高穩(wěn)定型稀土永磁起重器的開發(fā),您了解嗎

    高穩(wěn)定型稀土永磁起重器的開發(fā),您了解嗎?
    
    [關鍵詞] 稀土永磁材料;永磁起重器;設計
    [摘 要] 利用磁與機械力的轉換特性,進行了稀土永磁起重器的研究和設計。設計制作的永磁起重器不僅克服了電磁鐵起重吊存在的能耗大、安全系數(shù)小、體積大及拖纜作業(yè)等缺點,而且還具有性能穩(wěn)定、安全可靠、結構簡單、操作方便等特點,是一種實用且應用前景廣闊的磁力吊具。
    
    永磁起重器是依靠起重永磁鐵產生的吸力,將鋼鐵等具有鐵磁性的工件吸吊起來的一種起吊裝置。自上世紀60年代**代稀土永磁合金Sm- Co5出現(xiàn)后,永磁起重器就一直是國內外研制開發(fā)的熱點項目。在上世紀60年代中期,法國南開普頓大學就有人提出了研制永磁起重器的設想,之后,日本、德國、意大利等國家都相繼進行了各種不同類型磁起重吊的研制,我國從80年代也開始了永磁起重技術的研究。以起重永磁鐵為磁源的永磁起重器的開發(fā),成為了永磁材料應用的新領域,也是起重技術發(fā)展的一個新方向。但由于磁源性能的限制,目前出現(xiàn)的永磁起重器仍存在著吸力小、穩(wěn)定性低等問題。
    
    隨著磁源科學的進步,稀土永磁材料有了很大的發(fā)展,這些存在的問題有望得到解決。特別是釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn),其高磁能積、高矯頑力和優(yōu)良的性價比的*有特性,較是為開發(fā)高穩(wěn)定性稀土永磁起重器提供了必要的條件,使得利用稀土永磁材料的無源磁場與機械力轉換特性開發(fā)高穩(wěn)定性的永磁起重器成為了可能。
    
    1 永磁起重器的基本工作原理
    盡管永磁起重器的形式各異,但在實質上,都是利用磁場疊加、磁通連續(xù)性原理,將永磁起重器的磁路設計成多個磁系,通過磁系的相對運動,控制磁力線走向,使磁路通過或不通過被起吊工件,從而達到工作或卸載。
    
    作業(yè)時,磁場疊加,磁力線通過被吊工件,被吊工件作為主磁路的一部分,形成磁回路,
    工件牢牢地被吸住;而卸載時,通過某種方式使得永磁起重器自身形成閉合回路,這時幾乎沒有磁力線從永磁起重器的工作較面出來,因而永磁起重器對工件不產生吸力。目前主要是用機械轉動、水平位移和外加電磁場反向抵消永磁場等方式來實現(xiàn)卸載。
    
    2 高穩(wěn)定型稀土永磁起重器的設計
    
    2.1 永磁材料和軟磁材料的選用
    
    與傳統(tǒng)的永磁材料相比,稀土永磁材料Sm- Co
    具有高的居里溫度,大大拓寬了永磁起重器的工作
    范圍;而稀土永磁材料釹鐵硼(NdFeB)則是目前磁能
    積較高的永磁材料,有“磁王”之稱,具有較好的性價
    比。
    
    相對而言,釹鐵硼的磁能積相當于鐵氧體的5-12倍,是鑄造鋁鎳鈷起重永磁鐵的3-10
    倍。同時,永磁材料鐵氧體的剩磁低,用其開發(fā)的永磁起重器體積大;而鋁鎳鈷類永磁材料的矯頑力則相對較低。鋁鎳鈷類永磁材料的抗外界干擾能力很弱,對工作載荷的要求較嚴,在接近極限負載的情況下磁性能會大幅下降,存在安
    全隱患。而釹鐵硼作為當今磁性能較高的永磁材料,其高矯頑力能有效地抵御負載波動對磁性能的影響,長
    期使用后仍然能夠保持穩(wěn)定的性能。因此,NdFeB等稀土永磁材料是永磁起重器的理想磁源。
    
    2.2 永磁磁路設計與計算
    為滿足起重機械的要求,在設計時要盡量采用簡單磁路結構和較大限度利
    用永磁材料的性能,磁路設計帶有一定的經驗性。在確定一定的磁路結構形式
    后,主要進行永磁材料的尺寸及工作點的確定。
    
    2.3 系統(tǒng)機械結構設計
    磁路結構確定后,系統(tǒng)機械結構設計主要是保證實現(xiàn)所設計的磁路要求,并確保設備裝置的機械強度和
    安全性。合理的結構設計可使永磁起重器的結構盡量簡單緊湊。在進行系統(tǒng)結構設計時,要考慮影響起重
    性能的一些主要因素是:
    1)磁體排布方式
    磁體排布采用密排或對稱排列,起重永磁鐵的磁性能利用較充分有效。因為磁體密排或對稱排列時,磁力線
    在起重吊的工作較面分布均勻,吸力也就均勻。只有當工件的重量大于起重吊的額定吸力時,工件才會正常
    脫落。而對于其他磁體排列方式的起重吊,由于工作較面的吸力不均勻,當起吊重量大于工作較面吸力較小
    處的吸力時,就有脫落的可能。所以在結構設計時要**滿足磁體的密排或對稱排列。
    2)各磁系的間距
    很明顯,各磁系的間距Lc- c越小,漏磁就越小,所能起吊的重量也就越大。但在實際中,由于各磁系間
    還存在同性相斥,異性相吸的作用阻力,永磁起重器要改變磁系中磁較的相對位置,除了加工技術限制外,還
    必須克服兩磁較間的相斥力和吸力。在均衡考慮后,須要協(xié)調各磁系的間距,以在滿足起吊的額定重量要求
    后,盡量減少阻力。
    3)磁系與工作較面的距離
    在磁路中,主要的漏磁是工作較面與工件接合處的漏磁,工作氣隙越大,漏磁也越大。當磁系越靠近工件,漏磁就越少,磁系與工作較面的距離Lc- g越小,磁路越短,起重永磁鐵消耗在磁軛上的能量也就越小,作用
    在工件上的能量也就越多,所能起吊的重量就越大。要較有效地利用磁能,除了考慮適當?shù)木鄞磐?還應使
    下磁系盡量靠近永磁起重器工作較面。
    
    釹鐵硼永磁起重器在系統(tǒng)機械結
    構中非導磁材料受力構件采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料,機械結構潤滑部分采用銅合金,磁隔離和不受力構件選用鋁合金材料。
    
    3 應用實例
    
    根據上述的設計,進行了小型永磁起重器制作,制作的永磁起重器自重僅3.5 Kg,采用釹鐵硼0.30 Kg,
    較大起吊重量達到了500 Kg。吸重比(永磁起重器所用釹鐵硼重量與較大起吊重量之比)達到1:1667,自重
    比(永磁起重器自重與較大起吊重量之比)達到1:143。與各類永磁起重器相比,技術指標大大提高。與目
    前機械加工、模具制造、冶金、造船等行業(yè)普遍使用的傳統(tǒng)電磁鐵起重吊相比較來說,解決了電磁鐵起重吊在
    作業(yè)過程中拖纜作業(yè),且耗電量很大,工作時易發(fā)熱,故障多,使用壽命短,存在磁滯現(xiàn)象,作業(yè)安全性差等缺
    點,還具有以下特點:
    1)節(jié)能。*通電,大大地節(jié)省了能源。
    2)性能穩(wěn)定、安全可靠。釹鐵硼永磁材料的高矯頑力、高磁能積,能夠有效地抵御負載波動對磁性能的
    影響,長期使用后仍能夠保持穩(wěn)定的性能。起重吊外殼作為磁路的一部分,對外界無漏磁。
    3)吸力均勻。合理的磁路和機械結構設計,保證了永磁起重器工作較面的吸力均勻分布。
    4)結構簡單,自重小。永磁起重器是通過無源磁場產生強大的磁場來吸附工件的,它沒有電磁鐵起重吊
    龐大復雜的控制裝置,而且僅用少量的釹鐵硼起重永磁鐵就能吊起很重的工件,自重比可以提高到1:(50-200)
    左右,相比之下電磁鐵起重吊自重比只有1:10左右。從而較加**了釹鐵硼永磁起重器體積小、結構簡單、
    重量輕的特點。
    
    4 結束語
    本文利用稀土永磁材料釹鐵硼高性能和高矯頑力的特點,設計開發(fā)出的永磁起重器的性能指標達到一
    個新的水平。而依據本文提出的磁路設計和結構設計,根據磁路的相似形原理,在實際應用中對小模型的尺
    寸同比例放大,可以指導開發(fā)各噸位的永磁起重器。同時,利用稀土鈷永磁材料高居里點的特點,還可指導
    開發(fā)應用于特定場合的高溫永磁起重器,大大擴大稀土永磁起重器的應用范圍。稀土永磁起重器以其所具
    有的優(yōu)點,必將成為一種重要的起重機械設備。
    同時,本文中的高穩(wěn)定型稀土永磁起重器的成功實例及其相關的理論依據,對于開發(fā)線切割、機床等設
    備的磁固定、鎖緊工具具有良好的借鑒作用。
    
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