横机织针电磁阵列驱动结构设计与仿真

游良风，张成俊,2，左小艳,2，张 弛,2，朱 里,2，袁 星

(1.武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073； 2.湖北省数字化纺织装备重点实验室，湖北 武汉 430073)

针织横机是包括计算机、机械、电子等诸多技术领域的复杂机电一体化设备，在提高针织行业自动化水平和生产效率方面，有着举足轻重的地位。而国产针织横机在某些方面与国际先进水平仍存在一定差距，所以必须提高国产电脑针织横机控制性能和自动化水 平，才能真正实现国产设备替代进口产品[1]。电脑横机的迅速发展，一方面反映了电子技术的发展大大提高了横机的自动化、智能化程度，另一方面体现了现代社会对于高速度、高效率的需求很大[2]。横机编织技术具有成形性好、灵活多样的特点，但近些年来，横机受限于编织效率不高，产品价格低廉、市场饱和等因素的影响，发展比较缓慢[3]。传统横机编织时机头在针板上做往复运动，织针在选针器、三角(凸轮)、机头、针槽等机构的配合下达到不同的编织高度，编织范围内的织针经三角推动做上下运动完成编织动作[4]。然而，传统的机械传动方式选针，针筒与三角凸轮等机械部件的高速运动，会产生不可避免的摩擦，从而降低编织效率。针对传统机械式选针方式的低效率、高冲击和摩擦等问题，在新型磁悬浮驱动织针的基础上，将悬浮系统中的单电磁铁变为多个电磁铁组成的电磁阵列结构，通过电磁铁之间的磁场叠加增大电磁驱动力来提高编织的效率，为针织横机织针驱动结构设计提供理论参考。

1 织针驱动现状

织针是针织机械的核心零件，其品种繁多，结构精细复杂，在编织过程中与纤维直接接触使织物成形，对织物的质量具有至关重要的作用[5]。近年国内外提出了新的选针原理及方法，YATCHEV等[6]提出了动磁式直线电动机应用方案，将电动机的旋转运动变为直线运动，更换编织机构和选针机构；日本福原公司采用的节能织针和沉降片，减少了针身与针槽的接触部位，降低了工作时产生的摩擦热量和能源消耗。新型磁悬浮式单织针驱动结构见图1。利用单电磁-永磁驱动模式将电磁力直接作用在织针上，“以电代机”取代编织和选针机构，实现织针驱动[7]。

图1 新型磁悬浮式单织针驱动结构

目前，国际上有3种类型的磁悬浮：一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮,三是我国的永磁悬浮[8]。磁悬浮织针现基于磁悬浮驱动模式下，通过改变单电磁铁内线圈电流大小和方向，使永磁织针在电磁力作用下悬浮起来，并可以实现上下方向的运动，实现三功位织针悬浮高度的控制[9]。

2 电磁阵列结构

基于图1的单电磁铁磁悬浮驱动结构，本文提出一种由多个电磁铁构成的电磁铁阵列来驱动永磁织针，通过多个电磁铁产生磁场来加大永磁织针在轴向所受的电磁力。基于电磁学理论，电磁铁阵列和永磁织针之间的电磁力计算公式为[10-11]:

(1)

式中：F1为永磁织针对点磁铁的作用力，N；F2为电磁铁对永磁织针的作用力，N；S1为永磁体的底面与永磁所对正的面积，m2；S2为电磁铁芯的截面与永磁体底面所对正的面积，m2；B1为永磁体产生的磁感应强度,T；B2为电磁铁产生的磁感应强度,T；μ0为空气磁导率,H/m。

由式(1)可知，电磁铁与永磁体之间的电磁力与所对应面积和磁感应强度的乘积成正比，可通过增大磁感应强度与电磁铁和永磁体所对面积来增大磁力。但受到针槽空间的约束，永磁织针的底面积无法增大，故通过多个电磁铁同时作用一个永磁织针来增大所对正的面积与磁感应强度的乘积。

2.1 圆柱形电磁铁阵列驱动结构

根据毕-萨-拉定律，圆柱形电磁铁轴线上产生的磁感应强度B为：

(2)

矢量形式为：

(3)

(4)

式中：R为电磁线圈半径，m；x为距离电磁线圈的高度，m；I为电磁线圈的电流,A；μ0为空气磁导率,H/m。

根据上述分析，阵列织针驱动结构见图2。分别用2、3和4个圆柱形电磁铁按图2电磁阵列排列驱动上方永磁织针。如图2(a)为2个电磁铁并列在下方，永磁织针位于电磁铁上方；图2(b)为3个电磁铁成三角分布位于下方，永磁织针在三角中心的上方；图2(c)为4个电磁铁成矩形分布，永磁织针位于矩形中心上方。

图2 圆柱形电磁阵列织针驱动结构

2.2 方形电磁铁阵列驱动结构

根据毕-萨-拉定律，由式(3)可得长为2L的导线产生的磁感应强度B的大小为：

(5)

边长为2L正方形线圈每一边产生的磁感应强度大小为：

(6)

式中：θ为磁感应强度方向与线圈轴向的夹角，(°)；x为与电磁铁线圈截面的距离,m；I为电磁线圈的电流,A；μ0为空气磁导率,H/m。

(7)

方形电磁阵列织针驱动结构见图3。将2，3和4个正方形电磁铁分别按图3方式布置，永磁体位于方形电磁铁阵列中心位置的正上方。

图3 方形电磁阵列织针驱动结构

图4 Ansys Maxwell圆柱形电磁阵列织针驱动模型

3 驱动磁力与仿真分析

3.1 圆柱形电磁铁阵列

将圆柱形永磁织针放置于电磁阵列中心上方。电磁织针初始位置位于电磁铁阵列上方1 mm处，永磁织针以1 mm/s的速度匀速上升，计算出永磁织针悬浮的高度与所受电磁力的曲线图，圆柱形电磁铁驱动仿真模型参数见表1。

根据上述分析，利用Ansys Maxwell仿真软件建立仿真模型，Ansys Maxwell圆柱形电磁阵列织针驱动模型见图4。分别用2、3和4个电磁铁按照“吕”字形、“品”字形和“田”字形方式排列。

表1 圆柱形电磁铁驱动仿真模型参数

电磁铁阵列中通入方向相同的电流，永磁体以1 mm/s的速度匀速向上远离电磁铁的方向运动，当永磁织针与电磁铁间隙为1～14 mm连续气隙时，圆柱形电磁铁阵列永磁轴向受力变化曲线见图5。

图5 圆柱形电磁铁阵列永磁轴向受力变化曲线

由图5可以看出，当永磁体与电磁体的气隙较小时，永磁体对电磁中的铁芯具有较强的吸力，故二者的吸磁力大于斥力，其织针所受的合力向下；而当永磁织针上升到距离电磁铁4～5 mm高度后，电磁铁产生的排斥力大于吸力，其所受的合力向上，推动织针向上运动。

3.2 方形电磁铁阵列

在Ansys Maxwell仿真软件中，将上述圆柱形电磁铁仿真模型换成方形电磁铁仿真模型，电磁铁阵列的摆放与上述圆柱形电磁铁相同，Ansys Maxwell方形电磁阵列织针驱动模型见图6。圆形永磁体位于电磁铁阵列中心上方1 mm处。方形电磁铁驱动仿真模型参数见表2。当永磁体在电磁阵列上方1 mm处并以1 mm/s的匀速向上运动到电磁阵列上方14 mm处，方形电磁铁阵列永磁轴向受力变化曲线见图7。

图6 Ansys Maxwell方形电磁阵列织针驱动模型

表2 方形电磁铁驱动仿真模型参数

图7 方形电磁铁阵列永磁轴向受力变化曲线

4 结束语

在单个电磁铁驱动永磁织针的基础上，本文提出了由多个电磁铁组成的电磁铁阵列来驱动永磁织针。通过图5和7仿真对比圆柱形电磁铁阵列和方形电磁铁阵列在永磁织针轴向运动中，上升高度与轴向所受电磁力变化曲线，得出方形电磁铁组成的驱动模型相比于圆柱形电磁铁组成的驱动模型的电磁力要大一些。通过图7轴向受力仿真数据比较，可以看出由2个方形电磁铁组成的驱动模型相比于3个和4个方形电磁铁组成的驱动模型永磁织针所受的电磁力要大一些。本文提出的电磁阵列驱动模型，可为针织驱动结构的设计提供参考，为新型横机电磁阵列式织针驱动结构设计提供新的设计方案。