При автоматизации технологических операций, связанных с перемещением или фиксацией в пространстве деталей из листовой стали целесообразно применять системы с управляемыми постоянными магнитами (УПМ) вместо традиционных электромагнитов.
Электромагниты имеют большой вес и габаритные размеры, потребляют значительное количество энергии.
Использование УПМ не только снижает вес, размеры и энергоемкость грузозахватывающих устройств, но позволяет использовать автономные переносные источники тока. Поэтому захваты с УПМ могут быть применены там, где электромагниты использовать не возможно.
Принцип работы УПМ.
 |
|
УПМ (рис.1) состоит из:
1- постоянного магнита (ПМ) с большой коэрцитивной силой (магнит 1);
2- ПМ с малой коэрцитивной силой (магнит 2);
3- двух магнитопроводов из электротехнической стали;
4– катушка перемагничивания.
Захват стального листа 5 происходит полюсами магнитопровода 6.
При намагниченности магнитов так, как показано на рис.1 магнитный поток системы замыкается через магниты 1 и 2.
Площади поперечного сечения магнитов подбираются так, чтобы магнитные потоки обоих магнитов, Ф 1 и Ф 2, были равны друг другу.
Ф 1= Ф 2,
B 1×S1 =B2×S2 (1)
где: B 1, B2 – индукция первого и второго магнитов; S 1,S2 – поперечное сечение первого и второго магнитов.
Если условие (1) выполняется магнитный поток, проходящий через полюса магнитопровода, равен 0, УПМ находится в пассивном состоянии (пассивный режим), сила притяжения равна 0.
Если условие (1) не выполняется, то через полюса магнитопровода замыкается разность потоков и возникает небольшая сила притяжения между УПМ и любым магнитным материалом, находящимся вблизи полюсов магнитопровода, что крайне не желательно для пассивного режима.
Для перехода в активный режим через обмотку перемагничивания пропускают импульс тока. Магнит 2 меняет свою полярность (рис.2). Магнитные потоки замыкаются через полюса магнитопровода и удерживаемую сталь: Ф = Ф 1 + Ф 2, возникает сила притяжения R.
 |
|
Для того чтобы произвести полное перемагничивание магнита 2, то есть выйти на его предельную петлю гистерезиса, ток катушки перемагничивания должен создавать магнитное поле напряженностью
H = 3×HC2 (2),
HC2 – коэрцитивная сила магнита 2.
Поскольку магнитный поток, создаваемый катушкой перемагничивания будет замыкаться не только через магнитопровод, но и через магнит 1, будет происходить размагничивание магнита 1.
 |
Чтобы после перемагничивания магнит 1 вернулся в первоначальное состояние (то же значение B 1 и H 1) материал магнита 1 выбирается с большой коэрцитивной силой и линейной характеристикой размагничивания (магнитная пружина).
Практически для магнита 2 выбирают сплавы альнико, металло-керамические сплавы; для магнита 1 – магнитотвердые ферриты.
Расчет УПМ.
Для упрощения расчета считаем, что
- магнитное сопротивление магнитопровода и удерживаемой стали равно 0;
- магнитное сопротивление в воздушном зазоре между магнитом и магнитопроводом равно 0;
- поскольку длина средней силовой магнитной линии магнитного потока обоих магнитов намного больше воздушного зазора δ, считаем, что
B1 = Br1; B2 = B r2 (3).
Br1, B r2 – остаточная индукция первого и второго магнита.
2.1. Выбор и расчет размеров ПМ.
Расчет начинается с выбора материалов обоих магнитов. Материал выбирается по характеристикам размагничивания магнитов (спинка размагничивания - рис.3).
В данной работе выбор производится в соответствии с заданным вариантом, таблица1.
Для того чтобы выполнялось условие (1) один из магнитов необходимо будет обрезать. Магнитотвердые ферриты хрупкие и не поддаются механической обработке, обработать резкой можно только магнит 2. Поэтому выбор габаритных размеров начинают с магнита 1.
Направление намагниченности вдоль размера h 1.
Рассчитываем необходимую площадь магнита 2 из условия (1) и с учетом (3) имеем
В r1 ×S1 = B r2 ×S2;
S2 = B r1 ×S1 /B r2;
S1 = c 1 × b1;
(4)
Значение B r1 и B r2 выбирается по справочнику “Постоянные магниты” под редакцией д.т.н., проф. Пятина Ю.М.
Всоответствии с вариантом выбираем типоразмер магнита 2 и рассчитываем площадь типоразмера S 2' (площадь стандартного магнита 2):
S2' = с2×b2.
В данной работе габаритные размеры магнитов выбраны так, что S2' ≥ S2, и для магнита 2 достаточно одного серийно поставляемого магнита;
В производственных условиях, исходя из технического задания на разработку и условий поставки серийных магнитов, можно получить S2' < S2, в этом случае магнит 2 делается составным из двух и более серийных магнитов так, чтобы S2'´n ≥ S2; где n - количество серийных магнитов.
Рассчитываем необходимые размеры магнита 2. Для этого определяем величину, на которую нужно подрезать один или сразу два размера, определяющие площадь S2'.
Например, при намагниченности вдоль размера h уменьшить площадь S2' = с2×b2 можно уменьшив размер b 2 или с 2. В первом случае получим 
(рис.5), во втором 
.
 | |||
|
В технически обоснованных случаях, когда один размер (с¢2 или b ¢ 2) магнита 2 должен быть равен определенной величине, производится подрезка магнита 2 по двум размерам (рис. 6).
 |
Рис 6.
2.2. Расчет катушки перемагничивания.
По условию 2 определяем напряженность магнитного поля, которую должна создавать катушка H= 3×HC2; значение HC2 выбирают из справочника.
Согласно закону полного тока:
H×lср = J×w (5),
lср –длина средней магнитной линии; J – ток; w – количество витков.
 |
Магнитный поток катушки перемагничивания замыкается через магнит 1 (l1ср), через удерживаемую сталь и полюса магнитопровода ( l2ср ). Для упрощения расчета считаем, что l 1ср = l 2ср= l ср;
J = j×Sпр (6 )
j – плотность тока; Sпр – площадь сечения провода.
Диаметр провода выбирается в соответствии с вариантом.
Длительность тока перемагничивания определяется длительностью переходного процесса перемагничивания, которое не превышает 3 секунд. Допустимая плотность тока при одиночном импульсе длительностью 3 секунды в 6 ÷ 8 раз (7 раз в среднем) больше плотности постоянного тока.
Для медного провода допустимая плотность постоянного тока лежит в пределах 2.3 ÷ 3.5 A/мм2 (3.0 A/мм2 в среднем). Тогда плотность одиночного импульса тока равна:
Определяем величину тока J из соотношения (6).
Площадь окна обмотки равна
S ок = f × m;
Длина средней силовой линии магнитного поля равна:
lср= 2 f+2 m+p a =P+p a;
где: Р – периметр прямоугольника со сторонами m и f.
При f = m площадь прямоугольника, а следовательно и площадь окна обмотки будет иметь максимальное значение (рис.7). Поэтому принимаем f = m, тогда:
lср = 4 f +p a (7).
Подставив (2) и (7) в (5) получим:
3 Hc 2 ×( 4 f+p a) = J×w (8).
Чтобы обмотка поместилась в окно намотки должно выполняться соотношение
w´Sпр / ky £ Sок;
Sок = f×m = f 2;
Sпр = p ×D2max / 4;
w×p×D2max /(4×ky) £ f 2 (9).
Размер a (ширина полюса магнитопровода)определяется по максимальному потоку магнитного поля.
F = F 1 + F 2 = Sn×Bст,
где S n — сечение полюса магнитопровода.
Sn = a×d,
Ф = Br1×S1 +Br2×S2 = Sn×Bст = Bст× a×d,
.
Магнитопровод изготавливается из электротехнической стали, индукция в магнитопроводе (Bст) не превышает 1.5 Тл. Практически индукция стали выбирается в пределах (1.1 – 1.5) Тл, в зависимости от марки стали.
Дальнейший расчет ведется методом подбора значений w и f так, чтобы выполнялись соотношения (8) и (9). Рекомендуемые значения начала подбора: w = 1000, f = 0.5 м. Значения w и f должны быть минимально возможными, так как необоснованное увеличение w и f приводит к резкому увеличению веса и размеров УПМ.
2.3. Расчет геометрических размеров магнитопровода.
Высота H (рис.6) равна H = 2 m + n1 + n2 = 2 f + n1 + n2 . Значения n1 и n2 определяются габаритными размерами магнитов.
Размер d определяется габаритными размерами магнитов.
Если ни один из размеров с2 или в2 магнита 2 не равны размеру d (рис. 7), то магнить 2 подрезается с двух сторон так, чтобы с2 или в2 был равен d.
Если размеры магнитов 1 и 2 по ширине УМП (по размеру d) не будут равны друг другу, магнитопровод будет иметь сложную конфигурацию, следовательно, резко снижается технологичность УПМ. В противном случае УМП будет иметь ступенчатую конфигурацию, что приведет к необоснованному увеличению магнитных потоков рассеивания.
2.4. Расчет силы захвата стального листа.
Сила взаимодействия между магнитопроводом и сталью создается магнитными потоками обоих магнитов и определяется по формуле:
,
где: W – энергия магнитного поля в зазоре;
d - величина воздушного зазора.
Рабочая точка магнитной цепи УПМ находится на прямой магнитного возврата, поэтому магнитная цепь в данном случае будет линейной. Она может быть представлена в виде источника (с магнитодвижущей силой 
и внутренним магнитным сопротивлением rвн), работающего на нагрузку в виде двух параллельно включенных сопротивлений: магнитного сопротивления рабочего зазора r1 и магнитного сопротивления путей рассеивания r2.
Отсюда для потока одного магнита получим выражение:
.
где lМ – длина магнита.
Аналогично для энергии магнитного поля получим выражение:
Малые изменения длины воздушного зазора не влияют на величины rвн, r2. Поэтому можно считать, что r1 = f(d).
Отсюда получаем:
Магнитное сопротивление зазора равно:
.
Тогда можно получить следующее выражения:
и формула для расчета силы будет иметь вид:
.
Поскольку рабочая точка находится на прямой магнитного возврата, то внутреннее сопротивление магнита будет равно:
где FВН – часть магнитодвижущей силы, затрачиваемой внутри магнита;
SМ – площадь поперечного сечения магнита;
ВМ – индукция намагниченности;
НВН – напряженность поля внутри магнита.
Как видно из рис.8
 |
Рис. 8
тогда:
;
где: 
- магнитная жесткость фиктивного закритического материала.
Для расчета магнитного сопротивления путей рассеивания r2 могут быть использованы различные формулы, но так как в данном случае величина воздушного зазора невелика, можно применить наиболее простую формулу Ротерса:
.
Тогда формула для определения силы после подстановок приобретает вид:
После преобразований получаем формулу:
Поскольку сила захвата будет создаваться двумя магнитами, то окончательный вид формулы приобретает вид:
(10),
где m0 = 4×p×10-7 
– магнитная постоянная;
Br 1, Br 2 - остаточная индукция первого и второго магнитов, выбирается по справочнику;
l1M, l2M - длина магнита 1 и магнита 2, для магнита 1 l1M =h1 , для магнита 2 l2M = h 2;
V1M, V2M - объем первого и второго магнитов:
V1M = h1×b1×c1, V2M = h2×b2×c2;
S1M, S2M - поперечное сечение магнита 1 и магнита 2. Для магнита 1 S1M = b1×c1, для магнита 2 S2M = b2×c2;
Sn1, Sn2 - сечение полюсов магнитопровода у магнитов 1 и 2 (рис.9), размеры Sn1 и Sn2 определяются размером d и высотой магнитов.
Для магнита имеющего размер равный ширине устройства площадь поперечного сечения и площадь полюса магнитопровода равны. Их отношение в формуле (10) будет равно 1 (на рисунке это магнит 2).
- магнитная жесткость магнита 1,
- магнитная жесткость магнита 2.
Рабочие точки обоих магнитов лежат на характеристике размагничивания, поэтому B 01= Br 1, B 02= Br 2, H 01 = Hc. Значение H02 (коэрцитивная сила фиктивного закритичного материала для магнита 2) определяется графическим методом. Для заданного материала магнита 2 в справочнике ” Постоянные магниты “ находится график кривой размагничивания B = f (H). В точке B = Br проводится касательная линия до пересечения с осью абсцисс (рис.9). Точка пересечения касательной с осью абсцисс определяет значение H 02.
 |
 |
Рис.10
d - воздушный зазор между полюсами магнитопровода и удерживаемой сталью определяется чистотой обработки полюсов магнитопровода и поверхности стали.
d = AM + Aст, где AM и Aст средняя высота шероховатости полюсов магнитопровода и стали.
Значением AM можно пренебречь, поскольку полюса магнитопровода при изготовлении шлифуются с высокой степенью чистоты обработки: d = Aст. Значение Aст выбирают по заданному варианту.
3. Оформление расчета
Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
- Теоретическую часть
- Исходные данные
- Расчет
- Полученные результаты
- Вывод
Исходные данные должны быть сведены в таблицу:
Вариант ________________________
(указать вариант)
| Магнит №1 | Марка магнита, магнитные характеристики и размеры, (например 25 БА 150 Br = 0,38Т, Нс = 145 кА/м, с1= 68мм, b1 = 40мм, h1 = 16мм) |
| Магнит №2 | Марка магнита, магнитные характеристики и размеры, (например ЮНД4 Br = 0,5Т, Нс = 40 кА/м, с2 = 43,5мм, b2 = 47мм, h2 = 11мм) |
| Данные обмоточного провода (диаметр провода, максимальный диаметр провода, коэффициент укладки) | (например: Æ 1,0; Æmax = 1,09, коэффициент укладки 0,33) |
| Величина воздушного зазора | (например 35мм) |
Расчет должен быть выполнен с подстановкой в формулы цифровых значений, например:
