勵磁器磁極布置及提離值的確定

路貴蘭 趙占朝 付其風

1(河北科技大學機械工程學院 河北 石家莊 050018) 2(河北省特種設備技術檢查中心 河北 石家莊 050018)

0 引 言

目前已報道的對鋼絲繩故障檢測方法有電磁檢測法、聲發射-超聲檢測法、射線檢測法、電渦流檢測法、光學檢測法，以及振動檢測法等[1-3]。通過對各種檢測方法進行比較，電磁檢測法因其檢測信號強度高、抗干擾能力強、傳感器易于設計安裝，目前有較好的應用前景。但由于電磁檢測法發展時間較短，對其設計參數的選擇及應用的報道還比較少，本文通過搭建實驗臺，分析驗證了磁極布置方式、提離值對磁化強度的影響，確定了N-N-S-S磁極布置方式以及傳感器在鋼絲繩徑向安裝、提離值范圍2～3 mm的最佳信號響度的結果，為電磁檢測法提取鋼絲繩故障信號做了較實際的探索。

電磁檢測法基于對鋼絲繩的磁化，目前磁化方式可分為：交流磁化、直流磁化、永磁磁化。永磁磁化因為檢測裝置重量輕、體積小、磁化效果好、檢測成本低[4],近年來得到了廣泛的關注。典型的永磁磁路結構有三種，分別是單回路、雙回路、多回路勵磁結構。青島理工大學的柳思光等[5]提出了勵磁回路的等效磁路模型，對永磁式周向勵磁回路的結構參數進行了設計；張義清等[6]通過三維建模、有限元仿真的方法對雙回路中永久磁鐵的安裝位置及勵磁回路的方式和勵磁的效果進行了探討；朱偉杰等[7]用有限元的方法分析了勵磁裝置中各項幾何參數對磁化效果的影響，設計出了最優尺寸的勵磁裝置；中國礦業大學田劼等[8]提出了一種鋼絲繩探傷徑向多回路勵磁檢測方法。以上方法都是基于勵磁器結構尺寸設計的研究，研究較多的是單回路和多回路，對雙回路的研究均未對具體的勵磁回路磁極布置作出探討。本文設計的勵磁器的永久磁鐵圍繞鋼絲繩上下布置，磁極布置方式為N-N-S-S，研究表明這種方式可以達到磁化鋼絲繩到飽和狀態的要求，且裝置結構緊密、體積小，信號提取方便。結合磁偶極子理論模型和有限元分析，確定了傳感器的安裝方向和最佳提離值的選擇范圍。

1 勵磁器結構設計

圖1為勵磁器結構組成圖，由永久磁鐵、工業純鐵、氣隙組成。永久磁鐵為勵磁源，本文選用牌號為N35的釹鐵硼。工業純鐵選擇DT4材料，它有較高的飽和磁感應強度、較高的磁導率及良好的機械加工性能。工業純鐵起導磁作用，在磁回路中改變磁力線方向，減小磁回路的磁阻，增大磁通密度。

圖1 勵磁器結構組成

在設計本裝置時，永久磁鐵盡量靠近鋼絲繩表面以提高勵磁效果，但考慮到鋼絲繩的運動以及其斷面的變化，應留有一定氣隙。結合鋼絲繩表面的特殊結構，為減小極間漏磁場的影響，在勵磁磁路的設計中，鋼絲繩磁化段中部均勻磁場區域沿鋼絲繩軸向的長度應不小于一個股間距長度Lmm(Lmm為鋼絲繩表面相鄰兩股間的距離[9]。以規格為8×19S+FC公稱直徑為8 mm的鋼絲繩為例，相鄰兩股間距離Lmm為8 mm。因此，勵磁長度Lm應滿足式Lm≥Lmm+2Lms，Lms為永久磁鐵的寬度。考慮到結構緊湊，并有利于傳感器的安裝，工業純鐵1及工業純鐵2的軸向長度設計為120 mm，徑向長度20 mm，厚度10 mm。永久磁鐵的尺寸設計為9 mm×9 mm×18 mm，工業純鐵3、4、5、6的尺寸為10 mm×10 mm×30 mm。為使鋼絲繩能順利通過，氣隙定為2 mm。

2 不同磁極布置的仿真結果對比

本文采用Ansoft公司的maxwell軟件對勵磁器建立模型仿真。為簡化實驗臺搭建，用8 mm實心鋼棒代替鋼絲繩進行模擬分析。目的是通過研究不同磁極的布置方式下鋼絲繩的磁化效果，找出滿足檢測要求的最佳磁極布置方式。鋼絲繩的典型損傷有斷絲、磨損、銹蝕等形式，對于斷絲根數的檢測，很難做到確切數量的判定，目前的檢測方法是將斷絲根數換算為鋼絲繩橫截面積的減少，對于其他的損傷形式主要檢測鋼絲繩的橫截面積[10]。如圖1所示，模型中鋼棒有2 mm×2 mm的斷口，鋼絲繩材料選擇54C，工業純鐵材料選擇DT4，永久磁鐵材料選擇釹鐵硼N35。邊界條件設置氣球邊界條件，利用maxwell自適應的網格劃分，進行仿真。

在材料、計算精度、邊界條件設置完全相同的條件下，只改變永久磁鐵磁極布置方式，仿真結果如下：

(1) N-S-S-N(靠近鋼絲繩的磁極逆時針排序)的磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相同，鋼絲繩兩側磁極相異，磁通密度如圖2所示。

圖2 N-S-S-N磁通密度云圖

(2) S-S-S-S磁極布置方式，即鋼絲繩兩側的磁極相同時，仿真結果如圖3所示。

圖3 S-S-S-S磁通密度云圖

(3) N-S-N-S磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相異，仿真結果如圖4所示。

圖4 N-S-N-S磁通密度云圖

(4) N-N-S-S磁極布置方式，即鋼絲繩同側磁極相異，鋼絲繩兩側磁極相同，仿真結果如圖5所示。

圖5 N-N-S-S磁通密度云圖

可以看出，N-N-S-S的磁極布置時鋼絲繩磁化效果最好。當鋼絲繩進入飽和磁化區時，磁感應強度B≥1 T，即：要將鋼絲繩磁化到飽和狀態，需要勵磁裝置在鋼絲繩中產生大于1 T的磁感應強度[11]。N-N-S-S的磁極布置方式磁化鋼絲繩，鋼絲繩的磁通密度接近2 T，滿足檢測要求。N-N-S-S的磁極布置方式相比較單回路勵磁方式，磁化結果穩定。

3 傳感器安裝方向及提離值的確定

傳感器安裝方向和提離值的大小是影響檢測結果的重要因素，下面采用建立磁偶極子模型的方法來確定出傳感器的安裝方向及提離值。

磁偶極子是在電偶極子的基礎上建立的物理模型，其等值異號組成封閉的回路，可以很好地描述小尺寸的磁場回路。在鋼絲繩無損檢測中，常用磁偶極子模型來模擬鋼絲繩的漏磁信息，如圖6所示。磁偶極子在力矩的作用下會發生轉動，當力矩為零時，處于平衡狀態，利用此原理進行漏磁場的測量。在圖6中，正負Q是一對磁偶極子，Q是其電荷量，L1、L2是電荷到A點的距離，鋼絲繩缺陷寬度即斷絲之間的間隙大小為2δ。B為兩電荷在A處的磁場的方向和大小，為兩電荷的距離。y軸是鋼絲繩的提離值(鋼絲繩的表面到傳感器的距離)。

圖6 磁偶極子模型

傳感器與鋼絲繩檢測表面的距離稱為提離值，在圖6中用A點的縱坐標表示提離值的大小，采用圖6建立的磁偶極子模型，分析提離值的大小對漏磁場的影響。當斷口寬度一定，這里設定為5 mm，其他條件不變，漏磁場軸向分量、徑向分量在不同提離值下與x的關系如圖7和圖8所示。

圖7 漏磁場水平分量

圖8 漏磁場豎直分量

由圖7不同提離值的曲線變化可知，當斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場在水平方向上的分量逐漸減小，當提離值達到一定值，水平分量的值逐漸趨近于零。當提離值較小時，水平分量出現兩個最大的峰值。由圖8不同提離值的曲線變化可知，當斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場在豎直方向上的分量越小，當提離值到達一定值，豎直分量趨近于零，且在正負方向都只有一個波峰。

采用maxwell對模型做進一步仿真，在距鋼絲繩斷口上方畫5條線，距離鋼絲繩分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、6 mm，觀察鋼絲繩斷口在直線上產生的漏磁場。圖9為距鋼絲繩不同距離直線所產生的漏磁場。

圖9 斷口不同距離處產生的漏磁場

根據圖7、圖8兩個仿真圖形的分析，軸向的漏磁場的圖形較為復雜，出現正負兩個峰值，且隨寬度的變化會出現回落現象，相比較隨寬度或提離值變化的趨勢較穩定、清晰。所以在檢測鋼絲繩漏磁信號時，應選擇徑向分量作為檢測對象進行檢測，傳感器的安裝應在鋼絲繩的徑向方向。結合圖9的仿真結果，考慮到鋼絲繩的移動時的位置，提離值為2～3 mm。

4 應用實驗

將設計的勵磁裝置應用到電梯鋼絲繩的檢測中，選擇規格為6×19S+FC公稱直徑為8 mm的電梯鋼絲繩，制作鋼絲繩斷絲缺陷，傳感器沿鋼絲繩徑向安裝，提離值取2.5 mm，搭建的電梯鋼絲繩故障檢測實驗臺如圖10所示，勵磁器分別設置為第一節仿真的磁極布置方式。實驗發現只有N-N-S-S的磁極布置方式可以清晰地捕捉到電梯鋼絲繩的斷絲漏磁信號，檢測到鋼絲繩的斷絲缺陷。圖11是勵磁器磁極布置方式為N-N-S-S時檢測到的鋼絲繩斷絲信號圖。

圖10 電梯鋼絲繩檢測實驗臺實物

圖11 電梯鋼絲繩斷絲信號

5 結 語

本文介紹的勵磁器N-N-S-S的磁極布置方式對鋼絲繩的磁化效果最好，可以達到檢測要求，且傳感器的安裝方向徑向效果較好。在外界無干擾的情況下，距離斷口越近，產生的漏磁場越大，缺陷越容易檢測到，考慮到鋼絲繩的正常運行，提離值為2～3 mm為宜。在實驗室搭建電梯鋼絲繩檢測實驗臺，對所做的仿真研究進行實驗驗證，本文的研究結果得到了較好的應用效果。