电控永磁全钢磁力模板的结构研究及磁场分析

电控永磁全钢磁力模板的结构研究及磁场分析

发表时间：2019-08-26T13:52:41.333Z 来源：《城镇建设》2019年11期作者：刘凯

[导读] 上世纪50年代日本丰田公司提出了快速更换模具的概念。80年代末国内开始研发用于冲床、注塑机的快速换模。

河北建设集团股份有限公司，河北保定 071000

摘要:上世纪50年代日本丰田公司提出了快速更换模具的概念。80年代末国内开始研发用于冲床、注塑机的快速换模。夹紧方式从机械旋压式发展到液压压板式，近几年磁力吸盘（又称磁力模板）已被国内及欧美厂商逐渐接受和采纳，尤其是电控永磁快速换模。因此，对电控永磁磁力模板的结构及磁场进行分析研究很有必要。

关键词：快速换模；电控永磁；结构分析

1电控永磁双面全钢磁力模板

磁力模板是一种用于产品注、压成型及其它冲压成型工艺实现模具快速更换的装备，包含电控永磁磁力模板、主控制器、远程控制器、安全检测及报警系统。电控永磁磁力模板用于注塑机的快速换模，因用永磁而非电能保持磁吸附故安全，因夹放模具简单方便而实用，因模具更换快捷而高效，因节能而经济，因无液、气泄漏而环保，已被市场逐渐认可，应用前景广阔。但现有技术的磁力模板，磁极与NFB磁钢崁装于壳体内表面灌绝缘胶密封，长期高温环境下易膨胀、开裂而失效，使用寿命短；释放状态下因磁极处常残留剩磁存安全隐患及磁辐射污染，因此，研究电控永磁磁力模板的新结构意义非凡。

1.1双面全钢磁力模板的新结构

全钢磁力模板主要结构包括：1-磁极，2-NFB高能永磁钢，3-LNG可变极性永磁钢，4-电控线圈，5-磁轭，6-缓冲磁轭；磁回路包括：7-NFB磁回路，8-LNG磁回路，9-缓冲磁回路。双极性交替分布，标示有黑点的是相同极性。具体见图1与图2所示，从图1、图2局部剖面图可以看出：全钢磁力模板采用两种永磁源:NFB高能永磁钢（2）和LNG可变极性永磁钢。（3）作为驱动双永磁能源。电控线圈（4）周向包裹着LNG可变极性永磁钢（3），电控线圈中的不同方向的瞬时脉冲电流控制LNG可变极性永磁钢的磁场方向及强度，当脉冲电流达到LNG永磁钢的阈值在未饱和的条件下脉冲电流强度决定LNG永磁钢的储能量，即以电能控制永磁，常称电控永磁。全钢磁力模板正面由整体钢板加工成磁极（1）和缓冲磁轭（6）的全钢表面结构壳体，背面是整体钢板的磁轭（5）覆盖所有磁极的背部，即未采用树脂密封的双面全钢封装结构。磁力模板的磁极按规律分布在工作面，对模具产生整面均匀吸附，提高了模具的使用刚度，保持了模具的精度，保证了产品质量。

缓冲磁轭是连接磁极与磁极、磁极与壳体成整体全钢的筋，并形成缓冲磁路，是全钢磁力模板的关键特征。由于永磁磁钢的个体制造差异及装配气隙的影响，两种磁源不可能达到绝对平衡，释放状态下，两种永磁源磁场方向相反、磁动势差异在磁极处会相互干涉导致退磁不净磁极表面有剩磁，缓冲磁轭形成的缓冲磁路能有效融合两种磁源的干涉，使退磁时磁极表面剩磁消失为0。

1.2电控永磁双面全钢磁力模板工作原理

电控永磁磁力模板按磁路特点分单极性和双极性，单极性即吸附面的所有磁极表现为相同极性，磁吸附状态时，磁极、被吸物、磁力模板壳体与磁轭形成主体磁回路，壳体对外表现磁性。双极性即吸附面的相邻磁极表现为相异极性，磁吸附状态时，磁极、被吸物、相邻磁极与磁轭形成主体磁回路，两种磁源相匹配时壳体对外不表现磁性。本文的电控永磁双面全钢磁力模板是双极性结构设置，相邻两磁极极性相异交替分布，正反两面整体全钢。电控永磁双面全钢磁力模板的磁回路由NFB磁回路（7），LNG磁回路（8），缓冲磁回路（9）复合而成。当给予电控线圈瞬间足够强的正向脉冲电流，对LNG永磁钢正向充磁至饱和，LNG永磁钢与NFB永磁钢以相同的极性磁化同一磁极，磁场在磁极处叠加，磁极对外表征强磁，通过气隙吸附工件（模具），此为工作状态。图1所示为磁力模板吸附模具的工作状态。

当给予电控线圈适当的瞬间足够强的反向脉冲电流，对LNG永磁钢反向充磁至饱和，LNG永磁钢与NFB永磁钢以相异的极性磁化同一磁极，NFB磁钢在磁极中产生的磁场被LNG磁钢产生的反向磁场所吸引导向背面的磁轭形成磁回路，两种磁源相匹配时，LNG磁钢产生的反向磁场与NFB永磁钢在磁极中产生磁场势均力敌，缓冲磁回路的存在辅助吸收强者多出的微弱磁场，磁极对外无磁性，被吸附工件（模具）得以释放，此为释放状态。图2所示为全钢磁力模板释放工件（模具）的释放状态。

2永磁的特性分析

2.1磁路饱和特性分析

在对磁路饱和特性分析时需要建立相应的数学模型来完成，如果将坐标实际的旋转变换性当作基础，而永磁同步的电机进实施矢量性的控制，于DQ同步的旋转性坐标系内，实现类似于直流电机控制的性能。对于永磁同步的电机来书，其存在有效的气隙是比较小的，由于发生电枢反应，则其磁场的作用就会导致磁阻出现很大的变化性，且其D轴具有电感同Q轴具有电感就会出存在不相同性，同时转子的结构呈现出不对称状态，导致对磁路饱和产生影响。因为D轴是在永磁体其轴向的位置中，并且其永磁体具有磁导率是和空气具有磁导率呈现十分接近的状态，因此Q轴具有有效的气隙是要小于D轴具有有效的气隙的，按照有限元的软件进行分析，D与Q轴的电感是随着电流变化，其D轴的电感值呈现相对的稳定，而Q轴的电感值是随着Q轴的电流增加呈现出显著性的减小状态。

因为Q轴的电流同转矩是呈现出一种线性的关系状态，于其恒转矩的区域内，若其转矩出现了相应增加，则受到相应饱和作用影响，会让Q轴具有电感出现变小的情况，进而造成其凸极率发生下降，因此，在实际情况中，电机的输出转矩存饱和作用影响而出现降低情况。在其恒转矩的区域内，通过每安电流具有最大的转矩来实施控制，同时其电机具有电感参数的额定运行相应恒值是同电感随着电流实

际变化而呈现出非线性的关系状态，按照电机转矩以及机端电压具有输出的曲线关系得知，磁路存在饱和就会对电机的特性产生一定影响。在其转矩出现增加时，其Iq也会出现相应的增加，而电感的参数Lq则受到饱和作用影响，而出现相应的减小，进而导致电机磁阻实际转矩出现一定的变小，因此这就对电机的转矩输出存在很大的影响。同样的原理，其机端的电压也会由于受到饱和作用的影响，而呈现出相应的变化。

在高速的区域中，其区域是呈现出弱磁性的，因为电流圆会对其磁性产生很大的限制，而去磁的电流Id出现增加，则其Iq也随着不断出现减小，因此其磁饱和具有的作用是会下降的，其D轴的电流会不断出现增大，而D轴的电感值略出现增大的情况，且其凸极率呈现出了下降状态，同时电机转矩具有输出的能力也是呈现略为降低情况。若在Q轴位置磁饱和具有作用出现下降趋势后，其Lq的电感值仍然还是要比额定的运行情况下电感值要大很多的，且求增量也是远大于D轴具有的电感增量的，因此，其弱磁区具有输出的转矩能力也就会出现提高，其控制系统发生对其电机磁路具体饱和产生影响，从而达到了一定的补偿效果。

结语

本文通过对双面全钢磁力模板结构的研究，体现了双面全钢磁力模板防护更好、使用更安全、释放状态无剩磁更环保的优点，给出了磁力模板的磁路设计和计算方法。

参考文献

[1]邱明辉.永磁吊的磁路计算[J].大连铁道学院学报，1999，20（3）：4-7.