一种集群式指状电磁铁的结构设计及研究

童和平，谢波，张香红，张洲（广东理工职业学院，广东广州510091）

一种集群式指状电磁铁的结构设计及研究

童和平，谢波，张香红，张洲
（广东理工职业学院，广东广州510091）

合理的磁路结构及均匀的磁场强度对磁流变抛光效果起着至关重要的作用，基于电磁铁的特性并结合集群磁流变技术，设计了一种集群式指状电磁铁。详细分析了集群式指状电磁铁的结构设计，通过Ansoft有限元仿真对集群式指状电磁铁的结构进行仿真及优化。优化结果显示：当凹槽间隙为1mm、凹槽深度为2mm且凹槽进行圆弧处理时，两磁极磁指区域表面可以获得比较均匀的面域磁场。经试验证明，磁极头磁指处磁感应强度的测试曲线与仿真曲线趋势吻合度达87.5%，符合集群效应，磁场强度满足集群磁流变抛光的要求。

集群式；指状电磁铁；结构设计；有限元

0　前言

随着光电技术的发展，越来越多的光学元件被应用于航空、军事等领域中。然而，这些领域对光学元件的要求较高，传统的光学加工方法都满足不了光学元件对精度和表面质量的要求[1-2]。集群磁流变效应微磨头平面抛光加工技术，是将磁流变效应微磨头集群组合形成平面抛光盘用于超光滑平面加工的新工艺方法。集群磁流变抛光技术具有抛光区域大、磁场强度均匀、磨料分布均匀等优点，可以实现高精度、高效率抛光加工目的[3-4]。

永磁式磁场发生器具有磁场强度不可调节、磁场大小较小且不易改变等不足，而电磁式磁场发生器具有磁场强度较大且可任意调节、强度较均匀等优点[5-6]。因此，设计一种电磁式集群磁流变装置已成为集群磁流变抛光技术的重要事项，而磁场发生器的核心问题是电磁铁的结构设计。前期设计的集群式指状电磁铁通过Ansoft电磁场有限元仿真分析，可以获得磁场强度较大、磁场分布较为均匀的面域磁场[7]。为验证集群式指状电磁铁是否满足精密加工对磁场强度的要求，需对集群式指状电磁铁进行磁场强度试验研究。

图1　用于集群磁流变效应抛光装置的磁场发生器

图2　磁极结构示意图及磁极表面特征线

1　集群式指状电磁铁的结构优化

根据集群磁流变效应，综合考虑现有装置改造难易程度、改造幅度大小，最终设计为指状式电磁铁。利用Ansoft磁场仿真软件对指状式电磁铁进行了结构优化[8]，仿真结果表明：指状式电磁铁两相互夹持的磁指所产生的磁场不均匀，这样不利于磁流变超精密加工。因此，需要对凹槽结构进行参数优化，使整个磁指区域产生的磁场均匀化。

1.1两磁极凹槽间隙及是凹槽否圆弧处理的优化

磁极处的凹槽间隙直接影响着两磁极间漏磁间隙的大小，凹槽处是否圆弧处理也会影响尖端效应和磁力线的缺失，进而影响两磁极头表面磁场强度的大小。为了使两磁极头相互夹持的区域获得较大的面域磁场，需要对凹槽间隙进行优化，优化结果如图3所示。

由图3可知：凹槽间隙越大，两相互夹持磁指间的各特征线磁场强度就越小，相反，就越大。当凹槽间隙为1mm且凹槽处进行圆弧处理，两相互夹持磁指间的磁场强度最大。这是因为，凹槽间隙越大，磁力线穿过的空气磁阻越大且两磁极间形成的磁回路越弱，则两相互夹持磁指间的磁场强度就越小；槽口进行圆弧处理，就会降低两磁极头处的尖端效应，进而减少漏磁现象，则两相互夹持磁指加工区域的磁场强度就越大。

1.2两磁极凹槽深度的优化

图3　凹槽间隙及圆弧处理对两磁指表面磁场强度的影响

虽然两磁极磁指区域的磁场强度满足要求，但磁指表面的特征线均匀性较差，用于磁流变抛光会破坏光学元件的表面质量和光整度。不同凹槽深度影响两磁指表面磁场强度的均匀性，因此，对凹槽深度进行了优化，优化结果如图4所示。

由图4可知：凹槽深度越大，两相互夹持磁指表面各特征线的磁场强度越不均匀；相反，就越均匀。当凹槽深度为2mm，两相互夹持磁指表面各特征线上的磁场强度大小较为集中，相差不大（即磁场强度较为均匀）。这是因为凹槽越深，两相互夹持的磁指材料越少，传导磁力线的截面越小，则传到两磁极表面的磁力线越少，并且由于尖端效应，导致指长尖端和中间磁场强度相差很大。当凹槽深度为2mm，两相互夹持磁指的各特征线磁场强度最均匀。如两磁极表面间的特征线X7，两端磁场强度具有周期性变化，基本符合对称，理论上可形成均匀磁场。

图4　凹槽深度对两磁指表面磁场强度的影响及特征线磁场强度的曲线图

2　集群式指状电磁铁的试验研究

根据设计和优化后加工出的电磁铁如图5所示，为了验证其性能，本试验使用PEX-035型数字特斯拉计对指状电磁铁进行磁场强度测试，以便验证指状电磁铁结构的合理性。

图5　集群式指状电磁铁实物图

2.1集群式指状电磁铁磁极头性能测试

为了验证集群式指状电磁铁的磁极头结构设计的合理性，需要用特斯拉计测试两磁指表面各特征线的磁场强度，测量结果如图6所示。

图6　特征线实测后的磁场强度

由图6可知，随着励磁电流的增加，集群式指状电磁铁磁极表面磁感应强度也增大，并且各特征线之间的磁场强度相差不大，均在一段范围内波动，即较为均匀。当电流I由1 A增加到3 A，磁感应强度增加的幅度较大，而当电流I由3 A到3.7A，磁极头的磁场强度增加不大。

2.2激励电流对集群指状电磁铁表面磁场强度的影响

为了验证两磁指表面特征线处磁场强度的误差，需将该区域磁场强度的实测结果与仿真结果进行对比，以确定实测与仿真之间的误差率，对比结果如图7所示。

图7　不同励磁电流对磁极表面磁场强度实测值与仿真值的对比

由图7可知，随着励磁电流的增大，磁极头磁指表面磁场强度实测值与仿真值都增大，且当励磁电流达到3 A后，磁场强度的实测值与仿真值都基本保持不变。这是因为当励磁电流达到一定程度后，导磁材料的磁场强度已接近饱和，磁导率随之降低，所以，磁极头磁指区域的磁场强度增速趋于停止。磁感应强度的测试曲线与仿真曲线的趋势基本吻合，但最大相对误差值也达到了12.5%，这说明磁极头仿真分析具有一定的误差。

2.3指状电磁铁的集群效果分析

为了定性的检验集群效应，在磁极头磁指区域上方放置一个厚度3～4mm的容器，容器内装有磁性铁粉，将其放置于通电状态下的指状电磁铁上测试集群效应，铁粉形状如图8所示：

图8　不同励磁电流及永磁体对铁粉集群效应的影响

如图8（a）可知，励磁电流越大，铁粉的集群效应越明显，且当励磁电流达到3 A时，集群效应并没有显著提高。由于铁粉被磁场强度把持的硬度与铁粉集群厚度存在对应的关系，因此，通过8（b）的实验结果可以得知，铁粉集群厚度随着励磁电流的增加而增加。这是因为，励磁电流增加，导磁材料的磁导率也会随着增加，集群点阵表面释放的磁场增强也会增强，瞬间被磁化的铁粉硬度也增加，由于铁粉之间的相互磁化作用，导致铁粉相互堆积厚度增加，集群效应明显。而磁场强度较小的单个永磁体，导致铁粉磁化面积较小，因此在其表面形成不了面域磁场。

3　结论

根据集群磁流变效应抛光加工技术，设计出了一种集群式指状电磁铁，详细分析并优化了指状电磁铁的结构参数，依据优化参数加工出实物进行试验，试验结果满足集群磁流变抛光对磁场强度的要求。

根据集群效应的思想，设计了一种电磁式指状电磁铁结构，通过对凹槽间隙和是否圆弧处理进行仿真优化，得出当凹槽间隙为1mm且凹槽处圆弧处理，两相互夹持的磁指表面磁场强度较大。

利用Ansoft软件对凹槽深度进行优化，得出当深度为2mm时，磁指尖端和中间的磁场强度相差最小，磁极头表面集群点阵磁场强度较为均匀。

磁极头磁感应强度的测试曲线与仿真曲线趋势基本吻合，符合集群效应，但最大相对误差值达到12.5%，在距离磁极表面4mm处，磁感应强度B值达到800～1 200Gs范围，满足集群磁流变抛光对磁场强度的要求。

［1］张立锋，贺新升.磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究［J］.科技论坛，2010（9）：71-72.

［2］严杰文.集群磁流变效应平面研抛加工特性研究［D］.广州：广东工业大学，2010.

［3］V.K.Jain，P.Ranjan，V.K.Suri，R.Komanduri，Chemo-mechanical magneto-rheological finishing（CMMRF）of silicon for microelectronics applications［J］.CIRP Annals--Manufacturing Technology，2010（59）：323-328.

［4］Y.Zhu，M.Gross and J.Liu，Proc of the 5th Int［M］. Conf.on ERF Suspensions and Associated Technology，W.A.Bullough edit，World Scientific，1994，747.

［5］吴战成.集群磁流变效应超光滑抛光加工过程研究［D］.广州：广东工业大学，2011.

［6］柴京富，阎秋生，张鹏程.磁流变效应微砂轮的磨粒半固着机理研究［J］.中国机械工程，2010（22）：2726-2730.

［7］童和平，阎秋生，潘继生.一种电磁式集群磁流变电磁铁的结构设计及优化［J］.机电工程技术，2012（10）：88-91.

［8］赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

(编辑：向飞)

Design and Research of a Cluster Finger Electromagnet

TONG He-ping，XIE Bo，ZHANG Xiang-hong，ZHANG Zhou
（Guangdong Polytechnic Institute，Guangzhou510091，China）

Themagnetic structure is reasonable and uniform magnetic field intensity on the MRF effect plays a crucial factor，based on the characteristics of the study electromagnets combined MRF technology clusters，designed a cluster finger electromagnet.Detailed analysis of the cluster finger electromagnet design，finite element simulation by Ansoft cluster electromagnet structure simulation and optimization finger.Optimization results show thatwhen the recess gap of 1mm，2mm groove depth and groove for circular deal，the two magnetic poles refers to the surface area of the surface can be obtained relatively uniform magnetic field.The test proved that themagnetic pole head refers to the curve of themagnetic flux density test and simulation curve trend goodness of fit up to 87.5%，in line with the cluster effect，themagnetic field strength tomeet the requirementsof the clusterMRF.

clusters；fingerelectromagnet；structuraldesign；finiteelement

TG749 TP391

A

1009－9492(2015)06－0073－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.018

2015－03－18

童和平，男，1986年生，江西景德镇人，硕士，助教。研究领域：机械与自动化工程系。已发表论文3篇。