磨煤機加載裝置用電磁鐵的設計

張姍，王儉，馮成，王寧

(1.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽重型電站設備制造有限公司，遼寧 沈陽110021；3.沈陽中德控股集團有限公司，遼寧 沈陽 110801)

1 引言

磨煤機需要加載裝置施加外力作用于磨輥，將煤塊破碎制成煤粉的裝置。現有的加載裝置主要有液壓加載和彈簧加載。液壓加載裝置具有節省殼內空間，壓力可調等優點，但存在制造成本高，漏油等缺點。彈簧加載裝置具有結構簡單，制造成本低等優點，但存在彈簧材料磨損較快等缺點[1]。工農業生產進步以及科學技術的發展，使得生產過程中自動化、機械化程度的有明顯的提高，電磁鐵具有結構簡單、體積小、操作簡單、經濟性能高、吸力大、無油氣污染等優點，廣泛應用于液壓傳動、氣壓傳動、自動控制等領域，并在其中起著重要作用[2]。

在了解現有磨煤機的工作原理的基礎上，根據磨煤機的技術數據，設計一種磨煤機加載裝置用電磁鐵。

2 電磁鐵結構設計

電磁鐵是一種把電磁能轉換為機械能的電磁器件。在通電線圈產生磁場的電磁力的作用下，動鐵心做機械運動，直至與靜鐵心吸合[3-5]。磁勢方程、電磁吸力方程、電壓方程以及發熱方程勢是電磁鐵設計中主要應用的公式。設計電磁鐵常采用經驗公式與電磁場仿真軟件相結合的方法，將經驗公式確定出電磁鐵初步計算參數，然后對無法用經驗公式確定的參數進行參數化仿真分析，這種方法在含有電磁機構[6]和永磁機構[7]開關產品設計中廣泛應用。

2.1 電磁鐵結構選擇

本文設計的電磁鐵的主要是為磨煤機提供作用于磨輥的加載力。要求設計的電磁鐵能產生的電磁吸力不小于36kN，行程不超過50mm。盤式電磁鐵的磁極形如圓盤，氣隙較小，可在較短行程內產生較大的電磁吸力，多用在出力較大的場合。

在外部條件都具備的情況下，磨煤機從給煤到磨煤出粉需要1min～2min。長期工作制的電磁鐵，在一次通電過程內其溫升已經達到其穩定溫升，電磁鐵材料損耗和功耗較大。考慮到節省電能的要求，設計帶永磁材料的盤式電磁鐵，即完全吸合時僅靠永磁材料維持吸合狀態。盤式永磁電磁鐵的二維剖面如下圖所示。

圖1 盤式永磁電磁鐵二維剖面圖

2.2 電磁鐵結構參數計算

跟據麥克斯韋爾公式，圓盤形的電磁鐵內、外兩磁極間產生的吸力之和∑F為:

式中，BO1與BO2分別為內磁極與外磁極吸附工作氣隙磁感應強度，單位為Gs；Sj1和Sj2分別為內極靴與外磁靴的面積；μ0為真空磁導率，μ0的值為4π×10-7H/m。

由通過內磁極和外磁極工作氣隙的磁通基本相等原則，設極靴的面積比為Kj，其值一般在0.5～0.7之間，設Sj為等值極靴面積，所以電磁鐵的總吸力可改寫成以下形式:

通過以上式子可以推出內極靴Sj2和外極靴Sj1的面積以及內極靴半徑Rj1。

鐵心半徑Rc的選擇與內極靴比值τ1有關，τ1的范圍為1.05～1.8，所以鐵心半徑為:

電磁鐵所需的總磁勢包括工作氣隙以及非工作氣隙磁阻消耗的磁勢，鐵心各導磁結構部分消耗的磁勢，消耗在電磁鐵各個導磁體上的磁勢占總磁勢的10%～25%[8]，可計算出線圈的總磁勢為:

圓盤形電磁鐵的線圈窗口的長寬比β值一般為0.4～0.5。可以得到線圈的高度H為:

式中，ρ銅導線的電阻率，k為線圈的散熱系數，f為線圈的填充系數，θf為電磁鐵溫升。

在設計時要在鐵心和線圈兩頭留有0.5cm的封裝間隙。根據內外磁極面積相等的原則，靜鐵心外磁極外徑RQ1為:

根據結構要求，需在內極靴內側鐵心套上一隔磁板，該隔磁材料厚度初步設計為2cm。銜鐵厚度內磁極厚度L1應滿足

根據圓周側面磁密與鐵心端部磁密相等的原則，可以推論出內外極靴的厚度h為:

由此可以推論出外極靴寬度bj2外極靴外徑Rj21外極靴內徑Rj22的大小為:

吸合時僅靠永磁維持吸合狀態，將永磁體添加在電磁鐵靜鐵心內磁極，選用的永磁鐵為釹鐵硼永磁鐵，為線性永磁，回復曲線與其去磁曲線重合。永磁等效磁勢Fm和等效磁阻Rm可以按照下面的式子計算:

式中，Hc為永磁矯頑力，μm為永磁磁導率，lm為永磁厚度，Sm為永磁截面積。

此時最大氣隙處的總電磁吸力可以按照如下計算:

式中，B0為永磁材料與動鐵心之間的工作氣隙磁密，其大小按照下式計算:

式中，ε為工作氣隙與內磁極直徑的比值，Br為永磁材料的剩余磁密。

線圈采用銅導線，故導線截面積Sd為

式中，ρ為銅導線在105℃時的電阻系數，U為設計的電磁鐵的電壓，每匝線圈平均長度LP，R1和R2為線圈的實際內徑和外徑。線圈采用馬步式纏繞。

圖2 導線直徑與線圈寬度的幾何關系

因此線圈總匝數N為

式中，N1為每層線圈匝數，N2為線圈層數。

經過反復試算，可得到電磁鐵的初步結構尺寸如表1所示。

表1 盤式永磁電磁鐵結構參數

2.3 材料的選擇

電工純鐵因其磁感應強度高、初始磁導率高、矯頑力低等優點，而且材料易制備，價格低廉，廣泛用于電磁閥，繼電器等產品中。電磁鐵的動靜鐵心采用電工純鐵DT4E。永磁材料選擇燒結永磁體釹鐵硼N35SH。

表2 其性能和物理參數

3 電磁鐵建模與仿真

在解決工程電磁領域的問題時，電磁場有限元仿真軟件Ansoft Maxwell是應用廣泛的有限元軟件之一，應用仿真軟件的靜態求解器對設計出的盤式電磁鐵進行靜態特性分析。軟件的求解步驟主要分為模型建立，材料選定，激勵源與邊界條件設定，網絡剖分，求解以及后處理。

3.1 電磁鐵建模

設計的盤式永磁電磁鐵在空間內是完全軸對稱的，為減小計算量，因此在建模過程中，只需沿z坐標軸，建立電磁鐵的二分之一截面即可。

求解器采用靜磁場求解器，當電磁鐵吸合時，僅靠永磁材料維持吸合狀態，此時線圈電流不需要設置；當電磁鐵處于最大氣隙時，需要在線圈上添加勵磁電流。

在網格剖分時，為提高計算精度，可將網格剖分時可細密一點，設置其網絡單元的最大邊長為2cm。電磁鐵的仿真模型和網絡剖分如圖3所示。

圖3 電磁鐵仿真模型和網絡剖分

3.2 材料的添加

根據電磁鐵設計規則對各部分材料進行定義。線圈材料選銅copper，隔磁材料選擇不導磁材料，可選擇軟件材料庫中的AL_N；永磁材料N35SH根據物理參數添加到材料庫中，充磁方向為徑向充磁，動鐵心和靜鐵心材料根據B-H曲線添加到材料庫中，求解域工作氣隙以及非工作氣隙均設置為真空vacuum即可。

圖4 電工純鐵的基本磁化曲線

3.3 仿真結果及分析

最大氣隙處電磁吸力大小的仿真值為36.5kN；完全吸合時，僅靠永磁材料產生的電磁吸力的仿真值為37.4kN。為進一步改善電磁鐵的出力效果，對永磁材料的尺寸以及動鐵心的尺寸這兩個參數進行仿真分析，為合理設計電磁鐵結構參數提供了參考。

(1)永磁體尺寸對電磁鐵靜態吸力的影響

為保證永磁材料正常工作，必須增加部分氣隙，可將永磁材料的形狀由圓盤改為圓環，其結構如圖5所示。

圖5 有輔助氣隙的永磁盤式電磁鐵

保持其他電磁鐵結構尺寸不變，永磁材料的厚度lm從1mm變化到4mm，同時永磁材料的半徑由12cm變化到16cm，電磁吸力仿真結果的變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 最大行程處永磁厚度對電磁吸力的影響

圖7 吸合時永磁厚度對電磁吸力的影響

由圖分析可知，電磁鐵在最大工作行程位置時，永磁材料厚度越大，電磁鐵的吸力減小。出現這種現象的原因是在電磁鐵工作行程最大位置時，永磁材料產生的吸力很小，電磁鐵的吸力幾乎都由電磁力提供。綜合分析后，添加的永磁材料選擇厚度為2mm，永磁材料的半徑選擇14cm為宜。

(2)動鐵心尺寸對電磁吸力的影響

保持其他結構尺寸保持不變，動鐵心長度L由7.8cm變化到11.8cm，分別對不同氣隙長度下的電磁吸力進行仿真。以7.8cm的動鐵心長度在不同氣隙位置下的電磁吸力為參考，分別計算同一位置下，不同長度動鐵心與參考的動鐵心長度電磁吸力的差值，其電磁吸力差值變化曲線如圖8所示。

由圖8分析可知，電磁吸力的大小隨動鐵心厚度的增加而增加。這是因為動鐵心長度的增加時，磁路總的磁阻減小，磁路總的磁通量增加，因此在相同氣隙長度以及勵磁電流的條件下，動鐵心長度長的電磁鐵產生的電磁吸力更大。但動鐵心過長會增加電磁鐵的體積，增加設計成本。綜合比較分析后，動鐵心的長度最終確定為8.8cm。

圖8 不同氣隙下電磁吸力的變化

(3)電磁鐵磁感應強度分析

對參數化分析后的電磁鐵重新進行仿真計算，仿真結果顯示，在最大氣隙處的電磁吸力的仿真值為36.7kN，在完全吸合僅靠永磁產生的電磁吸力的仿真值為36.4kN，基本滿足設計要求，其磁感應云圖如圖9所示。

圖9 電磁鐵磁感應分布云圖

由圖9中可以看出，電磁鐵各導磁結構均為達到電工純鐵的飽和磁感應強度2.15T，滿足內磁極和外磁極磁通良好的設計要求。

4 結語

本文通過數學模型和有限元分析，設計了一種磨煤機用的電磁鐵。仿真結果表明，該電磁鐵的靜態吸力能夠滿足磨煤機所需加載力的要求。與現有液壓加載裝置相比，結構簡單，維護方便，經濟性高；與彈簧裝置相比，材料磨損更小。