度相差最小，磁極頭表面集群點陣磁場強度較為均勻。

磁極頭磁感應強度的測試曲線與仿真曲線趨勢基本吻合，符合集群效應，但最大相對誤差值達到12.5%，在距離磁極表面4mm處，磁感應強度B值達到800～1 200Gs范圍，滿足集群磁流變拋光對磁場強度的要求。

［1］張立鋒，賀新升.磁流變拋光技術發展趨勢及拋光工具研究［J］.科技論壇，2010（9）：71-72.

［2］嚴杰文.集群磁流變效應平面研拋加工特性研究［D］.廣州：廣東工業大學，2010.

［3］V.K.Jain，P.Ranjan，V.K.Suri，R.Komanduri，Chemo-mechanical magneto-rheological finishing（CMMRF）of silicon for microelectronics applications［J］.CIRP Annals--Manufacturing Technology，2010（59）：323-328.

［4］Y.Zhu，M.Gross and J.Liu，Proc of the 5th Int［M］. Conf.on ERF Suspensions and Associated Technology，W.A.Bullough edit，World Scientific，1994，747.

［5］吳戰成.集群磁流變效應超光滑拋光加工過程研究［D］.廣州：廣東工業大學，2011.

［6］柴京富，閻秋生，張鵬程.磁流變效應微砂輪的磨粒半固著機理研究［J］.中國機械工程，2010（22）：2726-2730.

［7］童和平，閻秋生，潘繼生.一種電磁式集群磁流變電磁鐵的結構設計及優化［J］.機電工程技術，2012（10）：88-91.

［8］趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

(編輯：向飛)

Design and Research of a Cluster Finger Electromagnet

TONG He-ping，XIE Bo，ZHANG Xiang-hong，ZHANG Zhou
（Guangdong Polytechnic Institute，Guangzhou510091，China）

Themagnetic structure is reasonable and uniform magnetic field intensity on the MRF effect plays a crucial factor，based on the characteristics of the study electromagnets combined MRF technology clusters，designed a cluster finger electromagnet.Detailed analysis of the cluster finger electromagnet design，finite element simulation by Ansoft cluster electromagnet structure simulation and optimization finger.Optimization results show thatwhen the recess gap of 1mm，2mm groove depth and groove for circular deal，the two magnetic poles refers to the surface area of the surface can be obtained relatively uniform magnetic field.The test proved that themagnetic pole head refers to the curve of themagnetic flux density test and simulation curve trend goodness of fit up to 87.5%，in line with the cluster effect，themagnetic field strength tomeet the requirementsof the clusterMRF.

clusters；fingerelectromagnet；structuraldesign；finiteelement

TG749 TP391

A

1009－9492(2015)06－0073－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.018

2015－03－18

童和平，男，1986年生，江西景德鎮人，碩士，助教。研究領域：機械與自動化工程系。已發表論文3篇。