基于磁懸浮技術的圓周引緯機構研究

胡學濤，林富生，黃豐毅，徐釗釗，宋志峰，劉泠杉，龔小舟

(武漢紡織大學；三維紡織湖北省工程研究中心：武漢 430200)

0 引言

我國三維織機技術研究始于20世紀80年代末，從跟蹤研究到自主創新，經過30多年的發展，工藝水平有了很大的進步，但由于三維紡織工程的專業性和特殊性較強[1]，全自動三維圓筒織機有很多關鍵的技術和機構需要進一步突破，其中引緯機構是織機上最為關鍵的裝置，很多織機的命名都是由引緯的方式來決定的，如有梭織機、劍桿織機、噴氣織機等[2]。本文設計了一種新型磁懸浮圓周引緯機構，實現了一種新型的無機械傳動的圓周引緯方式，為全自動三維圓筒織機提供了更理想的引緯機構。

1 圓周引緯技術的發展現狀

現有的齒輪齒條分段引緯機構通過齒輪齒條機械傳動，使得齒條做圓周引緯運動[3]。其工作原理是：引緯梭子通過弧形齒條與n組傳動裝置的n個齒輪嚙合進行傳動，從而沿圓周方向完成引緯動作，如圖1所示。這種引緯方式雖然效率較高，但傳動結構十分復雜，占地面積大，布線不方便，安裝精度要求很高，需要的電機和減速機數量多，噪聲大，設備維護成本高。

1—傳動齒輪；2—步進電機；3—傳動齒條；4—引緯梭子。

2 磁懸浮圓周引緯機構的結構模型與工作原理

筆者擬采用永磁陣列懸浮引緯梭子，用“E”型線圈驅動引緯梭子進行圓周運動。該磁懸浮圓周引緯機構是由緯紗導紗桿、驅動磁軌、懸浮磁軌、槽軌、“E”型線圈、上下引緯梭子和緯紗管組成，如圖2所示。圖2中在引緯平臺上沿引緯軌跡鋪設了多個分段的槽軌，槽軌底部鋪設了2列永磁體；此外，引緯梭子底部也有2條與之對應的圓弧形永磁體，通過磁極排斥作用懸浮整個引緯梭子。同時，槽軌的兩側均鋪設了驅動磁軌，該驅動磁軌以一定長度的永磁體按N極，S極，N極，S極，…磁極排列，當“E”型線圈經過驅動磁軌時，磁軌會對線圈產生一定的牽引力，從而帶動引緯梭子運動。

1—“E”型線圈；2—槽軌；3—懸浮磁軌；4—驅動磁軌；5—緯紗導紗桿；6—導向輪；7—引緯梭子；8—緯紗管。

2.1 永磁懸浮系統的結構及原理

永磁懸浮系統槽軌底部鋪設了2條弧形磁條，同時在其上方的下引緯梭子上也鋪設了2條與之對應的磁條，從而產生相互排斥的作用，引緯梭子在磁場力的作用下克服重力，以一定高度懸浮在磁軌上方。據此，實現引緯器在圓周軌道上的懸浮。為了保證引緯器穩定、可靠的運行，特在鋁制引緯梭子上裝配了導向小輪。

為了確定引緯器在槽軌中的受力情況，首先確定槽軌中的單塊永磁體與引緯梭子中對應永磁體之間的作用力Fa[4]，其計算公式為：

(1)

式(1)中：q1和q2分別為兩磁極的磁場強度；r為兩磁極之間的距離；μ0為空氣的磁導率。

根據式(1)可以確定實現引緯器穩定懸浮需要的參數，由此可以完成對永磁懸浮機構的具體設計及仿真。

2.2 電磁驅動的結構及原理

新型磁懸浮圓周引緯機構采用電磁線圈磁力驅動原理，如圖3所示。當給線圈通直流電時，“E”型線圈會出現不同的磁極，永磁體和電磁線圈相互作用，此時永磁體會對線圈產生FN-N和FN-S兩個力，在這兩個力的驅動下，“E”型線圈會沿著磁軌方向運動，當線圈的N極運動到磁軌上的N極處，由前方的傳感器檢測出磁軌的永磁體的磁極變化，通過控制系統改變線圈中的電流方向，線圈上的磁極會產生相反的變化，這樣磁軌對線圈會產生兩個新的作用力FS-S和FS-N，在其驅動下，“E”型線圈會沿磁軌方向繼續運動。控制系統不斷改變線圈的電流方向，促使“E”型線圈連續的沿磁軌運動。當需要停止時，通入反向電流，使其產生與運動方向相反的力，對線圈進行減速制動。如圖4所示，在引緯梭子上布置了4個“E”型線圈，當一組線圈剛出磁軌時，另一組線圈進入磁軌，實現了引緯器在軌跡上連續不斷地做圓周運動，完成引緯過程。

圖3 “E”型線圈驅動原理

圖4 引緯梭子線圈分布示意

由電磁學理論[5]可知，線圈的牽引力大小取決于線圈所產生的磁場和永磁體所產生磁場的大小和氣隙的大小。由式(1)可知FN-N和FS-N的大小，由此可推導出沿運動方向的力F，其計算公式為：

(2)

式(2)中：θ為FN-N與運動方向的夾角；r1為電磁體與永磁體之間的距離；q3為永磁體的磁場強度；q4為“E”型線圈中心磁極的磁場強度；q5為“E”型線圈兩側磁極的磁場強度。

根據式(2)可知，線圈在永磁體磁軌的作用下，它的驅動力與永磁體和線圈的磁場強度及兩者之間的距離有關，且驅動力大小與兩者磁感應強度成正比，而與兩者之間的距離成反比。

3 仿真分析及實驗

3.1 永磁懸浮的仿真分析及實驗

根據永磁懸浮原理，使用有限元分析軟件Ansys Maxwell對懸浮模型進行靜態磁場力仿真分析。該模型選用釹鐵硼永磁體(NdFe35)，其截面是長度為10 mm，寬度為3 mm的長方形，長度為100 mm，設置的初始氣隙為7 mm。

從單塊釹鐵硼永磁體懸浮仿真的結果看，絕大多數磁場強度H都在永磁體附近，其磁場強度最大為811 kA/m，見圖5a)；而其磁感應強度B最大值出現在永磁體的角落，最大值為0.76 T，見圖5b)。

a) 磁場強度分布云圖 b) 磁感應強度分布云圖

根據單塊永磁體的仿真結果，求其在不同氣隙下，懸浮體所受力的大小。通過軟件分析計算，得到隨氣隙變化單塊永磁體所受懸浮力的大小變化情況，見表1。由表1可知，單塊永磁體所受懸浮力隨氣隙變小而增大，最大可達14.9 N。

表1 單塊永磁體不同氣隙的懸浮力仿真變化

引緯梭子采用鋁板制成，其懸浮實驗裝置如圖7所示。該實驗裝置采用4塊10 mm×3 mm×100 mm的釹鐵硼永磁體，其懸浮氣隙為11 mm，鋁板的質量約為0.75 kg，見圖6a)；當鋁板質量增加為1.50 kg時，其懸浮氣隙為9 mm，見圖6b)。對比表1中的數據可以看出，有限元仿真的結果與實驗結果基本一致，相差較小，進一步驗證了懸浮模型的正確性。由于設計的引緯梭子總質量約為2.00 kg，結合表1數據，懸浮氣隙選擇約為8 mm最為合適。

a) 11 mm氣隙 b) 9 mm氣隙

3.2 電磁驅動的仿真分析及實驗

根據文中所述的電磁線圈驅動原理，使用有限元分析軟件Ansys Maxwell對“E”型線圈及其驅動磁軌經行瞬態電磁力的仿真分析[6]，創建了電磁驅動線圈模型，見圖7a)。線圈外徑為28 mm、內徑為10 mm、厚度為25.5 mm，匝數為880圈，通電電壓為12 V，線圈阻值約為6.5 Ω，設置線圈與磁軌的初始氣隙為5 mm。由于釹鐵硼永磁體的磁場強度相較于電磁線圈更大，所以磁場強度最大處在永磁體的表面，約為873 kA/m；而“E”型線圈的最大磁場強度在其線圈中的鐵芯周圍，約為220 kA/m，見圖7b)，所以其線圈中心處所受磁場力最大；其磁感應強度的最大值處在線圈中間鐵芯處，約為2.8 T，見圖7c)。通過觀察圖7d)的電磁感應矢量分布，可知“E”型線圈的3個鐵芯大致為S極、N極、S極分布。

a) 電磁驅動線圈模型 b) 磁場強度分布云圖

通過上述理論計算可知，電磁驅動裝置的線圈在磁場中所受驅動力的大小與線圈的磁場強度和氣隙大小有關。在線圈規格一定時，其磁場強度與通入的電流大小成正比，與氣隙大小成反比。筆者將通過2個實驗探究這2個因素對驅動力的影響。

首先，在不改變氣隙大小的情況下，只改變接通電壓的大小，即通過線圈電流的大小，來探究影響效果。在仿真軟件中，通過有限元的方式進行數值計算，得到的結果見表2。

表2 單個線圈在不同電壓下的受力情況

其次，在控制接入電壓為18 V情況下，探究氣隙的大小對驅動力的影響。根據電磁線圈模型的尺寸大小，設定初始位置為3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm時分別進行磁場力的仿真計算，分析不同氣隙下電磁線圈在運動方向上的受力情況，結果見表3。

表3 單個線圈在不同氣隙下的受力情況

由仿真結果可知，在氣隙極限距離為3 mm時，單個線圈在運動方向上的受力最大，可達16 N。隨著氣隙增大，線圈在運動方向上的受力會越來越小。實際引緯過程中的緯紗張力一般約為15 N，由于該引緯機構的驅動線圈由4個“E”型線圈組成，在運動過程中，至少有2個線圈同時受力，所以綜合上述因素，該引緯機構選用電壓為18 V和氣隙為5 mm時最為合適。通電后，電磁線圈能夠產生足夠的驅動力，使引緯器在圓周軌道上克服緯紗張力完成引緯動作，實現引緯過程。

4 結語

針對現有圓筒織機上的齒輪齒條引緯原理，提出一種基于電磁驅動的懸浮式引緯機構。通過永磁懸浮和電磁驅動理論的論證、仿真及實驗，證明了該磁懸浮引緯裝置的可行性，進一步提高引緯效率，為提升織機的織造效率奠定了基礎，也為全自動三維圓筒織機設計了更理想的引緯機構。