新型节能稀土永磁吊的研究

裴一铮，丁 宁

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械工程学院，长春 130022)

新型节能稀土永磁吊的研究

裴一铮1，2，丁 宁2

(1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022;2.长春大学 机械工程学院，长春 130022)

稀土永磁吊是完全不用电就可以实现对铁磁性物质实现自动吸缷的一种吊装工具，它的应用使得铁磁性货物的吊装既方便又安全。首先，不需要捆绑货物，省去了很多麻烦;其次，不用带电作业，提高了安全性。本文就是针对永磁吊这一课题，进行进一步研究，从磁路设计到自动吸缷结构两个方面入手，使得磁吊的应用更加广泛。

永磁吊;吸重比;磁导;最大磁能积点

0 引言

起重磁吊是用来搬运具有铁磁性货物的一种吸附式取物装置，它用来搬运任何形状的具有较高导磁率的钢铁货物，如钢锭、钢板、连铸坯、各种型钢、铸铁块、废钢及其铁屑。起重磁铁工作时，对被吸钢铁产生足以克服其重量的吸力才能实现搬运钢铁的目的。

目前世界各国均大量使用起重电磁铁，由于其作业时必须通过十几安培至上百安培的直流电流，这就导致起重电磁铁有不可克服的严重缺点;首先，消耗电量太大，其次使用寿命短。八十年代，高磁能的稀土永磁体——钕铁硼被日本研制成功，我国相继在八四年也进行了工业化生产，使我国成为世界上生产稀土永磁吊的三大强国之一，随着稀土永磁体的发展，各种各样的稀土永磁吊产生了。

起重永磁吊的工作磁场和零磁场的获得都是靠永磁体的两个磁系中活动磁系相对固定磁系所处的两种不同状态而实现的。当可动磁系与固定磁系在磁极面处所形成的磁场方向相同时，吸物;当可动磁系与固定磁系在磁极面处所形成的磁场方向相反时，卸物［1］，这就是起重永磁吊的工作原理。

目前，研究人员从三个方面去研究稀土永磁吊。

第一方面就是提高起重永磁吊的吸重比和吸重成本比［2］［3］

第二方面就是永磁吊的自动吸缷结构。人们最初研究的永磁吊其吸卸结构采用电机减速器系统，这种磁吊工作时尚需通电，在某些作业条件下，用电是很危险的，因此这种磁吊尚不理想，现有的可动磁系的传动系统已不需用电，其方法是将牵引力转换为可动磁系的力矩，但还存在着吸力不足及可动磁系转动不到位的而影响吸力的缺点［4］［5］。

第三方面就是可动磁系的自锁机构，当起重磁铁处于吸物的工作状态时，是可动磁系的永磁体与固定磁系的永磁体处于同极相斥的状态，为高磁能不稳定状态，如不将可动磁系锁住，让其处于自由状态，则其会发生翻转，并转向与固定磁系的永磁体处于异性磁极相吸的稳定状态，故永磁体处于吸物工作状态时，必须将可动磁系牢固锁住，才能保证其作业时安全可靠，这是必须的。

本篇论文的研究内容主要是以下几方面;

1)磁路结构设计。2)自动吸缷结构设计。3)可动磁系的自锁机构。

1 磁路设计

磁路结构设计主要是根据永磁吊的外形尺寸吸与用途来确定磁极的面积、形状和永磁体及其在磁路中的配置。由选用的永磁体的退磁曲线，查知最大磁能积点(BmHm)，并根据吸重比初步确定永磁体的宽度及高度。在考虑相互作用时，计算出工作点，确定了工作点后，由设计给出的起重永磁铁的用途来确定起重永磁铁的工作磁极面与被吸物的间隙Lg，算出永磁体的工作点是否在恢复曲线的中点及起重永磁铁吸重，经过多次反复，改变永磁体的宽度及高度，使永磁体的工作点接近恢复曲线的中点，达到吸重要求，最后要在基本达到设计要求时，求出卸物状态下工作磁极面上的残余磁场强度不大于50(Oe)时所选用的永磁体的宽度及高度，最后确定下来。磁体选用一个可动磁系，两个固定磁系，磁路设计的方法主要有以下几种。

1.1 有限元法

有限元法首先在结构力学上得到广泛应用，目前也开始用于电学与磁学，它首先将计算对象分成100个-1000个小的三角形或四角形的元素，而后列出磁场方程，建立数学模型，求出有限元的磁通密度，进而求出吸力。

1.2 磁导法

有关磁导的公式有;

式中，T为磁体高度，W为磁体长度，Lg为两磁体间距离，μ为Lg中的介质的磁导率。计算间隙的磁导及永磁体本身的磁导用此公式。

计算永磁体上表面间及侧表面漏磁导及工作磁极面间的磁导用此公式。

式中θ为曲面弧度，r为圆柱半径，μl为曲面与圆柱间的径向距离。

磁导法是以某一磁体为磁源，利用磁导公式分别求出在各个状态下(吸物状态、卸物状态、可动磁系与固定磁系无相互作用状态)磁路的各部分的磁导，再求总磁导。利用公求出其各个状态下孤立状态下的工作点，然后求出此磁体在相互作用下的平衡工作点。工作点要满足要求(对于一般的永磁材料，起始点应选择在最大磁能积(BH)max点下方，对于稀土等强各向异性永磁材料，因其退磁曲线为一直线，因而起始点就应取最大磁能积(BH)max点，只有这样，才能使回复能达到最大值，使用较少的永磁体便具有较大吸力。)查永磁体的退磁曲线图，得出此磁体的Bm，根据磁路第一方程BmSm=KfBgSg，求出Bg而后求出Hg.，在计算各各状态下工作磁极面上合成的磁场强度，根据公式F=(H/5000)2Sg计算出吸力，再效验卸物状态下磁极面上的残余磁场强度是否不大于50(Oe)，经多次反复，直到达到要求。

2 自动吸缷结构设计

依据起重永磁铁理论及设计原则，通过磁路设计，能使起重永磁铁满足对外形尺寸及吸重的要求，但这只是能够吸住各种不同形状的钢铁物件，而要实现永磁铁的吸卸功能，就得解决可动磁系的转动问题。这里我们设想了利用吊车起吊时向上的牵引力，通过一个机构转换成可动磁系的旋转力矩。如图1所示，棘轮14与转轴8过渡配合，棘轮两侧面装有摆杆9，摆杆9绕着转轴8可以自由转动，摆杆上装有棘爪13，摆杆9尾端与弹簧10相连，弹簧10与吊链12一起与吊车吊钩的吊杆相连，起吊时，弹簧受力，弹簧的初拉力为F0，F0所产生的力矩正好克服掉来自于复合永磁体17所产生的力矩，使得弹簧在未被拉伸或伸长量不大的情况下，摆杆到达它的极限位置，即到达13处，此时吊链12还未受力，随着弹簧的伸长到一定程度，吊链开始受力，起重磁吊吸着被吸物体缓缓升起，摆杆在弹簧力的作用下由初始位置转动了60°，由于棘爪的作用使转轴8也转动了60°，此时，起重永磁吊的可动磁系与固定磁系在工作磁极面上所产生的磁场强度相消，如图2 (C)所示。当吊车把起重永磁吊放到被吸物上并把吊链与弹簧落下时，摆杆与棘爪又回到初始位置，而摆杆与棘爪下落过程中转轴8并没有动，因为在下落过程中，棘爪只是滑到棘轮的下一个齿槽内。当吊车再次起吊时，摆杆带动棘爪使转轴8转动了60°，使转轴5转动180°，很明显可动磁系也转动了180°(因为转轴8上的齿轮的直径是转轴5上的齿轮直径的3倍)，这时可动磁系与固定磁系的磁状态如图2(d)所示，两个磁系在工作磁极面上磁场加倍即为吸物状态，此时在吊车的运送下，永磁吊吸着被吸物体运到卸货地点，吊链落下时，，摆杆带动棘爪在棘轮边缘滑下来，此时转轴8并没有转动，可动磁系也没转动，整个复合永磁体仍保持吸物的磁状态，当吊车再次把起重永磁吊的弹簧拉紧时，在弹簧力的作用下，摆杆转动60°，使可动磁系转动180°，使两个磁系的磁状态如图2(C)所示，即为卸物的磁状态。此种结构的设计有两个优点。

图1 稀土永磁吊结构图

图2 复合永磁体吸物与卸物时的状态

一是实现吸缷机构的自动化，即利用牵引力产生的力矩实现可动磁系的转动。

二是当被吸物体处于倾斜状态时，磁吊也可将其吸起。因为在吊链12未受力时，也就是在磁吊未被吊起时，弹簧的初拉力使得摆杆就已到达其极限位置13处，可动磁系就已旋转到图2(d)位置处，此时可动磁系与固定磁系在磁极面处所产生的磁场强度相加强。这样即使被吸物体有倾斜，吊链12在拉直前，磁吊就可以对被吸物产生最大的吸力，随着吊链12的移动，被吸物被缓缓升起。(如果弹簧10改为小吊链，那么在被吸物处于水平位置时，小吊链被拉直的同时，吊链12也同时被拉直，那么一旦被吸物处于倾斜位置，左侧或右侧的吊链12被拉直时，摆杆还没有到达其极限位置处，也就是可动磁系还未到达图2(d)处，对被吸物产生不了最大的吸力，使磁吊无法吸起物体。)

3 可动磁系的自锁机构

当起重永磁铁处于吸物的工作状态时，可动磁系的永磁体与固定磁系的永磁体处于同极相斥的状态，为高磁能不稳定状态，所以我们设计了一种机构，该机构使永磁体不处于水平位置，而是如图2(d)所示，其右边与水平位置向下偏5-7度(假定可动词系是反时针旋转)，这样减少了可动与固定磁系间的斥力，但如不将可动磁系锁住，让其处于自由状态，则会发生翻转，并转向与固定磁系的永磁体处于异性磁极相吸的稳定状态，所以永磁体处于吸物状态时，必须将可动磁系锁住，才能保证其作业时安全可靠。所以我们设计了一种自锁机构，该机构如图三所示，那么磁力的作用使其离开平衡位置向下继续转动(顺时针转动)时，自锁机构就限制它的转动，因为该装置只允许轴5反时针旋转，当可动磁系处于同极相斥状态时，就不会发生翻转。

［1］ 丁宁，刘晓杰，李晓梅.稀稀土起重永磁吊传动系统设计［J］.长春大学学报，2000(4)：1-2.

［2］ 丁宁，王龙山，何平.稀土起重永磁吊的设计原理［J］.吉林工业大学自然科学学报，2001(1)：89-92.

［3］ 丁宁.稀土起重永磁吊的磁路设计［J］.长春大学学报，2000(1)：11-13.

［4］ 丁宁，王龙山.稀土起重永磁吊的自动吸卸结构设计［J］.机械制造，2002(2)：25-26.

［5］ 徐志锋，刘新才，庄建平，蔡长春.500kg钕铁硼永磁磁力吊的设计与实验［J］.磁性材料及器件，2000(3)：57-60.

［6］ 丁宁.起永磁吊的磁路设计程序与计算［J］.长春大学学报，2000(2)：9-11+25.

［7］ 王祯忠.机械式自动挂脱吊钩［J］.起重运输机械，1996(5)：23-24.

责任编辑：吴旭云

Research of a New Type Energy-saving Rare Earth Permanent Magnetic Crane

PEI Yi-zheng1，2，DING Ning2
(1.College of Mechanical and Electric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The rare-earth permanent magnetic crane is a tool used to stick or unload automatically without electricity，the application of which makes hoisting of ferromagnetic goods safe and convenient.On the one hand，it lifts cargos without binding，reducing a lot of trouble.On the other hand，It works without electricity，improving security.This article makes a further study on the topic about permanent magnetic crane from magnetic circuit design and automatic sticking or unloading structure，hoping to have a wide application.

permanent magnetic crane;lifting ratio;magnetic permeability;maximum magnetic energy

TM273

A

1009-3907(2011)08-0010-03

2011-06-10

吉林省科技发展计划项目(20060533);吉林省产业技术研究与开发项目(2009038);吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(2011215)

裴一铮(1973-)，男，吉林通化人，硕士研究生，工程师，主要从事机械制造及其应用的研究。

丁 宁(1967-)，女，辽宁营口人，教授，博士，主要从事机械制造及其应用的研究。