電磁無心夾具的磁力分析

陳乃豪, 王志偉, 張香社, 周川

(新鄉日升數控軸承裝備股份有限公司，河南 新鄉 453700)

電磁無心夾具是一種利用磁力來夾持工件，從而使工件裝拆簡化，便于上、下料自動化，在軸承套圈的加工生產中應用廣泛。但在實際生產中，相同結構的電磁無心夾具所能產生的最大磁力常會有很大的差異，在電磁無心夾具的設計中對如何提高磁力、減少磁損耗還沒有明確的設計思路。下文以某一種電磁無心夾具為例，運用磁力學公式，對影響磁力大小的因素進行分析。

1 結構和磁力原理

1.1 電磁無心夾具結構

軸承磨床某一種常用電磁無心夾具結構如圖1所示，其主要由線圈、線圈盤、夾具底板、鐵磁芯、磁盤、磁極、支承等部件組成。線圈裝在線圈盤中，通過夾具底板固定在工件箱體上；鐵磁芯固定在工件軸上，從線圈盤中間穿過，并隨工件軸一起旋轉；磁極固定在磁盤上，磁盤固定在鐵磁芯上，隨鐵磁芯一起旋轉；支承在支承座上可調整，使支承與工件保持良好接觸。

1—夾具底板；2—線圈盤；3—線圈；4—磁盤；5—隔磁盤；6—磁極；7—工件；8—鐵磁芯；9—支承；10—支承座

1.2 磁力原理

電磁無心夾具實際是一種中間鐵芯伸出的螺管式線圈結構。由電磁原理可知，當線圈通入電流，在其周圍產生磁場，按螺管磁場磁感線的方向，磁感線將依次通過鐵磁芯、磁盤、磁極、支承、支承座、氣隙及夾具體，最后回到鐵磁芯形成一個封閉的磁路，磁場產生磁力，吸附工件使其緊緊貼合在磁極上，隨磁極一起旋轉。

2 磁力分析

電磁無心夾具的磁力會對加工工件產生影響，如果磁力過大，容易劃傷工件支承表面或燒傷；磁力過小，工件夾持不穩，影響工件加工精度。由于螺管式線圈結構的磁路有氣隙，很難準確計算磁力的大小，依據電磁吸力的近似計算公式對影響磁力的因素進行分析。磁力計算公式為[1]

(1)

式中：B為磁感應強度；S為磁通橫截面面積；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m。

由(1)式可以看出，F與B的平方成正比，與S成正比。在電磁無心夾具的設計中，由于受結構限制，S設為常數，則磁力的主要影響因素為磁感應強度。磁感應強度B的計算式為

B=μH，

(2)

HL=NI，

(3)

式中：H為磁場強度；L為磁路的平均長度；N為線圈匝數；I為線圈中的電流；μ為磁導率。

2.1 采用磁導率高的鐵磁芯

圖2所示為3種不同材料的磁化曲線[1]，以鑄鐵和硅鋼片鐵磁芯為例。由(3)式可知，當電磁無心夾具結構確定后，線圈匝數N及磁路的平均長度L固定，若通入相同電流I，則H為定值。假設H為0.5 A/m，由圖2查得，當鐵磁芯為鑄鐵時，B為0.12 T；當鐵磁芯為硅鋼片時，B為1.14 T，兩者之比為1:9.5。因此，在電磁無心夾具的設計中采用磁導率高的鐵磁芯能極大地提高線圈的磁力。

磁場強度/(×103A·m-1)

2.2 提高線圈的磁場強度H

對影響磁場強度H的線圈匝數N、線圈通入電流I和磁路的平均長度L進行分析。

2.2.1 磁路的平均長度L

當線圈匝數與通入線圈的電流固定時，磁場強度與磁路的平均長度成反比。因此，在電磁無心夾具的設計中，設計者應該在結構允許的情況下盡量縮短從鐵磁芯到磁極的長度，以便能增大磁場強度，進而增大線圈的磁力。

2.2.2 磁路中的氣隙

電磁無心夾具線圈的磁路中有一部分是氣隙。因此，(3)式的另外一種形式為[1]

NI=H0L0+H1L1,

(4)

式中：H0L0是氣隙中的磁場強度與磁路長度的乘積，是磁場在氣隙中的損耗，稱之為無用磁通勢；H1L1是導體中磁場強度與磁路的乘積，稱之為有用磁通勢。空氣的磁阻非常大，若磁感應強度B一定時，假設B等于0.9 T，由圖2可以得知H1為500 A/m；由公式H0=B0/μ0(μ0=4π×107)得出H0為7.2×105A/m。兩者比值為1:1 440。所以氣隙對線圈磁力的影響非常大。

在電磁無心夾具的設計中，為增大線圈磁力，應盡量減少磁路中的氣隙。在線圈繞制時一定要密實，并進行浸漆烘烤處理，不容許線圈內部殘留空氣氣隙，并在結構允許的情況下減少鐵磁芯、線圈盤、磁盤、磁極等之間的間隙，以減小磁通勢在空氣氣隙中的損耗。

2.2.3 線圈匝數N

由(3)式可知，增加線圈匝數能夠提高磁場強度，從而增大線圈磁力；但隨著線圈匝數的增加，線圈的電阻也隨之增加，從而使線圈中的電流減小，影響線圈的磁力。磨床電磁無心夾具的設計中常用匝數為1 000～2 500匝，實踐證明，按夾具所允許的最大尺寸安排線圈匝數，可以滿足生產所需的磁力。

2.2.4 線圈電流I

在電磁無心夾具設計中，實際是通過調整線圈中電流的大小來控制磁力的大小。磁性材料在磁場內的磁化曲線(B-H曲線)如圖3所示[1]。

圖3 B與μ和H的關系曲線

由圖可知，隨著磁場強度(即電流I)的增大，磁感應強度由顯著上升逐漸趨于平緩(磁飽和)。因此，在電磁無心夾具的設計中，電流并非越大越好，當磁性材料達到磁飽和后，電流對磁感應強度的影響并不明顯。而且線圈繞制銅線的直徑不同，其允許通過的額定電流亦不同，不能只靠增大電流來增大線圈磁力。銅線中電流密度J應小于其額定電流密度[J]，在實際生產中，通常[J]=2～4 A/mm2。

3 結束語

通過對電磁無心夾具磁力的影響因素進行分析，得出了磁力大小控制較為明確的方法，為電磁無心夾具的設計提供了參考。