電磁式磁力滾壓加工啟動過程研究

曹 宇，姚新改，2，董志國，2，梁 星

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

電磁式磁力滾壓技術是一種將電磁技術和傳統滾壓技術相結合的新方法、新工藝。長圓不銹鋼管內表面經磁力滾壓加工后，降低了表面粗糙度，提高了表面硬度，延長了使用壽命，擴大了適用范圍。電磁式磁力滾壓加工系統的啟動直接影響加工效率和加工效果，國內外至今還沒有電磁式磁力滾壓加工系統啟動的相關研究，但是電磁式磁力滾壓加工系統的啟動與同步電機的啟動原理類似。同步電機的啟動有三種方法，輔助電機啟動法即借助一臺與同步電機同磁極對數的異步電機帶動啟動；異步啟動法即先不通入勵磁電流使同步電機以異步方式運行，待電機轉速接近同步時通入勵磁電流從而達到同步狀態；最后為變頻啟動法即先通入勵磁電流，利用變頻器逐步提高定子兩端的電源頻率，使轉子磁極在與旋轉磁場建立穩定的磁拉力，從而實現同步啟動。結合磁力滾壓加工系統本身的結構，選用變頻啟動法進行系統快速啟動的研究。電磁式磁力滾壓加工系統在啟動時由于磁力滾壓加工系統轉子滾壓工具的慣性和機械負載的存在，通入三相交流電后系統定子產生的旋轉磁場和滾壓工具之間存在一個轉速差，如果啟動頻率過高，轉速差過大，滾壓工具就會失步，系統不能啟動[1]，其次如果啟動頻率過低又會造成電磁轉矩不足，無法帶動滾壓工具轉動，系統同樣無法啟動；另外，電磁式磁力滾壓加工系統啟動還需要將定子繞組溫度控制在臨界值以下以保證系統的穩定安全運行。通過對不同啟動頻率下磁力滾壓加工系統啟動進行理論分析，仿真并進行試驗，從而得到滿足系統啟動的頻率范圍，從中優選出系統啟動的最佳頻率，實現電磁式磁力滾壓加工系統的快速啟動，為穩定加工打下基礎。

2 磁力滾壓加工原理

電磁式磁力滾壓系統加工原理，如圖1所示。定子旋轉磁場發生器的三相繞組通入三相交流電后產生轉速為nr∕min的旋轉磁場，旋轉磁場的磁極和滾壓工具上相對應的活動異性磁極相互吸引，使滾壓工具上的滾珠和長圓管工件內表面接觸并產生正壓力，在旋轉磁場的牽引下，滾壓工具和旋轉磁場逐步實現同步旋轉并通過滾珠對長圓不銹鋼管內表面進行滾壓彈塑性加工[2]。同時，定子旋轉磁場發生器在進給裝置的驅動下軸向進給，完成對整個長圓不銹鋼管內表面的加工[3]。

圖1 磁力滾壓原理圖Fig.1 The Principle Diagram of Magnetic Rolling

3 磁力滾壓啟動過程理論分析

針對Φ（76×4）mm尺寸的0Cr18Ni9長圓不銹鋼管磁力滾壓加工系統進行啟動過程分析。電磁式磁力滾壓加工系統的主要結構由定子旋轉磁場發生器和轉子滾壓工具構成。其中定子旋轉磁場發生器由Y90L-4型號的三相異步電動機改裝而成；轉子滾壓工具采用已經設計并制造完成的第二代磁力滾壓加工工具。

電磁式磁力滾壓加工系統的啟動需滿足力學和熱學兩個條件。其中力學條件是指定子旋轉磁場發生器產生的磁場和滾壓工具上的磁場相互作用，在旋轉磁場的帶動下能將滾壓工具從靜止牽入同步[4]；熱學條件是指電磁式磁力滾壓加工系統的啟動瞬時溫度和啟動后穩定運行時的溫度在臨界值以下，以保證系統的安全運行。

3.1 啟動過程力學條件

由電機學的理論可知，磁力滾壓加工系統在啟動時滿足同步電動機轉子運動方程[5]，如式（1）所示。

式中：J—滾壓工具的轉動慣性轉矩；Ω—滾壓工具的角速度；Tem—電磁轉矩；Tl—機械負載力矩。

從式（1）可知，磁力滾壓加工系統的啟動條件為電磁轉矩大于負載力矩；影響磁力滾壓加工系統啟動的主要因素有慣性轉矩，電磁轉矩，負載力矩。電磁式磁力滾壓加工系統的啟動瞬時電磁轉矩只有克服負載轉矩和慣性轉矩，滾壓工具才能夠轉動，如果電磁轉矩過小將導致滾壓工具無法被牽入同步甚至無法轉動[6]。磁力滾壓加工系統牽入同步的原理和同步電機類似，由同步電機低頻啟動的定轉子轉速差公式[7]可知，磁力滾壓加工系統應滿足：

式中：Δn—旋轉磁場和滾壓工具轉速差；n—定子旋轉磁場的轉速；n0—滾壓工具的轉速；P—極對數，取2；Tem—電磁轉矩；J—轉動慣量，取0.000751kg·m2。

由式（3）可得出磁力滾壓加工系統啟動電磁轉矩需要大于1.65×10-5Δn2（N·m）。

3.2 啟動過程熱學條件

由同步電動機電壓方程式U=E0+Ea+Eσ+IR可知，電磁式磁力滾壓加工系統在某一頻率下啟動瞬時，定子沒有產生旋轉磁電動勢故Ea≈0，轉子滾壓工具因慣性和負載還沒有轉動起來，定子繞組沒有切割轉子永磁鐵產生的磁力線，故E0≈0，忽略定子漏磁電動勢Eσ，定子繞組兩端電壓U一定，因此，定子繞組在啟動瞬時電流很大，約為額定電流的（5～7）倍。定子繞組電流過大會造成系統發熱、繞組短路，系統不能正常運行甚至出現安全隱患。由定子旋轉磁場發生器繞組的絕緣等級可知，系統需要滿足的熱學條件為定子旋轉磁場發生器中繞組溫度小于130℃，定子機殼溫度小于80℃[8]。

4 磁力滾壓系統啟動仿真

利用Ansoft瞬態磁場模塊對電磁式磁力滾壓加工系統的啟動進行有限元仿真分析。

4.1 模型的建立

建立的2D模型，如圖2所示。

圖2 磁力滾壓加工系統2D模型Fig.2 The 2D Model of Magnetic Rolling Processing System

4.2 材料屬性定義

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of Model Material

4.3 激勵源的加載與邊界條件的定義

電磁式磁力滾壓加工試驗是通過變頻器對旋轉磁場發生器進行電流加載，所以設定的激勵源為繞組電流源加載，加載的激勵源，如式（5）所示。

磁力滾壓系統的邊界為磁與非磁結構的分界處，因此對其施加狄里克里邊界條件中的磁通平行邊界。

式中：iA，iB，iC—三相交流電瞬時值；

I0—三相交流電有效值；

f—交流電頻率。

4.4 運動選項設置

轉動方程為[9]：

式中：J—滾壓工具的轉動慣量；

c—滾壓工具的阻尼系數；

Tem—電磁轉矩；

Tl—負載轉矩；

ω—為滾壓工具的角速度；

β—滾壓工具的角加速度；

Ps—風損耗。

通過上式計算可知在考慮機械瞬態的情況下，其啟動初始參數設定，如表2所示。

表2 啟動初始參數設定Tab.2 Setting of Start Initial Parameter

4.5 網格劃分

網格劃分決定仿真的精確度[10]。對于電磁式磁力滾壓加工系統，定子旋轉磁場發生器與轉子滾壓工具間的氣隙磁場變化率較大，是磁力滾壓系統最重要的組成部分。因此為了保證仿真的真實準確性，氣隙磁路網格劃分的密一些；其他部分根據結構的重要性和分析的重點進行劃分。具體的網格劃分，如圖3所示。

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model Meshing

4.6 仿真結果分析

不同啟動頻率下磁力滾壓加工工具速度曲線圖，如圖4所示。不同啟動頻率下磁力滾壓加工工具轉矩曲線圖，如圖5所示。

圖4 磁力滾壓系統啟動速度曲線Fig.4 The Starting Speed Curve of Magnetic Rolling System

圖5 滾壓工具所受電磁轉矩Fig.5 Electromagnetic Torque of Rolling Tool

由圖4知，在（4～9）Hz的范圍內，隨著啟動頻率的增加，系統啟動時間越短。由電機轉速公式n=60f∕p可知，隨著頻率的增加，旋轉磁場發生器產生的旋轉磁場轉速加快，旋轉磁場與滾壓工具轉速差的增大，由式（3）知系統的啟動電磁轉矩變大，所以系統啟動越來越快。在9Hz頻率下系統啟動最快為1.2s。由圖5知此時系統啟動達到電磁轉矩為2.3N·m。

由圖4知，系統在小于4Hz和大于9Hz的頻率下不能正常啟動，這是由于系統在過低頻率下啟動，旋轉磁場與內部滾壓工具的轉速差的變小，啟動電磁轉矩過小無法克服滾壓工具的負載力矩與慣性轉矩從而造成系統啟動失敗；若系統在過高的頻率下啟動，旋轉磁場發生器產生的旋轉磁場與內部滾壓工具的轉速差過大，由于轉子滾壓工具的慣性，還沒來得及轉動，旋轉磁場對滾壓工具的平均轉矩為零，不能啟動。由圖5知，系統在小于4Hz和大于9Hz的頻率時平均電磁轉矩均為零，不能實現系統的啟動。

5 磁力滾壓加工啟動溫度試驗

5.1 試驗內容

試驗目的：在不同頻率的啟動條件下，電磁式磁力滾壓加工系統能否滿足啟動溫度要求并穩定持續加工。試驗裝置：電磁式磁力滾壓加工系統，如圖6所示。

圖6 磁力滾壓加工系統Fig.6 Magnetic Rolling Processing System

試驗方法：將西門子MICROMASTER440型變頻器初始啟動頻率分別調節到（5～10）Hz，然后采用TES-1310接觸式溫度測量儀，如圖7所示。實時監測系統不同頻率下啟動瞬時定子機殼最高溫度以及系統啟動后穩定加工時定子機殼的溫度。系統在不同頻率下進行啟動溫度試驗時，利用水冷系統將定子旋轉磁場發生器的初始溫度控制在環境溫度16℃以確保試驗結果的準確性。

圖7 接觸式溫度測量儀Fig.7 Contact Temperature Measuring Instrument

試驗工藝參數設定，如表3所示。

表3 試驗工藝參數設定Tab.3 The Setting of Test Process Parameter

5.2 試驗結果分析

磁力滾壓加工系統在不同頻率下啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩定運行的溫度，如表4所示。

表4 試驗結果Tab.4 Test Results

由表4可知，隨著啟動頻率的升高，系統啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩定運行的溫度逐漸升高。在10Hz的頻率下啟動瞬時最高溫度超過系統穩定運行的臨界溫度80℃，不滿足啟動的熱學條件。因此，電磁式磁力滾壓加工系統的最高啟動頻率為9Hz，啟動瞬時最高溫度為77.2℃以及穩定運行溫度為66.8℃。

6 結論

通過對電磁式磁力滾壓加工系統啟動進行理論分析、有限元仿真和試驗研究得出：

（1）電磁式磁力滾壓加工系統啟動頻率為（4～9）Hz時，系統不失步，滿足系統啟動的力學條件；系統在小于4Hz和大于9Hz的頻率下啟動均會失步，不滿足啟動的力學條件。

（2）電磁式磁力滾壓加工系統啟動頻率為（3～9）Hz時，定子機殼啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩定運行的溫度均低于80℃，滿足啟動的熱學條件；系統在大于9Hz的頻率下定子機殼啟動瞬時最高溫度大于80℃，不滿足啟動熱學條件。

綜上所述，在同時滿足啟動力學和熱學條件下，系統啟動的頻率范圍為（4～9）Hz；兼顧加工效率的要求，優選系統的啟動頻率為9Hz，啟動時間為1.2s，相較原來的低頻低速啟動大大縮短了啟動時間，減少了工件的不完全加工長度，為后續的持續穩定加工奠定了基礎。