5平面集成磁件结构的设计

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化学实验磁性图板教具箱的制作

９凹槽ＩＩ－Ｉ
图１
２１年１月中第２期（０２０９总第２７８期）
中国教育技术装备
一
６一０
ＣＥＥ技术在线Ｔ
得学生拼装方便，易携带、移动，而且可以使学生自
己根据需要拼接图示装置。
４４应用于具体的实验操作．
学习了氧气、氢气、二氧化碳的实验室制法以后，用此教具选择
多方面的结合，而自制教具的合理运用会使化学课堂熠熠生辉，成为
化学课堂别样的精彩。作为化学教师，我们在教学实践中要不断学习新的科技知识，努力提高自身素质及创新意识，不断研制和完善自制
教具，丰富活跃化学实验课堂。一
式的学＞对九年级的学生来说是一个难点，但是利－ｊ－用此教具，可以灵活练习化学反应方程式中化学式
活动夹层Ｉ上设有放置常见物质化学式图板教具的凹
槽Ｉ（）活动夹层Ｉ上设有放置常见仪器和常用Ｉ８；ＩＩ（）
其中常见物质化学式图板教具、常见仪器和常用装置平面图的图板教具、常见药品图板教具的正面画
全的基础上增强了趣味性。在化学实验室中，大部分仪器是玻璃仪器，易碎，这就会导致一
些学生在实验过程中缩手缩脚，从而影响了学生的动手欲望。利用此
４具体应用
４１应用于幼儿科学教育活动．
幼儿因其年龄小，但孩子们又有可贵的好奇心，利用此教具箱的易操作性、安全性，家中、在幼儿园等场所，让幼儿们自己操作，自己探索，通过他们的观察、

开关变换器中平面集成磁件设计的研究

ａｉｅｅｐｗｒｉｏｐｗｒｅｅＡｔｓｅ，ＦＡｃｃｉｃｅｈｈｒｅｄｓｏｅｃｖｒｒｔａｔｅｕＥａｄｕｈｖｉｏｅｔｆｏｔ．ｅｉｓｇｎｙｎｈｍｍｅｎｉｔｒｓｕｔｎｗｒｔｍｋｉｅｒｅｓｕｔｎｌｅｄｔｕｎｐｒｉｉｌｏｓａｏｅｇｔｉｌｏａａｚｆｉｒｔｇａｔｍａｏｅａｎａｄａｉｔｆｔｍｉｎｙｏｓｉｉａｓｃｒｂｉｐｒｅｒｌａｉｅｒｅｍｇｅｃｒｕｅｉｕｎｔｆａｐｒｒａｃｏａｍｔｏｐｎｎｇｔａｎｔｓｅｃｉｎｅｅｎｌｏｍｅａｅｆｒａｄｉ，ｔｆｃｏｅａｔｄｓｌｉｆｎｆｃｎｅｅａｄｉｄｓｎｉｉｒｎｅｅｌａｉｅｒｅｍｇｅｃｗｉｏｖｒｒｄｒｅｉｄｃｌａａｏｇｎｒｐｎｒｇｔａｎｔｓｃｔｎｅｖｅｇｉｐｎｉｆａｌｎａｄｉｈｈｓａｔａｌｆｈｈｅｅｙｔｍｄｐｗｒｐｅＴｅｉａｉｅｅｓｐｙｉ－ｑｎｓｉｈｅｅｓｌｓｈｍｎｅｍｎａｐｏｇｆｕｃｗｃｏｏｕｉ．ａｃｖｔｓｒｒｐｈ
４通过提取平面集成磁件各寄生来建）参数立精确的等效电路模型，利用电路
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
仿真软件Ｓｂｒａｅ对含有该平面集成磁件等效电路模型的ＬＣ谐振变换器电路进行Ｌ仿真，并通过仿真结果验证了理论分析的正确性。

高频llc变换器平面磁集成矩阵变压器的优化设计

关键词：LLC 变换器平面矩阵变压器损耗模型优化设计中图分类号：TM46
Optimal Design of Planar Magnetic Integrated Matrix Transformer for High Frequency LLC Converter
Xiao Long1,2 Wu Liang1 Li Xin1 Zhao Jun1 Chen Guozhu1 （1. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. School of Electronic and Electrical Engineering Minnan University of Science and Technology
2020 年 2 月第 35 卷第 4 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.181943
Vol.35 No. 4 Feb. 2020
高频 LLC 变换器平面磁集成矩阵变压器的优化设计
图5llc变换器变压器磁心中的磁感应强度典型波形fig5typicalwaveformofmagneticfluxdensityinthemagneticcoreofllcconverter根据图5所示磁通密度波形式3可以化简为swmv201sw0mmr21swr021ddd2cos2d2412cos2dtkbbtptttkbbttt??????????????11swrm2102cosdkffb??5式中tsw为开关周期参数和已通过图4给出的损耗曲线拟合得到代入式5并采用数值积分得到1vswrm0814pkffb?6为了减小磁心损耗将谐振频率点变压器磁心损耗密度设置为1000mwcm3根据表1给出的谐振频率和死区时间可以得到工作在谐振频率点处的开关频率fsw135mhz代入式6得到此时的磁感应强度最大值bm71mt

平面变压器技术和平面磁集成技术

图面变压器的结构图
平面变压器是一种呈低高度扁平状或超薄型（low profile）的变压器，其绕组一般是由折叠式铜箔、印制电路板（PCB，Printed circuit board）上的印制铜线或直接沉积于磁性薄膜上的铜线条结构，高度远小于传统变压器，是高频变压器的一种新型结构形式。作为一种超薄型变压器，平面变压器结构包括平面磁芯和平面绕组，其突出特点是体积小、效率高特点，因此最适合的应用领域是空间存在限制或对节能及散热要求苛刻的地方。目前典型的应用有便携式电子设备高密度电源、卡式UPS电源、通信领域的AC/DC前端和DC/DC转换等。
与传统变压器比较，平面变压器有以下特点：采用平面磁芯，由于窗口形状变为扁长形，降低了磁回路和电回路的利用率，所以热通道短，温升低；磁芯结构的平面化必然带来绕组结构的平面化，从而带动了对平面结构绕组的研究，PCB板绕组容易实现任意绕制方式，提高初、次级线圈的磁耦合系数，减少漏感和绕组涡流损耗，漏感小（<0.2%）；工作频率高（50kHz~2MHz），能量密度大（达到100W/g），效率高（98%~99%），体积小相当于传统变压器的20%；平面变压器具有较大的散热面积，且使磁件热点到磁件表面的热阻降低，从而能改善热损散问题，能实现高磁通密度，减少在高频工作条件下由集肤效应（对于普通PCB铜箔，只有当通过电流频率高于12MHz时才需要考虑趋肤效应，而对于目前绝大部分应用，工作频率都在10MHz以下）和邻近效应所引起的涡流损耗并有利于散热，并能采用紧密封装来实现高功率密度；回路为绕组结构固定、预先加工好的，所以参数重复性好。
平面磁集成技术是将平面变压器和平面电感等平面磁性器件集成在一起。目前，磁性器件的高功率密度、高频化、集成规模化的研究已经受到广泛关注，美国加州理工大学对如何实现磁性器件集成技术做了大量的理论和实用研究。

中压VRM的拓扑结构及平面集成磁件的研究

参考文献
２４设置ＦＯＴＡ分析参数．ＬＲＮ
设置流体的恒值密度１０以及恒值粘性００，．．１以及迭代的次数为２０为以后的求解做好准备。在模型、界条件、边网格划分、荷载等建立后，分别写入各自的物理环境中。有限元分析计算时，先读入流体动力学分析的物理环境，对弯管内的流体进行流速分析，并将该结果保存在一个文件中。其中，口流速设为入０１／，．ｒｓ左端出口压力：ｎｍ。清除流体分析的物理环境，ｎＯｔ／读入流速分析的物理环境，弯管中的流体进行了流速分析。对最后得到迭代过程跟踪示意图，图４如。调入最后迭代步的结算结果，向量的方式显示速度的以分布结果，ａａｓ中仿真结果如图５在ｎｌｉｙｓ。
Ｃｏａｒｄｗｉｍｐｅｔｍｅｒｓａｎａａｃｆｅｃｏｐｌｇｈｉｄｄｒｗｂｋｏａｈｔｏｏｙ，ａｎｅｅｔｄｒｓａ￣ｈ
ｎ
ｎ
加即流量的增大，流体雷诺数Ｒ＝ｅ
加明显［。
增大，流体分离现象更
—圈
图２
图３所有施加边界条件的结果
５结论对于由于加工缺陷引起的结构复杂，在管内流体流动作
用下受力也复杂的弯管，利用ＡＳＳ有限元结构分析软件，ＮＹ建立了管内流体动力学和弯管有限元模型，进行了流体一固体作用非线性分析。通过计算分析可看出，ＮＹＡＳＳ有限元分析软件，能够比较好地处理流体一结构不同环境下的相互作用问题，得到了弯管中比较真实的流速分布，有现实上的可行具性，是较为精确且实用的分析方法。口

磁吸结构设计

磁吸结构设计
磁吸结构设计是指利用磁力吸附的原理，设计出能够吸附在特定表面上的结构。

这种设计方法可以广泛应用于各种领域，例如汽车、机械、电子、医疗等。

磁吸结构设计的关键在于选择合适的磁性材料和设计合理的磁路结构。

通常需要考虑吸附力大小、稳定性、耐磨性等问题。

此外，还需要考虑磁场的影响，特别是在电子和医疗领域，需要保证磁场对周围环境的干扰最小化。

综上所述，磁吸结构设计是一项综合性的工程设计，需要考虑多方面因素，但其应用前景广阔，对提高产品性能和效率具有很大的促进作用。

- 1 -。

平面磁件的应用335

B’
内容
平面磁件的基本概念与特点平面磁件的基本概念与特点
平面磁件的概念与优点平面磁件的概念与优点平面磁件的铁心平面磁件的铁心平面磁件的绕组平面磁件的绕组平面磁件的新的发展平面磁件的新的发展 —单元化的平面磁件和薄膜型平面磁件 —单元化的平面磁件和薄膜型平面磁件
薄膜磁件
通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕组材料做在通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕组材料做在硅基片上, 得到高频膜状微型磁件，用于移硅基片上, 得到高频膜状微型磁件，用于移动通讯领域上兆赫兹的高频变换。动通讯领域上兆赫兹的高频变换。
A’
B’
具体实现—原边串/副边并组合
Certer-tap transformer 原边串/副边并组合
具体实现—原边串/副边并组合
Certer-tap transformer 原边串/副边并组合
副边大电流输出时，单元化的副边大电流输出时，单元化的磁件可明显减小副边的直流磁件可明显减小副边的直流电阻引起的损耗电阻引起的损耗
平面磁件的磁芯共同特点—高度低，散热好共同特点—高度低，散热好 E型铁心——制造工艺简单，售价便 E型铁心——制造工艺简单，售价便宜，窗口相对较大，易于组合扩展；宜，窗口相对较大，易于组合扩展；有些类型的绕组制作工艺不易实施，有些类型的绕组制作工艺不易实施，同样的铁心截面积，线圈较长，铜损同样的铁心截面积，线圈较长，铜损略大，容易引起EMI问题；略大，容易引起EMI问题； RM、ER等铁心——同样的铁心截面 RM、ER等铁心——同样的铁心截面积，线圈短，磁屏蔽好；成本略高。积，线圈短，磁屏蔽好；成本略高。
内容
平面磁件的基本概念与特点平面磁件的基本概念与特点

平面集成磁技术1150350298

续3、集成磁技术（实例）集成磁技术（实例）
•在Cuk变换器中把输入和输出端的两个电感用只有一
个铁心的耦合电感来代替，使输入、输出电流的纹波减小。
•在有隔离的CUK 变换器中把输入电感、输出电感和
变压器集成在一个铁心上。
•把开关电源中多路输出的各个直流输出滤波电感集
中在一个铁心上，形成耦合电感。
平面集成磁技术
杨玉岗
辽宁工程技术大学 2003年11月 2003年11月
1 引言
•当今开关电源发展的趋势之一[1]: “短、小、轻、薄” •平面变压器平面变压器 •集成磁技术 •平面集成磁技术平面集成磁技术
2、平面变压器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•平面（planar）变压器:是一种呈低高度扁平面（planar）变压器: 平面
谢谢 !
平状或超薄型（low profile）的变压器，其高度远小于传统变压器
•结构：平面磁心和平面结构绕组结构：结构 •优点: 工作频率高(50k~2MHz),能量密度大,效优点:
率高(97~99%),体积和高度小，外观和一致性好，适合于SMD，可以较好地实现低压大电流输出，适应开关电源“短、小、轻、薄”的发展趋势
续3、集成磁技术
• 磁集成的目标：
• 减少开关电源中的器件数量 • 使集成磁件的最大工作磁密小于各分立磁件的磁密和，以减小磁件铁心的截面积，从而减小磁件的体积和重量 • 使集成磁件铁心磁通的脉动量减小，从而使磁件的铁损耗减小，提高开关电源的效率和功率密度 • 改善开关电源的性能，如减小输入和输出电流的纹波，提高的瞬态响应速度等
续2、平面变压器
图1 平面EI形铁氧体铁心平面EI形铁氧体铁心
续2、平面变压器

开关电源中的平面集成磁件

PEEDCPEEDC1. 低漏感平面片式变压器PEEDCPEEDC•Decrease winding turn number.PEEDC New structure I(turn ratio: 2:1)Primary winding Secondary winding 1Primary winding is 1 turn, turn ratio is 2:1 4 legs coreIf Primary winding is , turn ratio is 4:1SecondaryPrototypePEEDCImproved core structure Primarywinding Secondary winding PrototypePrototypeNew structure II(turn ratio: 2:1)New structure III(turn ratio: 2:1) PEEDCPrimarywindingSecondarywinding PrototypePEEDCTraditional structure (turn ratio: 2:1)Primary windingSecondary windingPrototypePrototypePEEDCstructure I structure IIstructure IIITraditional structure0.0250.030.035Prim Leakage inductance(uH)Sec Leakage inductance(uH)Conclusion: The leakage inductances ofPEEDCstructure I structure IIstructure IIITraditional structure14161820Struc I Prim selfinductance(uH)Sec selfinductance(uH)PEEDCPrimary windingSecondary winding 1Secondary winding 2PrototypePEEDC0.0120.0140.016Prim Leakage inductance(uH)Sec Leakageinductance(uH)Interleaving of structure IInterleaving of structure IIstructure Istructure IIConclusion: The leakage inductances of interleaving the Prim and Sec are smallerPEEDC678Prim selfinductance(uH)Sec selfinductance(uH)Interleaving of structure IInterleaving of structure IIstructure Istructure IIPEEDCIf the core have 5 legs, turn ratio is 3:1 when primary winding is 2 turns, turn ratio is 6:1PEEDCPrimary windingSecondary winding 1Primary winding is 1 turn , turn ratio is 2:13 legs corePrototypePEEDCPrimary windingSecondary winding 1 & 2Primary winding is 1 turn , turn ratio is 3:14 legs coreSecondary winding 3PrototypePEEDCPrimary windingSecondary winding 1 & 2Primary winding is 1 turn , turn ratio is 4:15 legs coreSecondary winding 3 & 4PrototypePEEDC1. 低漏感平面片式变压器PEEDCPEEDCi1L 1V inVo 0oConventional Multiphase VRPEEDCi 1L1 D < 0.5v v a+ v1-* Pit-Leong Wong’s dissertation, CPES, 2000PEEDCv 1vavb 0V L1=PEEDCΔDΔDVL1PEEDCαα⋅+−+−−=]2[111_D n n L L noncoupledcoupled ss LM n )1(−=α)1(nD <Keeping the same L trPEEDCMore phase coupling can further reduce the top switchoff loss and increase the efficiency.Keeping the same L trPhase12 phase3 phasePEEDC1]12[1_−⋅′+−−+=D Dn n L L noncoupledcoupled tr ααLMn )1(−=α)1(nD <Keeping the same L ssPEEDCPEEDCi BTop view of i A Magnetic corePEEDCi Ai Bhσd b1ww1Voi Bi Ai iPEEDCPEEDC Surface current and flux density distribution (t=0)(t=0)Surface current density Surface flux densityPEEDCPEEDCPEEDCPEEDCPEEDCThe asymmetry of self inductances has little effect onPEEDCPEEDCPEEDCPEEDC1. 低漏感平面片式变压器PEEDC3. 平面PCB变压器(Planar PCB Transformer)Single Layer Planar PCB Transformer and its Application to Half Brick DC/DC ConverterSingle Layer Planar PCB TransformerHalf brick modulePEEDC12 Layer Planar PCB TransformerStructure of the windingsUpper surfacePrimary windingSecondary windingUnder surfacePEEDCPrototype of 12 Layer Planar PCB TransformerPEEDC内容提要1. 低漏感平面片式变压器 2. 交错并联VRM中平面磁集成多相耦合电感 3. 平面PCB变压器 4. 三相大功率UPS的磁集成 5. 可削减直流偏磁集成磁件在DC/DC变换器中应用 6. EMI滤波器的平面磁集成及无源集成 7. 软开关变换器中平面磁集成及无源集成PEEDC4. 三相大功率UPS的磁集成 Inverter and output topology of 3 Phase UPSPEEDCMagnetic integration of output transformer and reactorBy parallel connecting a auxiliary core with the main core of the transformer and wrap the primary windings on the auxiliary core, the output transformer and the output reactor were integrated, the reactor with large volume and weight is omitted.PEEDCWindings structure of magnetic integration device& =E & E A AB a A1XB& E a1& =E & E B BCC Yc1& E c1& E c& −E b2x y21Z& E a& =E & E C CA− Ea 2 z1 x2&b2 c2 & a2 − Ec 2& E bz y2 1& E b1b1The advantages : 3 or 3 times harmonics in the windings are canceled out each other and don’t pass through the load. When one phase’s load is large relatively, each phase’s input can be balanced.PEEDCPrototypemagnetic integration device60kVA UPS that use the magnetic integration devicePEEDC内容提要1. 低漏感平面片式变压器 2. 交错并联VRM中平面磁集成多相耦合电感 3. 平面PCB变压器 4. 三相大功率UPS的磁集成 5. 可削减直流偏磁集成磁件在DC/DC变换器中应用 6. EMI滤波器的平面磁集成及无源集成 7. 软开关变换器中平面磁集成及无源集成PEEDC5. 可削减直流偏磁集成磁件在DC/DC变换器中的应用Application of a Integrated Magnetics（IM） Whose DC-Bias can be Reduced in DC/DC Converter。

平面型磁芯的设计

平面型磁芯的设计Mark A.Swihart, 资深应用设计工程师，Spang & Company公司磁学部刘波译爱默生网络能源有限公司本文详细论述了有关平面铁氧体磁芯的磁性设计。

包括标准尺寸和外形;材料的选取，功率的控制;气隙开槽;装配;设计难点;原始设计以及发展情况;磁芯的制造以及特殊应用等。

随着开光电源的小型化和功率密度的提高，平面电感变压器的应用越来越广泛，很明显，在平面磁芯中以下的特点是最重要的:在许多应用中，保持功率变压器和电感器较低的高度是很有好处的。

在印制板中安装高度最高的常常是磁性器件。

不过，保持磁芯器件较低的高度并不仅仅是平面磁芯在功率磁芯器件中的大量应用的唯一原因。

平面磁芯的设计在降低漏感;极好的可重复性性能;较为经济的装配工艺;机械完整性以及极好的散热性能方面也都有极好的表现。

简单的说，平面变压器或电感器是由一对带有平坦绕组的短腿的较宽，较长的磁芯组成。

这一结构形式与通常带有柱状绕组的长腿的宽度较窄的磁芯设计有很大的不同。

平面磁芯在很低的外形上有很大的方形面积，而传统的磁芯则是圆形立体容积。

平面绕组通常是在PCB板上粘贴或直接作在PCB板上，而不象传统的绕组是沿磁芯卷绕形成。

发明背景法拉第法则在磁芯设计中有如下表示形式,8 法拉第法则:V=4.44N*Ae*fs*B*10注: V——表示感应电压(单位为伏特)4.44——表示正弦波的系数因子N ——表示线圈的匝数Ae ——表示有效的磁路截面积f ——表示电磁频率B ——表示最大磁感应强度既然到目前为止，还没有更好的低损耗，高电流密度，或抗饱和的高磁感应强度的新材料产生。

那么从法拉第法则公式中可以看出，能够明显缩小磁芯尺寸的方法就是提高电磁频率。

提高磁芯工作频率的关键前提是铁氧体适于工作于数百千赫兹甚至达到兆赫兹的工作频率。

在高频情况下，Ae和N的值相应减小，这就意味着与低频相比较，磁芯尺寸相对微型化。

但是，在实际情况下，开关频率是有一定上限的。

平面磁力研磨装置及磁极设计

平面磁力研磨装置及磁极设计张萍萍;张桂香【摘要】为提高磁力研磨加工性能,基于三轴联动数控铣床,采用永磁磁极代替电磁磁极并在磁极表面开槽,将铣刀改造成磁力研磨加工附件,进行平面精密磁力研磨光整加工.重点阐述了精密磁力研磨装置的结构以及永磁磁极的设计计算,为磁力研磨加工机床的研制提供了理论依据.%In this paper,in order to improve the processing performance of a magnetic abrasive machining,based on the three-axis CNC milling machine,with electromagnetic pole replaced by permanent magnetic pole and the magnetic pole surface slotted,the magnetic abrasive finishing machine tool was developed by transforming milling cutter into magnetic grinding accessory for precision surface processing.Discussion on the structure of magnetic abrasive finishing device for the precision flat surface and the design and calculation of permanent magnet poles lay theoretical foundation for the design of a magnetic abrasive finishing machine.【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(025)006【总页数】4页(P67-70)【关键词】磁力研磨光整加工;数控铣床;永久磁铁;磁极设计【作者】张萍萍;张桂香【作者单位】山东理工大学机械工程学院,山东淄博255091;山东理工大学机械工程学院,山东淄博255091【正文语种】中文【中图分类】TG582现代制造加工技术尤其是模具表面加工朝着精密和超精密、微细和超微细加工技术方向发展．模具表面光整加工通常要求微小加工去除量，精密加工，这也就限制了自动化的实现和加工方式的运用，而磁力光整加工就是针对这些加工难题所做的研究．由于磁力研磨加工效率高、加工质量好，且磁性磨粒具有良好的自锐性，加工工具不需修形，因此此种加工方法受到越来越多的关注．这项加工技术能够将磁性材料和非磁性材料的加工精度控制在0．01mm以下，实现精密研磨、抛光以及棱边去毛刺加工，这是其他加工工艺难以实现的．在三坐标数控机床上进行相关改造，就可以将其改装成为一台磁力研磨加工装置，实现对工件微量切削［6] 精密光整加工．目前这项技术中大多采用电磁线圈产生磁场，使工件和磁极间的磁性磨料在磁场力的作用下实现对工件的光整加工．但在实际加工中，采用电磁线圈会导致其与磁极、工件构成的磁空间过大［7] ，且电磁线圈内部在研磨加工过程中产生的涡流热［8] 会使加工区域与工件温度上升，致使工件表面烧伤，降低研磨加工精度．永磁铁是不用从外部供给电能就能产生磁场的材料，将设计的磁力研磨附件安装在数控机床主轴上，具有体积小、无需线圈、安装便携，系统结构简单等优点，并且永磁铁磁路可靠性高，维修方便，有优越的适应性，可以抛光研磨工件的任何型面［9] ．本装置就是在XK7136C三轴联动数控立式铣床上加装设计的磁极，并采用永久磁体作为磁极材料，代替电磁铁，对加工工件表面进行平面磁力光整加工．1 精密磁力研磨装置的结构设计图1为研制的精密平面磁力研磨加工机床，通过在数控立式铣床上加装磁力研磨附件来实现其精密研磨抛光功能．该装置通过接杆将永磁磁极固定在立式铣床上，磁极随主轴旋转，在磁极跟工件之间的加工区域放入适量的磁性磨料，工件安装在卡盘夹具上，利用电机带动机床的工作部件实现精密的平面磁力研磨光整加工．图1 平面磁力研磨机床1．底座；2．Y轴伺服电机；3．X轴伺服电机；4．工作台；5．夹具；6．磁极；7．主轴；8．主轴电机；9．Z轴伺服电机；10．机身在卡盘夹具上要安放强磁体，其主要作用是强化与永磁磁极形成的磁场．将被加工工件直接装夹在强磁体上，再通过接杆将弹性夹头和永磁磁极连接起来，磁性磨料在强磁体和永磁磁极产生的磁场中沿磁力线方向形成磁性研磨刷，在磁场力的作用下压向工件表面，当主轴旋转带动磁极运转，就会在磁性磨料跟工件之间产生相对运动，实现对工件表面的精密光整加工．由于永磁体材料质地较脆，所以在数控机床主轴上的弹簧夹头处设计了一个接杆，将永磁磁极跟机床主轴连接起来，接杆材料为黄铜，它既起到连接作用又起到隔磁作用，隔磁主要是防止磁性磨料在加工过程中被抛飞到磁极周围将其他部件磁化，从而削弱加工区域磁场．永磁磁极表面形状也很重要，因为这会影响到加工区域的磁场、磁性磨料的受力，进而影响加工质量和加工效率．平面磁力研磨加工示意图如图2所示．图3为磁极结构图，在永磁体磁极表面开槽，会改变加工区域磁场分布，使间隙小的地方磁阻小，磁场强度大；反之，间隙大的地方磁阻大磁场强度就会变小，从而增加了磁场强度梯度，间接增大了磨削力．同时，在磁极表面开槽也有助于磁性磨粒的流动，增加磨粒的切削加工性能．这样磁性磨料就会在一个不断变化的磁场中实现对工件的高效率光整加工．但是要注意的是磁极开槽后磨削力增大的同时也会导致磨粒对工件表面研磨压力的减小，所以要同时兼顾两者，获取最优加工效果．图2 平面磁力研磨加工示意图1夹具；2磁极；3连杆；4机床主轴；5刀柄；6磨料；7工件；8工作台图3 磁极结构图2 磁极设计方法与计算步骤用磁粒研磨加工方法对工件表面进行光整加工或者去毛刺时，选用稀土钕铁硼永磁材料（NbFeB）做磁极材料．永磁磁体矫顽力大，剩磁感应强度高，其工作状态在磁滞回线的第二象限［10] ，即在退磁曲线上，并且在磁能积（BH）最大值的状态下使用效果最好．稀土钕铁硼（NbFeB）合金主要有Nb2Fe14B相、富Nb相、富B相．其中Nb2Fe14B是主要来源，其体积分数通常为85%～90%，其最大磁能积（BH）能达到400kJ／m，并且其矫顽力也高达2 400kA／m，表1为烧结钕铁硼永磁材料与其他永磁材料性能比较．在表1中，Br为磁性材料剩余磁感应强度，Hcb为矫顽力，Hci为内禀矫顽力，（BH）max为最大磁能积，urec为相对回复磁导率．表1 烧结钕铁硼永磁材料与其他永磁材料性能比较永磁材料Br／THcb／kA·m－1 Hci／kA·m－1（BH）max／kJ·m－3urec NdFeB 1．36 1 035 1 114 358 1．05 Sm－Co 1．12 533 549 247 1．05铁氧体0．44 223 231 36．0 1．10 AlNiCo 1．15 127 127 87．6 1．30要想计算永磁体的尺寸大小就得用到永磁体磁路的相关计算．而合理使用永磁体的磁能成了磁路设计的主要问题．永磁体磁路包括铁磁材料、永磁材料、空气气隙．根据永磁体和空气气隙组成的磁路，由基尔霍夫第一定律：在磁回路中任一节点流入的磁通量与流出的磁通量之和总是为0，即可知由基尔霍夫第二定律：磁回路中磁势的总和为0，即永磁体的磁势与其他部位的磁压降总是相互抵消的，即可知式中：Bm、Hm、Lm、Sm分别为永磁体工作点的磁感应强度（T）、工作点的磁场强度（A／m）、长度（m）、横截面积（m2）；Bq、Hq、Lq、Sq分别为气隙的磁感应强度（T）、磁场强度（A／m）、气隙长度（m）、横截面积（m2）；Kr为磁阻系数，其变化范围很小，取值与磁轭的长短、接触面的面积以及工作间隙大小有关，对于永磁体，取值1．05～1．55；Kf为漏磁系数，变化范围较大，取值1～20，在此磁路中可以取值为1．3～5．在实际磁路中总存在磁漏和内阻，故需相应地引入漏磁系数Kf和磁阻系数Kr．将（1）（2）两式相乘得也可以表达为式中：Vm为永磁体的体积；Vq为气隙的体积；BmHm值为永磁体单位体积所存储的能量．由于空气气隙Bq＝μHq，而空气的磁导率为1，所以Bq＝Hq，所以（3）式可整理为即为空气气隙的计算公式．大多数永磁材料的工作点可以通过退磁曲线来确定．如图4所示，在退磁曲线上用永磁材料剩磁感应强度Br和其矫顽力Hcb为邻边做矩形，退磁曲线跟所作矩形对角线（即永磁体的负载线OP）的交点即是永磁材料的工作点．工作点选在Bm ＝0．64T，Hm＝518．75kA／m．图4 退磁曲线和磁能积示意图（P点为工作点）首先根据经验给漏磁系数Kf、磁阻系数Kr赋值并代入式（1）和式（2），计算出磁体的尺寸大小Sm和Lm，并由公式（4）得出气隙磁感应强度，由计算出的结果跟起初设定值作比较，如果误差在5%～10%这个范围即满足要求．为了增大加工区域的磁感应强度，需要磁极与工件之间的加工间隙小一些，同时还需要保证磁性磨料有充足的工作空间，这也就要求控制好加工间隙［11] ，由资料经验值可知：加工间隙为2mm，Kr＝1．55，Kf＝1．30，Bq＝1．0T时，研磨效果最好．由以上公式得永久磁体截面取为圆形，半径15．8mm，在实际磁力研磨机床上设计为r＝15mm，Lm＝8mm，即永磁磁极的截面尺寸为225πmm2．3 开槽磁极磁场仿真分析在磁极表面开槽可使得磁极表面相对于工件表面的空隙不相同，产生的磁感应强度就会不同．用MATLAB编程进行仿真，检验磁极开矩形槽时磁位线分布，结果如图5所示．从图5中可以看出，磁极开槽改变了加工区域磁场分布，由不开槽的均匀磁场变化为非均匀磁场，增加了磁场强度梯度，这也间接增大了磁极对磁性磨粒的带动能力以及研磨力，大大提高了磁力研磨加工效率．图5 开槽磁极磁位的等值分布图4 结束语精密磁力研磨机床可以利用各种机床改装，只需在主轴上加装产生磁场的磁力研磨附件就可完成高效高精加工，实现平面、内外圆柱面以及各种复杂型面的精加工．本文研制的是精密平面磁力研磨加工机床，但对研究内外圆磁力研磨以及自由曲面磁力研磨具有重要参考价值．磁力研磨试验装置上的磁极采用稀土钕铁硼永磁材料代替电磁线圈，没有供电设施，装置体积小，操作便携，容易安装，适用性较强，在其表面上的开槽，可大大提高研磨加工能力．【相关文献】［1] 徐立军，王文，杨诚．磁力研磨加工技术综述［J] ．组合机床与自动化加工技术，2003（1）：41－43．［2] 冯宝富，盖全芳，赵万胜，等．磁力研磨头形状对研磨效果的影响［J] ．中国工程机械学报，2008，6（1）：101－104．［3] 赵玉刚，江世成，周锦进．新型的复杂曲面磁力光整加工机床［J] ．机械工程学报，2000，36（3）：100－103．［4] 李学全，李骏，胡得全，等．磁力研磨技术［J] ．机械设计与制造工程，2001，29（1）：53－54．［5] Lin C T，Yang L D，Chow H M．Study 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