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磁性磨粒光整加工中电控永磁部件的设计与仿真

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第 10期2013年 10月机 械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture 175磁性磨粒光整加工中电控永磁部件的设计与仿真郭瑾玉,杨胜强,李文辉(太原理工大学 机械工程学院,山西 太原 030024)摘 要:磁场形成部件是磁性磨粒光整加工设备的核心部件 ,用于在加工区域中产生特定大小的磁感应强度,磁化磁性磨粒而形成作用力,加工区域的磁感应强度大小直接影响到工件的加工效果与加工效率。基于电磁源与永磁源分析 ,及电控永磁起重机与电控永磁夹具原理设计了电控永磁磁场形成部件。理论分析计算空气隙的磁感应强度,其磁感应强度大小可通过线圈电流大小控制,加工范围广,能耗低,并通过 ANSYS仿真分析对结果进行了验证。设计了另外几种电控永磁磁路与原方案进行结构对比优化,分析了各种方案的优缺点及其适合的加工场合。

关键词:电控永磁 ;磁场形成部件;磁性磨粒光整加工;仿真中图分类号:TH16;TM723 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2013)10—0175—04Design and Simulation of Electro Permanent Magnet Componentsin Magnetic Abrasive FinishingGUO Jin-yu,YANG Sheng-qiang,LI Wen-hui(Colege of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Shanxi Taiyuan 030024,China)Abstract:Magnetic formation components is the key part in magnetic abrasive finishing,which is used to produce a specifwmagnetic inducti,m intensity in processing re,on.and magnetize magnetic abrasive to fom the~ting force.Magneticinduction strength directly afects the processing effect and processing eficiency of the workpiece.The electronicallycontroled permanent magnetic field forming part is designed based on the analysis of electromagnetic source and permanentsource,and the principle oJ‘electronically controls permanent CF021~$amt the electronically controls permanent fixture.Themagnetic induction intensity ofair gap is calculated through theoretical analysis,which Can be controled through the coilcurent,and it’S processing range is wide,energy consumption is low.The results are verifed through ANSYS simulationanalysis.Several other magnetic circuit of electric control permanent magnetic fieldformed member is designed to comparewith the originalprogram structure,and analyze the adv~tages and disadvantages ofthe various programs and the occasionsofappropriate processing.

Key W ords:Electro Permanent M agnet;M agnetic Field Formation Components;M agnetic Abrasive Finishing;Simulation1引言20世纪70年代初,意大利某公司发明了由电信号控制的电磁和永磁相结合的电永磁系统,又称电控永磁技术I I。经更新与改进,电控永磁装置在钢材起重搬运 、模具加工、机械制造 、电永磁混合悬浮技术等众多领域发展迅速日。目前,意大利某公司用磁差原理制造了电控永磁吸盘,该吸盘采用电脉冲控制,通电时间短,能耗低 ,发热量小,安全系数高,不存在断电失磁引起工件掉落的危险131。2005年,电永磁夹具应用于汽车工业的可重配置制造系统 RMS(Reconfigurable Manufacturing Systems)。我国的电控永磁技术起步较晚,但发展很快 ,如无锡某有限公司、宁波某有限公司、某机械制造有限公司等企业,正在独立或与国外合作研究开发这一技术 。

磁性磨粒光整加工是利用填充于加工间隙中的磁性磨粒,在具有一定大小磁感应强度的磁场中所产生的作用力 ,以及工件和磁极间的相对运动,实现对工件表面光整加工。磁性磨粒光整加工设备的核心部件是磁场形成部件,用于在加工域中产生特定大小的磁感应强度,磁化磁性磨粒而形成作用力[51。

磁场形成部件主要包括电磁源装置与永磁源装置两种[61,电磁源可以产生较大的磁感应强度,而且磁感应强度大小可以通过电流大小控制,但其需要绕组线圈,长时间加工会产生涡流热,使形成部件及工件温度升高,不仅不适合长时间加工,也会影响加工效果,难以在生产中应用。永磁源结构简单、装置轻便 ,较电磁源更节能,但退磁及调整等不方便。借鉴电控永磁这种思来稿 日期:2012—12—14基金项目:国家自然科学基金(51175365);高等学校博士学科点专项科研基金(20111402120003);山西省青年科技研究基金(2011021021-4)作者简介:郭瑾玉,(1986一),女,山西应县人,硕士研究生,主要研究方向:精密表面光整加工176 郭瑾玉等:磁性磨粒光整加工中电控永磁部件的设计与仿真 第 l0期路,提出电控永磁磁场形成部件的设计方法,并进行 r有限元模拟仿真验证。

2电控永磁磁场形成部件的工作原理和实现方案2.1电控永磁磁场形成部件的工作原理电控永磁磁场形成部件的 作原理同 ,如图 1所示。主磁体4由高矫顽力的永磁材料如钕铁硼构成,如图 1(a)所示。镶嵌在磁轭 2中。可逆磁体 5一般用中等矫顽力的铝镍钴材料构成。

当励磁线圈6不受激励或受正向激励后,可逆磁体 5极性方向,如图 1(a)所示。 则主磁体和可逆磁体都有磁通从 N极出发经T件 1和磁轭 2,3回到各自的 S极,’T:件处于较高的磁场中进行磁性磨粒加T。

当励磁线圈 6受一定的负向激励后, 逆磁体5极性方向,如图 1(b)所示。则主磁体 4的磁通由N极?发经磁轭 2进入可逆磁体5的S极,冉由N极出来 ,通过磁轭 剑主磁体 4的 S极,丁件 1并无磁通通过,凶而退磁,实现了磁短路。在退磁过程中,励磁线圈的磁化力对于主磁体也有退磁的作用,闪此,这个磁化力必须保证可逆磁体的反向极化,同时,主磁体还不得退磁。

I I?一L? ll IL L Jl(a)T作状态 (b)退磁状态I.1 件 2、3磁轭 4.主磁体 5.可逆磁体 6.线圈 7.空气隙图 l电控永磁磁场形成部件 作原理Fig.1 The Working Principle of Electric ControlPermanen!Magnetic Field Formed Pans2_2电控永磁磁场形成部件的理论计算图 l的等效电路图,如图 2所示。磁路的计算可以类似电路,对于并联磁路,磁体磁势不变,而磁通相加 。

图 2等效电路网Fig.2 Equivalent Circuit Diagram在磁路中,磁通 类似于电流,,所以根据磁路欧姆定律得:r 。= + (1)+ R^6=日2 2+Ⅳ, (2)尺 +?
R = lLl (3)式中:R R 一R一模 各部分磁阻和,且R=L/(IJa);=曰 , =B,S , = 2S厂 各磁路磁通量;K厂_磁路的漏磁系数 跟磁路的具体结构与尺寸有关;B 一主磁体在_1 作点处的磁通密度;曰厂 可逆磁体在1一作点处的磁通密度;H 一主磁体在lr作点处, : 的磁场强度;,J 一长度;f一可逆磁体在 I 作点处产 的磁场强度;厂 其长度。

为了设计最佳磁路,需使主磁体lr作在最大磁能积处。在满足此条件下,寻找最佳的主磁体 扣r逆磁体的尺寸。

若已知模型各部分的材料及』 寸及漏磁系数,则可通过上面的方程组计算f}IR ㈩ ‘
“ K R R +R R + ,R 、可计算~11:区域的磁感心强J王[:Bx
= g 0512.3电控永磁磁场形成部件的实现方案电控永磁磁场形成部件模型,如l皋1 3(a)所示。空气隙与工件的放大图,如图3(1,)所示 、(a)模型整体 (b)空气隙与— 件的放大图1磁性 I 什 2、3.磁轭 4.钕铁硼磁体 5.铝镍钻磁体6哉 圈 7.夺气隙图3电控永磁磁场形成部件Fig.3 Ele~’ontrol Pcrnlanelfl[Magnetic Field Formed Pans3电控永磁磁场形成部件的ANSYS仿真3.1不加电流时/jn-r区域的磁感应强度分布不加电流时,加 域的磁感应强度云图及沿图示路径 ,J与,J 的磁感应强度分布情况 ,如 4所永。由图4可知不加电流时,平行一r:件方向的磁感应强度 l-4l7T以上,穿过T件的磁感应强度在 lr以 L。

(a) 0时 气隙的磁感应强度云图NO.100ct.201 3 机械 设 计 与制 造 177Ilff/fl {\ 厂 、 /\I. j . 一 /0 8 1.6 2 4 3.2 44 l 2 2 2.8 3 6(b)沿图(a)路径 L的磁感应强度/ ?、 ,\ , /\ — / 44 132 2.2 3.08 3.96×lO {一2(c )i=O空气隙与 】 什的磁感心强度×10 一24(d)沿图(c)路径L 的磁感应强度图4不加电流时加 I 域的磁感应强度分市Fig.4 Magnetic Induction Intensity Distributionin Processing Area Without Current3.2加正向电流激励空气隙的磁感应强度分布3.163.O9530342.9732.9122.85l2.792.7292.6682.6072.546/ /fJ 。 、, \ \/ \ | \ |’ \/ L 一』 L, / \/ \/f4 2.8 3.6(a)沿网4(a)路径 £ 的磁感应强度×l0**-2/ 7、\ ,\ / 、 ~ — / xlO十*-20 .88 1.76 2 64 3.52 4.444 l32 2.2 3.08 3 96(I )沿图4(c)路径L 的磁感应强度罔5 7.8A时加工区域的磁感应强度分布Fig.5 Magnetic Induction Intensity Distributionin Processing Area While i=7.8A加正向电流激励( =7.8A)时,加T区域沿图4路径 ,J与 的磁感应强度分布情况,如图 5所示。由图5可知,加正向电流时,平行T件方向的磁感应强度在 2.13lT以上,穿过_l:件的磁感应强度在2.546T以J ,加工区域的磁感应强度有明 增强。

3.3加反向电流激励时整体与空气隙的磁感应强度分布×l0 -31,、l f \ / 、/ ‘| f \ , \/ . f L 一| \『 、J \\\× l0} 一34 I 2 2 2.8 3.6(a)沿陶4(a)路径L的磁感应强度— 、 、 、 \ \ \ / \ \f 、 、、、、|\{44 1.32 2.2 3.08 3.96× l0 {一2x10 *-24(1 )沿图4(c)路径 ,J 的磁感应强度图 6 i=-7.8A时加工Ⅸ域的磁感应强度分邗Fig.6 Magnetic Induction Intensity DistributionProcessing Area While 一7.8A加反向电流激励( 7.8A)时。al1.T-K域沿图4路径 ,J与 L 的磁感应强度分布情况,如图 6所示。Fh图6可知,加反向电流时,178 机械设计与制造No.Ict.20l3平行T件方向的磁感应强度低于 I 8Gs,穿过 1 件的磁感应强度低于20Gs,加 【 域的磁感应强度大幅度降低。

4方案对比基于上面方案的_r:作原理,义捉j}J lr一种结构史为简单的方案进行对比,如罔7所示。

(a)电控永磁磁场形成郎什方案(I,)i=0时空 t隙的做迎密度矢量(c l7时夺气隙的磁通密度矢 齄1.磁· I:什 2.钕铁硼磁体 3、5.磁轭 4.线圈 6.空气隙冈7 U控永磁磁场形成部件及空气隙的磁通 密度_久馈Fig.7 The Magnetic Flux of Ele(’frie Cnntml Pet manent MagnetMagneth,Fieh:l Formed Parts ar the Ah’Gap磁场形成部件:r作时线陶尤电流.如图7(h)所示。宅气隙的磁感成强度平均可达 rr,线罔电流为 17A时, 气隙的磁感应强度达刨最小.如 7(c)所示。与阿面方案相比,结构简单,漏磁较少, 于钕铁硼磁体矫顽力较大,要达到磁短路的效果,所需线圈电流较大。

5结束语磁场形成部件所需的磁感应强度 一般取(O.6~1.4)T左右[51,通过 I 的模拟可知,电控永磁磁场形成部件完全町以满足此要求,l 什 T 作时断电,需退磁时通电,通电He1司短,能耗低 ,发热垃小.通合高频率,长时li~Jfl',J:JH丁环境。 且通过施加正向电流激励能提『岛磁感应强度,n丁以大l隔度提高] 作效率。

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