張姍，王儉，馮成，王寧

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽重型電站設(shè)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?，F(xiàn)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(jié)省殼內(nèi)空間，壓力可調(diào)等優(yōu)點，但存在制造成本高，漏油等缺點。彈簧加載裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低等優(yōu)點，但存在彈簧材料磨損較快等缺點[1]。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得生產(chǎn)過程中自動化、機械化程度的有明顯的提高，電磁鐵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡單、經(jīng)濟性能高、吸力大、無油氣污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于液壓傳動、氣壓傳動、自動控制等領(lǐng)域，并在其中起著重要作用[2]。

在了解現(xiàn)有磨煤機的工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)磨煤機的技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計一種磨煤機加載裝置用電磁鐵。

2 電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁鐵是一種把電磁能轉(zhuǎn)換為機械能的電磁器件。在通電線圈產(chǎn)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(fā)熱方程勢是電磁鐵設(shè)計中主要應(yīng)用的公式。設(shè)計電磁鐵常采用經(jīng)驗公式與電磁場仿真軟件相結(jié)合的方法，將經(jīng)驗公式確定出電磁鐵初步計算參數(shù)，然后對無法用經(jīng)驗公式確定的參數(shù)進行參數(shù)化仿真分析，這種方法在含有電磁機構(gòu)[6]和永磁機構(gòu)[7]開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中廣泛應(yīng)用。

2.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)選擇

本文設(shè)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(shè)計的電磁鐵能產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)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(nèi)其溫升已經(jīng)達(dá)到其穩(wěn)定溫升，電磁鐵材料損耗和功耗較大。考慮到節(jié)省電能的要求，設(shè)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(tài)。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(jié)構(gòu)參數(shù)計算

跟據(jù)麥克斯韋爾公式，圓盤形的電磁鐵內(nèi)、外兩磁極間產(chǎn)生的吸力之和∑F為:

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

由通過內(nèi)磁極和外磁極工作氣隙的磁通基本相等原則，設(shè)極靴的面積比為Kj，其值一般在0.5～0.7之間，設(shè)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(nèi)極靴Sj2和外極靴Sj1的面積以及內(nèi)極靴半徑Rj1。

鐵心半徑Rc的選擇與內(nèi)極靴比值τ1有關(guān)，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(dǎo)磁結(jié)構(gòu)部分消耗的磁勢，消耗在電磁鐵各個導(dǎo)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(dǎo)線的電阻率，k為線圈的散熱系數(shù)，f為線圈的填充系數(shù)，θf為電磁鐵溫升。

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

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，需在內(nèi)極靴內(nèi)側(cè)鐵心套上一隔磁板，該隔磁材料厚度初步設(shè)計為2cm。銜鐵厚度內(nèi)磁極厚度L1應(yīng)滿足

根據(jù)圓周側(cè)面磁密與鐵心端部磁密相等的原則，可以推論出內(nèi)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(nèi)徑Rj22的大小為:

吸合時僅靠永磁維持吸合狀態(tài)，將永磁體添加在電磁鐵靜鐵心內(nèi)磁極，選用的永磁鐵為釹鐵硼永磁鐵，為線性永磁，回復(fù)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(dǎo)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(nèi)磁極直徑的比值，Br為永磁材料的剩余磁密。

線圈采用銅導(dǎo)線，故導(dǎo)線截面積Sd為

式中，ρ為銅導(dǎo)線在105℃時的電阻系數(shù)，U為設(shè)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(nèi)徑和外徑。線圈采用馬步式纏繞。

圖2 導(dǎo)線直徑與線圈寬度的幾何關(guān)系

因此線圈總匝數(shù)N為

式中，N1為每層線圈匝數(shù)，N2為線圈層數(shù)。

經(jīng)過反復(fù)試算，可得到電磁鐵的初步結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 盤式永磁電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 材料的選擇

電工純鐵因其磁感應(yīng)強度高、初始磁導(dǎo)率高、矯頑力低等優(yōu)點，而且材料易制備，價格低廉，廣泛用于電磁閥，繼電器等產(chǎn)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(jié)永磁體釹鐵硼N35SH。

表2 其性能和物理參數(shù)

3 電磁鐵建模與仿真

在解決工程電磁領(lǐng)域的問題時，電磁場有限元仿真軟件Ansoft Maxwell是應(yīng)用廣泛的有限元軟件之一，應(yīng)用仿真軟件的靜態(tài)求解器對設(shè)計出的盤式電磁鐵進行靜態(tài)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(shè)定，網(wǎng)絡(luò)剖分，求解以及后處理。

3.1 電磁鐵建模

設(shè)計的盤式永磁電磁鐵在空間內(nèi)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(biāo)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(dāng)電磁鐵吸合時，僅靠永磁材料維持吸合狀態(tài)，此時線圈電流不需要設(shè)置；當(dāng)電磁鐵處于最大氣隙時，需要在線圈上添加勵磁電流。

在網(wǎng)格剖分時，為提高計算精度，可將網(wǎng)格剖分時可細(xì)密一點，設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)單元的最大邊長為2cm。電磁鐵的仿真模型和網(wǎng)絡(luò)剖分如圖3所示。

圖3 電磁鐵仿真模型和網(wǎng)絡(luò)剖分

3.2 材料的添加

根據(jù)電磁鐵設(shè)計規(guī)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(dǎo)磁材料，可選擇軟件材料庫中的AL_N；永磁材料N35SH根據(jù)物理參數(shù)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(jù)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(shè)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(jié)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(chǎn)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(shù)進行仿真分析，為合理設(shè)計電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。

(1)永磁體尺寸對電磁鐵靜態(tài)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(huán)，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在電磁鐵工作行程最大位置時，永磁材料產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)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(yīng)強度分析

對參數(shù)化分析后的電磁鐵重新進行仿真計算，仿真結(jié)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(chǎn)生的電磁吸力的仿真值為36.4kN，基本滿足設(shè)計要求，其磁感應(yīng)云圖如圖9所示。

圖9 電磁鐵磁感應(yīng)分布云圖

由圖9中可以看出，電磁鐵各導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)均為達(dá)到電工純鐵的飽和磁感應(yīng)強度2.15T，滿足內(nèi)磁極和外磁極磁通良好的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)學(xué)模型和有限元分析，設(shè)計了一種磨煤機用的電磁鐵。仿真結(jié)果表明，該電磁鐵的靜態(tài)吸力能夠滿足磨煤機所需加載力的要求。與現(xiàn)有液壓加載裝置相比，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，經(jīng)濟性高；與彈簧裝置相比，材料磨損更小。