励磁器磁极布置及提离值的确定

路贵兰 赵占朝 付其风

1(河北科技大学机械工程学院 河北 石家庄 050018) 2(河北省特种设备技术检查中心 河北 石家庄 050018)

0 引 言

目前已报道的对钢丝绳故障检测方法有电磁检测法、声发射-超声检测法、射线检测法、电涡流检测法、光学检测法，以及振动检测法等[1-3]。通过对各种检测方法进行比较，电磁检测法因其检测信号强度高、抗干扰能力强、传感器易于设计安装，目前有较好的应用前景。但由于电磁检测法发展时间较短，对其设计参数的选择及应用的报道还比较少，本文通过搭建实验台，分析验证了磁极布置方式、提离值对磁化强度的影响，确定了N-N-S-S磁极布置方式以及传感器在钢丝绳径向安装、提离值范围2～3 mm的最佳信号响度的结果，为电磁检测法提取钢丝绳故障信号做了较实际的探索。

电磁检测法基于对钢丝绳的磁化，目前磁化方式可分为：交流磁化、直流磁化、永磁磁化。永磁磁化因为检测装置重量轻、体积小、磁化效果好、检测成本低[4],近年来得到了广泛的关注。典型的永磁磁路结构有三种，分别是单回路、双回路、多回路励磁结构。青岛理工大学的柳思光等[5]提出了励磁回路的等效磁路模型，对永磁式周向励磁回路的结构参数进行了设计；张义清等[6]通过三维建模、有限元仿真的方法对双回路中永久磁铁的安装位置及励磁回路的方式和励磁的效果进行了探讨；朱伟杰等[7]用有限元的方法分析了励磁装置中各项几何参数对磁化效果的影响，设计出了最优尺寸的励磁装置；中国矿业大学田劼等[8]提出了一种钢丝绳探伤径向多回路励磁检测方法。以上方法都是基于励磁器结构尺寸设计的研究，研究较多的是单回路和多回路，对双回路的研究均未对具体的励磁回路磁极布置作出探讨。本文设计的励磁器的永久磁铁围绕钢丝绳上下布置，磁极布置方式为N-N-S-S，研究表明这种方式可以达到磁化钢丝绳到饱和状态的要求，且装置结构紧密、体积小，信号提取方便。结合磁偶极子理论模型和有限元分析，确定了传感器的安装方向和最佳提离值的选择范围。

1 励磁器结构设计

图1为励磁器结构组成图，由永久磁铁、工业纯铁、气隙组成。永久磁铁为励磁源，本文选用牌号为N35的钕铁硼。工业纯铁选择DT4材料，它有较高的饱和磁感应强度、较高的磁导率及良好的机械加工性能。工业纯铁起导磁作用，在磁回路中改变磁力线方向，减小磁回路的磁阻，增大磁通密度。

图1 励磁器结构组成

在设计本装置时，永久磁铁尽量靠近钢丝绳表面以提高励磁效果，但考虑到钢丝绳的运动以及其断面的变化，应留有一定气隙。结合钢丝绳表面的特殊结构，为减小极间漏磁场的影响，在励磁磁路的设计中，钢丝绳磁化段中部均匀磁场区域沿钢丝绳轴向的长度应不小于一个股间距长度Lmm(Lmm为钢丝绳表面相邻两股间的距离[9]。以规格为8×19S+FC公称直径为8 mm的钢丝绳为例，相邻两股间距离Lmm为8 mm。因此，励磁长度Lm应满足式Lm≥Lmm+2Lms，Lms为永久磁铁的宽度。考虑到结构紧凑，并有利于传感器的安装，工业纯铁1及工业纯铁2的轴向长度设计为120 mm，径向长度20 mm，厚度10 mm。永久磁铁的尺寸设计为9 mm×9 mm×18 mm，工业纯铁3、4、5、6的尺寸为10 mm×10 mm×30 mm。为使钢丝绳能顺利通过，气隙定为2 mm。

2 不同磁极布置的仿真结果对比

本文采用Ansoft公司的maxwell软件对励磁器建立模型仿真。为简化实验台搭建，用8 mm实心钢棒代替钢丝绳进行模拟分析。目的是通过研究不同磁极的布置方式下钢丝绳的磁化效果，找出满足检测要求的最佳磁极布置方式。钢丝绳的典型损伤有断丝、磨损、锈蚀等形式，对于断丝根数的检测，很难做到确切数量的判定，目前的检测方法是将断丝根数换算为钢丝绳横截面积的减少，对于其他的损伤形式主要检测钢丝绳的横截面积[10]。如图1所示，模型中钢棒有2 mm×2 mm的断口，钢丝绳材料选择54C，工业纯铁材料选择DT4，永久磁铁材料选择钕铁硼N35。边界条件设置气球边界条件，利用maxwell自适应的网格划分，进行仿真。

在材料、计算精度、边界条件设置完全相同的条件下，只改变永久磁铁磁极布置方式，仿真结果如下：

(1) N-S-S-N(靠近钢丝绳的磁极逆时针排序)的磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相同，钢丝绳两侧磁极相异，磁通密度如图2所示。

图2 N-S-S-N磁通密度云图

(2) S-S-S-S磁极布置方式，即钢丝绳两侧的磁极相同时，仿真结果如图3所示。

图3 S-S-S-S磁通密度云图

(3) N-S-N-S磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相异，仿真结果如图4所示。

图4 N-S-N-S磁通密度云图

(4) N-N-S-S磁极布置方式，即钢丝绳同侧磁极相异，钢丝绳两侧磁极相同，仿真结果如图5所示。

图5 N-N-S-S磁通密度云图

可以看出，N-N-S-S的磁极布置时钢丝绳磁化效果最好。当钢丝绳进入饱和磁化区时，磁感应强度B≥1 T，即：要将钢丝绳磁化到饱和状态，需要励磁装置在钢丝绳中产生大于1 T的磁感应强度[11]。N-N-S-S的磁极布置方式磁化钢丝绳，钢丝绳的磁通密度接近2 T，满足检测要求。N-N-S-S的磁极布置方式相比较单回路励磁方式，磁化结果稳定。

3 传感器安装方向及提离值的确定

传感器安装方向和提离值的大小是影响检测结果的重要因素，下面采用建立磁偶极子模型的方法来确定出传感器的安装方向及提离值。

磁偶极子是在电偶极子的基础上建立的物理模型，其等值异号组成封闭的回路，可以很好地描述小尺寸的磁场回路。在钢丝绳无损检测中，常用磁偶极子模型来模拟钢丝绳的漏磁信息，如图6所示。磁偶极子在力矩的作用下会发生转动，当力矩为零时，处于平衡状态，利用此原理进行漏磁场的测量。在图6中，正负Q是一对磁偶极子，Q是其电荷量，L1、L2是电荷到A点的距离，钢丝绳缺陷宽度即断丝之间的间隙大小为2δ。B为两电荷在A处的磁场的方向和大小，为两电荷的距离。y轴是钢丝绳的提离值(钢丝绳的表面到传感器的距离)。

图6 磁偶极子模型

传感器与钢丝绳检测表面的距离称为提离值，在图6中用A点的纵坐标表示提离值的大小，采用图6建立的磁偶极子模型，分析提离值的大小对漏磁场的影响。当断口宽度一定，这里设定为5 mm，其他条件不变，漏磁场轴向分量、径向分量在不同提离值下与x的关系如图7和图8所示。

图7 漏磁场水平分量

图8 漏磁场竖直分量

由图7不同提离值的曲线变化可知，当断口宽度一定，提离值越大，漏磁场在水平方向上的分量逐渐减小，当提离值达到一定值，水平分量的值逐渐趋近于零。当提离值较小时，水平分量出现两个最大的峰值。由图8不同提离值的曲线变化可知，当断口宽度一定，提离值越大，漏磁场在竖直方向上的分量越小，当提离值到达一定值，竖直分量趋近于零，且在正负方向都只有一个波峰。

采用maxwell对模型做进一步仿真，在距钢丝绳断口上方画5条线，距离钢丝绳分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、6 mm，观察钢丝绳断口在直线上产生的漏磁场。图9为距钢丝绳不同距离直线所产生的漏磁场。

图9 断口不同距离处产生的漏磁场

根据图7、图8两个仿真图形的分析，轴向的漏磁场的图形较为复杂，出现正负两个峰值，且随宽度的变化会出现回落现象，相比较随宽度或提离值变化的趋势较稳定、清晰。所以在检测钢丝绳漏磁信号时，应选择径向分量作为检测对象进行检测，传感器的安装应在钢丝绳的径向方向。结合图9的仿真结果，考虑到钢丝绳的移动时的位置，提离值为2～3 mm。

4 应用实验

将设计的励磁装置应用到电梯钢丝绳的检测中，选择规格为6×19S+FC公称直径为8 mm的电梯钢丝绳，制作钢丝绳断丝缺陷，传感器沿钢丝绳径向安装，提离值取2.5 mm，搭建的电梯钢丝绳故障检测实验台如图10所示，励磁器分别设置为第一节仿真的磁极布置方式。实验发现只有N-N-S-S的磁极布置方式可以清晰地捕捉到电梯钢丝绳的断丝漏磁信号，检测到钢丝绳的断丝缺陷。图11是励磁器磁极布置方式为N-N-S-S时检测到的钢丝绳断丝信号图。

图10 电梯钢丝绳检测实验台实物

图11 电梯钢丝绳断丝信号

5 结 语

本文介绍的励磁器N-N-S-S的磁极布置方式对钢丝绳的磁化效果最好，可以达到检测要求，且传感器的安装方向径向效果较好。在外界无干扰的情况下，距离断口越近，产生的漏磁场越大，缺陷越容易检测到，考虑到钢丝绳的正常运行，提离值为2～3 mm为宜。在实验室搭建电梯钢丝绳检测实验台，对所做的仿真研究进行实验验证，本文的研究结果得到了较好的应用效果。