屠 海，孫彥軍，趙 杰，張永強，張海濤

(甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 前言

電永磁起重機是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設備，在國民經(jīng)濟高速發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，隨著起重和吊裝需求的不斷升級,在確保磁力起重安全的基礎(chǔ)上，人們對吊裝自動化、智能化、精細化等的要求也在不斷提高[1]。在傳統(tǒng)的港口起重、冶金軋鋼等行業(yè)中，起重電磁鐵具有技術(shù)成熟、適用范圍廣、效率高等優(yōu)點，但存在能耗大、安全性差、使用壽命短、維修不便等缺點[2]。

而電永磁技術(shù)在電永磁起重機中起著重要作用，其利用一種強磁材料代替電磁鐵完成鐵磁性工件的吸重、卸重工作，多年來一直是國內(nèi)外研究者的研究熱點，這種技術(shù)有效保證作業(yè)安全，對節(jié)能減排和經(jīng)濟發(fā)展有著重要影響[3]。與傳統(tǒng)的電磁起重技術(shù)相比，電永磁起重技術(shù)具有諸多特點：節(jié)能；性能穩(wěn)定、可靠、安全；結(jié)構(gòu)簡單，吸力均勻；吸重比高。因此，以強磁性材料為磁源完成吸附工件任務的電永磁起重機有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文主要圍繞電永磁起重機工作原理、材料選取、磁力吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進以及控制技術(shù)這四個方面進行介紹。

1 電永磁起重機工作原理

電永磁起重機是一種搬移鐵磁性工件的裝置，其磁源為強磁性材料，與電磁起重機的通電吸重、斷電卸重相比，電永磁起重機在工作周期內(nèi)不需要通電。其工作原理為：

吸重時，將鐵磁性被吸物放置在磁力作用范圍內(nèi)，依靠永磁體材料產(chǎn)生一定的磁力，將被吸物吸附到永磁鐵上；卸重時，可分為兩類：

(1)依靠外力使磁力線不通過被吸物，使被吸物脫離磁力作用范圍，完成卸重；

(2)通過磁路設計使工作磁極上的磁場減弱，直到磁力減小到一定程度，實現(xiàn)被吸物與永磁鐵的分離。

因此，根據(jù)卸重原理的不同，電永磁起重機分為強迫式電永磁起重機和磁路自閉合式電永磁起重機[4]。

1.1 強迫式電永磁起重機的工作原理

一般情況下，隨著距離的增大，任何作用(磁、力、聲等)都會衰減。針對磁鐵而言，當被吸物超出磁鐵的作用范圍后，磁鐵對作用物的磁力減小，被吸物可以掙脫磁鐵的作用。如圖1所示為強迫式吸重原理，強迫式卸重如圖2所示。

圖1 強迫式吸重原理

圖2 強迫式卸重原理

電永磁起重機工作時，永磁鐵與鐵磁性工件(被吸物)接觸，磁力線經(jīng)過工件，完成吸重工作，如圖1所示；當永磁體距離鐵磁性工件較遠時，由于兩者之間的距離比較大，使磁力線根本不通過工件，使得永磁體對工件的磁吸力大幅衰減，工件從永磁體的磁力范圍內(nèi)脫離，完成卸重工作，如圖2所示。因為這種卸重方式是通過外力的作用，使永磁體和被吸物之間的距離增大，磁力減小，實現(xiàn)卸重這一任務，因此將這種卸重方式稱為強迫式卸重。

1.2 磁路自閉合式電永磁起重機的工作原理

在磁場中，磁力線以無形的方式存在，其所經(jīng)過的全部路徑，被稱為磁路。當磁力線從永磁體的N極開始，經(jīng)過導磁體，到達鐵磁性工件，再通過鐵磁性工件回到永磁體S級，形成完整回路，對外顯示磁性，可吸附工件；當需要卸重時，磁力線從永磁鐵出發(fā)，經(jīng)過另一部分磁鐵，并與其產(chǎn)生閉合回路，對外不顯示磁性，使工件不受磁力作用，完成卸重工作。根據(jù)該原理，有兩種可變換磁路的的永磁動態(tài)磁路，分別為平移式動態(tài)磁路[5,6]和動式動態(tài)磁路[7-9]。

(1)平移式動態(tài)磁路的工作原理：該部分的磁力系統(tǒng)分為上下兩部分，當下磁系統(tǒng)和上磁系統(tǒng)中的永磁鐵的磁極方向相同時，如圖3所示，上下兩部分磁力系統(tǒng)的磁場疊加，使得永磁鐵對鐵磁性工件有吸引作用，完成吸重工作；當上磁系統(tǒng)和下磁系統(tǒng)的磁極方向相反時，如圖4所示，上下兩部分磁力系統(tǒng)相抵，磁路自閉合，對工件的磁力減小，完成卸重任務。

圖3 平移式動態(tài)磁路吸重

圖4 平移式動態(tài)磁路卸重

(2)轉(zhuǎn)動式動態(tài)磁路的工作原理：當永磁鐵位置水平時，如圖5所示，磁力線經(jīng)過導磁體到達工件，形成閉合回路，完成吸重任務；當永磁體旋轉(zhuǎn)一定角度，與工件垂直時，如圖6所示，磁力線在導磁體內(nèi)閉合，對外不顯示磁性，從而完成卸重任務。

圖5 轉(zhuǎn)動式動態(tài)磁路吸重

圖6 轉(zhuǎn)動式動態(tài)磁路卸重

2 起重電永磁的材料選取

2.1 磁性材料的選取

能使磁場形成的材料為磁性材料，一般來說磁路中對磁材料的要求有3點：

(1)材料具有良好的磁性，可以產(chǎn)生較強且穩(wěn)定的磁場。隨著時間的增長，該材料產(chǎn)生的磁場不會受環(huán)境的改變、偶然的振動和溫度的升降等影響，仍然保持不變或變化較小。

(2)該材料有一定的機械強度，在機械加工過程中不會變形，同時對其形狀和漏磁也有要求。

(3)性價比較高，使電永磁起重機的造價不至于太高。

目前磁性材料分為硬磁材料、半硬磁材料、軟磁材料、磁致伸縮材料和磁性薄膜等，硬磁材料和軟磁材料在工業(yè)領(lǐng)域應用比較廣泛。硬磁材料和軟磁材料主要的區(qū)別是，硬磁材料矯頑力Hc比較高，在達到飽和磁化狀態(tài)時，需要強度更高的外加磁化場，而且其磁滯回線面積大，撤去外加磁場之后，這種材料在長期內(nèi)可維持較強磁性，因此硬磁材料又稱永磁材料。而軟磁材料與硬磁材料相比，矯頑力Hc低，達到飽和磁化狀態(tài)并去掉磁場后，它很容易退磁。

起重電永磁的磁路主要由磁鋼和磁軛組成。電永磁需要提高氣隙磁感應強度來提高吸附力，而且還要滿足盡可能小的體積這一設計要求，增加其吸重比。而磁吸力的來源就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的磁鋼，為了盡可能將吸重比提高，應該選取磁滯回線面積大的硬磁材料。磁軛在磁場磁路中主要起導磁作用，要滿足退磁后的剩磁幾乎為零這一設計要求，使磁損率減小，因此磁軛部分選取軟磁材料較好。

2.1.1 永磁材料選取

永磁材料主要由鑄造永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料和其它永磁材料等四大類組成，性能見表1。

不可逆磁鋼的選用原則：剩磁高、磁能積大，而且充分考慮了其在工作過程中地磁性能不易受外界環(huán)境的干擾，即矯頑力大等因素。根據(jù)表1中不同永磁材料性能的比較，綜合考慮材料的磁性能參數(shù)與價格，由于稀土永磁材料燒結(jié)Nd-Fe-B系永磁的組成成分中沒有鈷和鎳等戰(zhàn)略金屬，市場的價格較為便宜，而且型號較多，應用廣泛，因此稀土永磁材料燒結(jié)Nd-Fe-B系永磁的綜合性能較好?？赡娲配摰倪x用原則：剩磁高、磁能積大，與不可逆磁鋼相比，其工作過程中磁化強度易于改變，即矯頑力較小，磁滯回線相對較窄。根據(jù)表1，綜合考慮材料的磁性能參數(shù)與價格，得出可逆磁鋼中鑄造永磁材料AlNiCo系永磁的綜合性能較好。故目前永磁體選用的磁性材料為磁性能最高的釹鐵硼永磁體[10]。

表1 永磁材料的性能

2.1.2 軟磁材料選取

磁軛包括盤體和磁極塊，其作為起重電永磁中重要的組成部分，對磁路具有重要作用，將磁力線從永磁體中導出到工件上以形成閉合回路。為了減少磁能的損失，在選擇磁軛材料時也有一定的要求：材料應該滿足飽和磁通密度大，使得在同樣的條件下使用的材料較少；磁導率大，有效減少磁阻，減少磁能的消耗；而矯頑力小可使材料剩磁少，使工件容易卸載。

考慮磁軛的材料一般為軟磁材料。軟磁材料在外加磁場低于一定值時，自身開始被磁化，具有這種特性的材料成為軟磁體。性能較好的軟磁材料，能夠借助較小的外磁場達到最高的磁化水平，而且有低矯頑力、低剩磁、高磁導率和高飽和磁感應強度等特性。目前軟磁材料種類較多，其中鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵應用最為廣泛，常用的軟磁材料性能見表2。

表2 常用軟磁材料的性能

根據(jù)表2，Mn-Zn鐵氧體電阻率高，電導率低，當吸盤改變磁力時，使渦流損耗增加，因此該材料作為磁軛材料時不利于完成吸附工作。根據(jù)選取原則結(jié)合硬度高、耐磨性好、電阻率高等特點，在表2中給出的材料分析比較綜合性能，選取使電永磁吸盤有較大的磁吸力的材料。

2.2 隔磁材料的選取

為了提高永磁體的利用率并且實現(xiàn)吸重、卸重功能，電永磁起重機處于工作狀態(tài)時，使更多的磁感線穿過工作氣隙，一部分選用軟磁材料作為磁軛，實現(xiàn)導磁的任務；另一部分選取“隔磁材料”，實現(xiàn)屏蔽功能。從理論上講，不存在“隔磁材料”，即磁導率為零，只是把磁導率相對較低的材料稱為隔磁材料[11]。在工業(yè)工程中，與鐵磁性物質(zhì)的高磁導率相比，其他物質(zhì)的相對磁導率幾乎接近空氣的磁導率(近似為1)，差別較小。

環(huán)氧樹脂作為隔磁材料，在傳統(tǒng)的電永磁起重機中應用較多，但考慮到實際工作時，由于模具結(jié)構(gòu)不同，其表面可能會與板料接觸，板料的流動會導致環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)破壞，因此不符合要求。而304型奧氏體不銹鋼的塑性和韌性比較好，制備工藝也相當完備，其作為隔磁材料在電機行業(yè)、核電站等領(lǐng)域中得到了廣泛應用，因此該材料具有良好的隔磁性。

3 磁力吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進

電永磁起重機作為機械吊裝工作的重要設備，其安全性和高效性也一直受到人們的關(guān)注。近年來國內(nèi)外眾多專家學者對其進行了多層次的深入研究，起重機的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，在實際生產(chǎn)作業(yè)中取得了良好的效果。但從總體上來說，電永磁起重機在實際生產(chǎn)作業(yè)中還存在維修難度大、安全性差、噪聲污染大、可靠性低和人工資源浪費的問題。

孫貴軍[12]設計了一種磁力起重滑移機構(gòu)，將一組相同的磁力吊具安裝在橫梁上，通過橫梁柱頂面的凹槽口和鎖緊螺栓進行鎖緊和定位。在實際生產(chǎn)過程中可以調(diào)節(jié)兩個吊具之間的距離，解決了在吸吊過程中吸持物過小過小或者異形無法吸持和吸持不可靠的的問題。兩側(cè)設置當擋板，上方開孔，使其可以自由選擇連接橫梁柱、鋼絲繩或者起重用掛鉤。其結(jié)構(gòu)簡單，操作安全，操作方便，拓展了其適用范圍，能夠極大提高生產(chǎn)車間的工作效率。

鄭海朋[13]針對吊具下方連接鏈易斷裂而產(chǎn)生的安全問題，設計了一套新的電磁起重器，其主要創(chuàng)新在于在連接板和電磁起重器底座之間增加輔助穩(wěn)定裝置，通過定位彈簧、定位環(huán)和定位柱三者相互配合，在連接板和底座之間出現(xiàn)偏移角度時通過定位彈簧的反作用力進行緩沖，從而抵消部分沖擊，減小電磁吊具整體的晃動幅度，延長了連接鏈的使用壽命，保證了在起吊過程中的安全性，避免了因為連接鏈斷裂造成工件掉落的風險。

陳李果[14]公開了一種安裝有新型磁力吸盤吊具的起重機。該磁力吸盤包括兩個磁極以及彈性件和驅(qū)動件，通過驅(qū)動件實現(xiàn)從消磁到生磁位置的轉(zhuǎn)換，通過彈性件實現(xiàn)從生磁到消磁位置的轉(zhuǎn)換，可以方便地在兩狀態(tài)之間進行切換，不需要單獨設置滑道，減小了拆卸維修的難度，增加了磁鋼的設置空間，從而增大磁性，提高磁力吸盤的負載能力。

過偉南[15]提出了一種具備吹塵除屑功能的磁力吊具方案，在吸盤基座兩側(cè)設置滑動導軌，對稱安裝帶有滑槽的收納座，在收納座上安裝風扇機，在吸吊之前對吸附面進行吹塵除屑，避免在起吊時影響吸持的穩(wěn)定性，同時也避免了勞動力的浪費，提高了工作效率。

朱粵等[16]利用永磁渦流制動的原理，結(jié)合起重機的起升機構(gòu)設計了一種新型永磁渦流防墜落裝置，在起升機構(gòu)無初速度開始墜落和以額定速度超載墜落時實現(xiàn)很好的制動。該裝置不需要外加勵磁電源進行制動，而是利用磁場在相對運動過程中產(chǎn)生的渦流損耗從而達到制動的效果，不僅避免了噪音和磨損，相比于傳統(tǒng)制動方式結(jié)構(gòu)更加緊湊，可靠性更高，而且還具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。但其只進行了軟件仿真模擬，證明了其理論可行性，實際效果還有待驗證。

王俊等[17]針對大型磁力吊只能對平整、大面積物體進行起吊的不足，提出了一種新型磁力吊系統(tǒng)，通過將磁力吊分割成多個獨立電磁鐵，彼此之間沒有影響，能夠各自在驅(qū)動機構(gòu)的控制下獨立調(diào)整自己的位置和姿態(tài)，適用范圍更加廣泛，避免了吸附過程中因鋼板起翹、下凹等原因造成的吸附可靠性較低的問題，同時也可對擺放混亂、個體較小、要求下料有序整齊的場景進行起吊作業(yè)。

楊國鋒等[18]設計了一種簡易型自動起重永磁鐵，由按彈器、永磁鐵和傳動機構(gòu)組成。吸附工作時，吊環(huán)裝置帶動掛鉤下降，將掛鉤與掛耳松開，當?shù)醐h(huán)裝置隨起重裝置上升時，齒條帶動磁極反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生磁場，從而達到吸附效果；相反，卸料過程時，吊環(huán)裝置帶動掛鉤下降，將掛鉤與掛耳互扣，當?shù)醐h(huán)裝置隨起重裝置上升時，齒條帶動磁極反轉(zhuǎn)，磁場消失，從而達到卸料效果。如此即可實現(xiàn)磁力吊具的自動吸附、卸料工作，減輕人工勞動強度。

謝祖榮等[19]針對永磁吸盤的自重，設計了一種能夠依靠自重來改變二磁系(主磁體和可逆磁體)相對位置的永磁吸盤。該設計可通過吸盤自重與利用傳動機構(gòu)上連桿、齒輪間的相互關(guān)聯(lián)，改變永磁吸盤二磁系間的相對位置，進而可達到對工件的自動卸載，從而節(jié)約能量。

4 電永磁起重機的控制技術(shù)

在起重機控制技術(shù)中，交流變頻調(diào)速技術(shù)應用廣泛，其線路簡單，維修方便，保護能力強，可靠性高，是起重機控制技術(shù)的經(jīng)典方向[20]。

林森富等[21]采用基于變頻器控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)采用改變電機供電電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍大，平滑性好，效率高，能給鋼鐵生產(chǎn)單位帶來很大效益。其控制系統(tǒng)功能包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與保存、現(xiàn)場設備手動與自動控制、實時數(shù)據(jù)查詢與分析、人機對話界面顯示、報警功能和報表功能。該系統(tǒng)為車間安全生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支持，極大的提高了企業(yè)效益。

雖然交流變頻調(diào)速技術(shù)應用廣泛，優(yōu)勢眾多，但仍然受到成本等諸多方面的限制。隨著當前時代社會經(jīng)濟與科技的進步，智能化控制系統(tǒng)受到人們的青睞，應用于各行各業(yè)，逐步取代了傳統(tǒng)的電氣控制方式，極大地提高了電磁起重機械的安全性和工作效率。

智能控制技術(shù)由PLC控制技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)、傳感技術(shù)及檢測技術(shù)、現(xiàn)場總線控技術(shù)和HMl技術(shù)組成[22]。

PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置[23]。變頻調(diào)速中的關(guān)鍵控制技術(shù)包括矢量控制技術(shù)、無速度傳感器矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、PWM控制技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、自整定技術(shù)等[24]。傳感技術(shù)就是傳感器的技術(shù)，可以感知周圍環(huán)境或者特殊物質(zhì)，比如氣體感知、光線感知、溫濕度感知、人體感知等，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，給中央處理器處理。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)是由各種現(xiàn)場儀表通過互連與控制室內(nèi)人機界面所組成的系統(tǒng)；人機界面(Human Machine Interaction，簡稱HMI)，又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。

電永磁起重機智能控制系統(tǒng)是由PLC、變頻器、傳感器、控制器等多個環(huán)節(jié)控制的。在起重機智能控制過程中，起重機上安裝的絕對編碼器能準確的獲取當前位置，并將這一信號傳遞給PLC的檢測模塊，再由PLC內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)對其進行調(diào)整。如果檢測到起重機出現(xiàn)問題時，就會自動的使其停止工作。同時，起重機制動控制系統(tǒng)經(jīng)過PLC內(nèi)部的數(shù)學運算等方式進行處理，將其得到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場控制總線傳遞給工作中的每個變頻器、制動器以及驅(qū)動器，對起重機的控制。

趙結(jié)昂等[25]利用單片機對傳感器采集的各類生產(chǎn)信息進行分析，基于ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡，提出了一種智能型橋門式起重機安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)，能夠讓技術(shù)人員實時監(jiān)測車間生產(chǎn)狀況，對起重機的狀態(tài)進行監(jiān)測記錄，及時準確發(fā)現(xiàn)危險狀況并報警，保證了車間生產(chǎn)的安全性。

楊躍強[26]對采用兩個三相可控整流橋反并聯(lián)的主電路控制系統(tǒng)進行研究，開發(fā)了基于CCS軟件開發(fā)的電磁起重機軟件平臺，提出了開閉環(huán)相結(jié)合的吸料控制系統(tǒng)，實驗證明其原理可行。

5 結(jié)束語

電永磁起重機經(jīng)過幾十年的發(fā)展后，技術(shù)日趨成熟，磁性材料更加多樣化，結(jié)構(gòu)更加完善，適用范圍更加廣泛，在機械吊裝行業(yè)應用廣泛。但電永磁起重機在實際生產(chǎn)過程中仍存在一些問題：首先，電永磁起重機在運行過程中不可避免的會產(chǎn)生例如噪聲等污染，作業(yè)現(xiàn)場要求較高；第二，目前電永磁起重機在針對較長工件時，多采用多臺電永磁起重機聯(lián)合使用，存在電永磁起重機之間協(xié)調(diào)不足，同步性較差等問題，工作效率較低；而在針對較小、異型工件時沒有很好的方法解決吸附可靠性問題，導致存在一定的安全隱患；第三，目前市場上的電永磁起重機大多采用釹鐵硼材料作為吊具的磁源，但其只能在常溫環(huán)境中工作，適用范圍有限，在起吊高溫鋼材的生產(chǎn)情況下極大地影響了工作效率，而高溫用的釤鈷永磁鐵價格昂貴，增加了生產(chǎn)成本，不利于提高生產(chǎn)企業(yè)效益，無法大范圍推廣。

電永磁起重機的關(guān)鍵技術(shù)在近些年已有重大突破，相關(guān)技術(shù)較為成熟，但在磁性材料、適用范圍和智能控制等方面仍存在一些不足之處，相關(guān)理論及研究有待完善。因此，該方面仍是電永磁起重機的研究重點，也是電永磁起重機的發(fā)展趨勢。