气缸电磁缓冲装置的研究

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Research of Electromagnetic Bufer Device for the Pneumatic-cylinderWU Jianxing，LUO Yanlei。CHEN LunjliB(School of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China)Abstract：The electromagnetic buffer device of pneumatic-cylinder is a new type of non-contact bufer device based on the theoryof electromagnetic.The main structure and working principle of the electromagnetic bufer device of pneumatic-cylinder were described，the mathematical model of the electromagnetic force and pneumatic-cylinder's movement was set up，which WaS simulated by Matlab。

The simulation results show that，after the pneumatic-cylinder installed the electromagnetic buffer device，it can effectively prevent thehard impact happened between piston and cylinder shel cover，and avoid the damage caused to the pneumatic-cylinder。

Keywords：Pneumatic-cylinder；Electromagnetic buffer；Non-contact；Simulate气缸的电磁缓冲装置是根据现代电磁学的基本理论，利用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，来实现力的非接触传递的∩通过改变电磁螺管线圈中电流的大小来改变电磁力的大小 ，通过改变电磁螺管线圈中电流的方向来改变电磁力的方向。该缓冲装置具有无摩擦磨损、缓冲过程平稳 、无振动噪声 、缓冲装置无需精确加工等优点 ；同时，当改变电流方向使电磁力方向与气缸的运动方向-致时，能起到使气缸运动加快或快速启动的作用。该装置适用于医疗、食品和纺织等中小型及微型机械传动 。

1 电磁缓冲装置的结构特点及工作原理1.1 电磁缓冲装置的结构特点在气缸的端部和活塞上加装电磁螺管线圈或永磁材料 ，如图 1所示。

gC，/////Y/AY////////////AY/， ，- - - -负载 电磁螺管线圈 永磁体 电磁螺管线圈图1 电磁缓冲装置的结构简图1.2 电磁缓冲装置的工作原理利用磁场 异性相吸，同性相斥的原理 ，产生-个与气缸活塞运动 方 向相 反 的力 ，来实 现其缓 冲。图 2为电磁缓 冲装置 的工作原理图。

图2 电磁缓冲装置工作原理图S图 1中若气缸活塞向左运动，其磁倡性确定 (左端为 N极，右端为s极)。气缸运动到位时，气缸的右腔在阀的控制下停止进气 ，但气体具有可压缩性 ，因而活塞会在惯性的作用下继续往前运动；因而为了气缸运动的准确定位，避免活塞与气缸端盖发生硬冲击而造成损坏，在气缸的左端电磁螺管线圈中通人电流，通过改变电流的方向使电磁螺管线圈所产生磁场的极性右端为N极，左端为 s极，此时活塞将会受到- 个与其运动方 向相反 的电磁力的作用而迅速停止运动。

2 电磁力及运动数学模型的建立(1)当在气缸两端加装电磁螺管线圈而活塞为收稿日期：2011-11～24作者简介：吴健兴 (1986-)，男 ，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。E-mail：506819239###qq.corn。

· 68· 机床与液压 第4l卷水磁材料时，忽略偏磁通( 0)、铁芯和永磁材料的磁阻，即认为磁动势全部降在气隙 (t)上。由此可得瞬时电磁螺管线圈绕组电感三为 ]：L(X， ) i.toN两S(1)电磁螺管线圈绕组的电压 U(t)为 ：)Ri( × - × ㈦ 式中：Ⅳ为线圈匝数； 。为空气导磁系数；S为铁芯横截面积；i(t)为电磁螺管线圈中的电流；R为电磁螺管线圈绕组的电阻值。

气隙磁通密度B为： s (3)根据电磁理论的虚位移原理可计算任何时刻活塞所受到的电磁力F为：哪 ， 4t㈩ 0 j则活塞沿水平方向的运动方程为 ：叫 (5)活塞的运动速度 (t)与时间 t的关系为：。 - (6)气隙X(t)随时间t的变化关系为：㈤ - )d (7)由式 (4)- (7)可得，气缸在电磁缓冲装置的作用下活塞的运动速度 (t)与气隙X(t)之间的关系为：m[ (t)] -mu0 2[Xo- (t)](FFf)0(8)即：(f)：/VoZm-2[XoX(t)](FF，) (9)式中：F为电磁力，且 F J7v2 。[i(t)]同理，可得气缸在没有加装电磁缓冲装置时活塞的运动速度 ( )与气隙 (t)之间的关系为：( )：N/-VoZm--2F-f[Xo-X (t)] (1。)式中：m为活塞杆和负载的质量； 为活塞杆和负载运动时所受到的阻力； 。为活塞在电磁缓冲装置未工作时的运动速度；Xo为电磁缓冲装置刚开始工作时气隙的长度。

(2)当气缸两端和活塞都加装电磁螺管线圈时，计算活塞所受到的作用力 F可利用式 (11)进行积分计算 (此处被求磁体的自场暂不考虑) 。

F 0PlP2r1 r2Ar1Ar2×In(klk2)cos0d0 (11)式中：r 、r 分别为两个螺管磁体的半径；△r 、△r，分别为两个螺管磁体的绕组厚度；P。、P：分别为两个螺管磁体的电流密度；z 、z 为两个螺管磁体的长度；a为两个螺管磁体近端面之间的距离。且有： 兰 (12)(口z1) -0-z1： - 兰 - (13)p(aZ2) -口-Z2P rl r2 -2rlr2cosO (14)ZaZ1Z2 (15)上式为两个同轴薄壁螺管磁体之间的单积分形式的计算公式；对于厚壁螺管磁体的情况，可将每个磁体分割成足够多的薄壁螺管磁体然后两两计算并叠加 。

(3)不管气缸的两端和活塞加装的是电磁螺管线圈还是永磁材料，都可根据电磁理论的虚功原理来计算电磁力F 。其实使用虚功原理求解电磁力就是求电磁能量对活塞产生的位移。电磁能量计算公式 ： (IfIB×dH)dV (16)则物体在位移z方向上受到的电磁力F为 ：F ( × ) ( ×dH)/dV(17)式中： 为电磁能量；V为被求磁力物体的体积；为磁场强度，且H：B 。。

3 计算实例已知空气中的导磁系数 。4vr×10- wb/Am；线圈匝数Nl0 000匝；铁芯截面积 S0.008 m ；电磁螺管线圈所通电流i(t)10 A；活塞杆和负载的质量 m15 kg；活塞杆和负载运动时所受到的阻力F 150 N；活塞在电磁缓冲装置未工作时的运动速度 10 m/s；电磁缓冲装置刚开始工作时的气隙长度 0.3 m。

第 1期 吴健兴 等 ：气缸电磁缓冲装置的研究 ·69·根据式(4)可得活塞所受到的电磁力 F与气隙(t)之间的关系曲线，如图3所示。从图3可以看出，随着气隙X(t)的减蓄塞受到的电磁力 F不断地增大。

由式 (9)和 (1o)可得活塞的运动速度 ( )与气隙X(t)之间的关系曲线，如图4所示。同时，由图4可知，当气缸加装电磁缓冲装置时，活塞的运动速度在缓冲装置的作用下迅速减小到零；而当气缸未加装电磁缓冲装置时，活塞的运动速度几乎没有发生改变。

16l4Z 12lo-R 8撵 6脚 4200.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3气IRX/m重嘉螺图3 电磁力与气隙之 图4 活塞速度与气隙间的关系曲线 之间的关系曲线4 结论(1)从图3和4可知，该电磁缓冲装置能有效避免活塞与气缸端盖发生硬冲击而造成气缸的损坏。

(2)该电磁缓冲装置是-种非接触的缓冲装置，对它的研究还处于起步阶段，在其结构和电磁方面还有许多问题需要更加深入的研究。

(3)文中对电磁缓冲装置的基本结构和工作原理进行了分析研究，建立了其电磁力与运动的数学模型，为今后的进-步研究提供了借鉴和参考。