电磁无心夹具的磁力分析

陈乃豪, 王志伟, 张香社, 周川

(新乡日升数控轴承装备股份有限公司，河南 新乡 453700)

电磁无心夹具是一种利用磁力来夹持工件，从而使工件装拆简化，便于上、下料自动化，在轴承套圈的加工生产中应用广泛。但在实际生产中，相同结构的电磁无心夹具所能产生的最大磁力常会有很大的差异，在电磁无心夹具的设计中对如何提高磁力、减少磁损耗还没有明确的设计思路。下文以某一种电磁无心夹具为例，运用磁力学公式，对影响磁力大小的因素进行分析。

1 结构和磁力原理

1.1 电磁无心夹具结构

轴承磨床某一种常用电磁无心夹具结构如图1所示，其主要由线圈、线圈盘、夹具底板、铁磁芯、磁盘、磁极、支承等部件组成。线圈装在线圈盘中，通过夹具底板固定在工件箱体上；铁磁芯固定在工件轴上，从线圈盘中间穿过，并随工件轴一起旋转；磁极固定在磁盘上，磁盘固定在铁磁芯上，随铁磁芯一起旋转；支承在支承座上可调整，使支承与工件保持良好接触。

1—夹具底板；2—线圈盘；3—线圈；4—磁盘；5—隔磁盘；6—磁极；7—工件；8—铁磁芯；9—支承；10—支承座

1.2 磁力原理

电磁无心夹具实际是一种中间铁芯伸出的螺管式线圈结构。由电磁原理可知，当线圈通入电流，在其周围产生磁场，按螺管磁场磁感线的方向，磁感线将依次通过铁磁芯、磁盘、磁极、支承、支承座、气隙及夹具体，最后回到铁磁芯形成一个封闭的磁路，磁场产生磁力，吸附工件使其紧紧贴合在磁极上，随磁极一起旋转。

2 磁力分析

电磁无心夹具的磁力会对加工工件产生影响，如果磁力过大，容易划伤工件支承表面或烧伤；磁力过小，工件夹持不稳，影响工件加工精度。由于螺管式线圈结构的磁路有气隙，很难准确计算磁力的大小，依据电磁吸力的近似计算公式对影响磁力的因素进行分析。磁力计算公式为[1]

(1)

式中：B为磁感应强度；S为磁通横截面面积；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m。

由(1)式可以看出，F与B的平方成正比，与S成正比。在电磁无心夹具的设计中，由于受结构限制，S设为常数，则磁力的主要影响因素为磁感应强度。磁感应强度B的计算式为

B=μH，

(2)

HL=NI，

(3)

式中：H为磁场强度；L为磁路的平均长度；N为线圈匝数；I为线圈中的电流；μ为磁导率。

2.1 采用磁导率高的铁磁芯

图2所示为3种不同材料的磁化曲线[1]，以铸铁和硅钢片铁磁芯为例。由(3)式可知，当电磁无心夹具结构确定后，线圈匝数N及磁路的平均长度L固定，若通入相同电流I，则H为定值。假设H为0.5 A/m，由图2查得，当铁磁芯为铸铁时，B为0.12 T；当铁磁芯为硅钢片时，B为1.14 T，两者之比为1:9.5。因此，在电磁无心夹具的设计中采用磁导率高的铁磁芯能极大地提高线圈的磁力。

磁场强度/(×103A·m-1)

2.2 提高线圈的磁场强度H

对影响磁场强度H的线圈匝数N、线圈通入电流I和磁路的平均长度L进行分析。

2.2.1 磁路的平均长度L

当线圈匝数与通入线圈的电流固定时，磁场强度与磁路的平均长度成反比。因此，在电磁无心夹具的设计中，设计者应该在结构允许的情况下尽量缩短从铁磁芯到磁极的长度，以便能增大磁场强度，进而增大线圈的磁力。

2.2.2 磁路中的气隙

电磁无心夹具线圈的磁路中有一部分是气隙。因此，(3)式的另外一种形式为[1]

NI=H0L0+H1L1,

(4)

式中：H0L0是气隙中的磁场强度与磁路长度的乘积，是磁场在气隙中的损耗，称之为无用磁通势；H1L1是导体中磁场强度与磁路的乘积，称之为有用磁通势。空气的磁阻非常大，若磁感应强度B一定时，假设B等于0.9 T，由图2可以得知H1为500 A/m；由公式H0=B0/μ0(μ0=4π×107)得出H0为7.2×105A/m。两者比值为1:1 440。所以气隙对线圈磁力的影响非常大。

在电磁无心夹具的设计中，为增大线圈磁力，应尽量减少磁路中的气隙。在线圈绕制时一定要密实，并进行浸漆烘烤处理，不容许线圈内部残留空气气隙，并在结构允许的情况下减少铁磁芯、线圈盘、磁盘、磁极等之间的间隙，以减小磁通势在空气气隙中的损耗。

2.2.3 线圈匝数N

由(3)式可知，增加线圈匝数能够提高磁场强度，从而增大线圈磁力；但随着线圈匝数的增加，线圈的电阻也随之增加，从而使线圈中的电流减小，影响线圈的磁力。磨床电磁无心夹具的设计中常用匝数为1 000～2 500匝，实践证明，按夹具所允许的最大尺寸安排线圈匝数，可以满足生产所需的磁力。

2.2.4 线圈电流I

在电磁无心夹具设计中，实际是通过调整线圈中电流的大小来控制磁力的大小。磁性材料在磁场内的磁化曲线(B-H曲线)如图3所示[1]。

图3 B与μ和H的关系曲线

由图可知，随着磁场强度(即电流I)的增大，磁感应强度由显著上升逐渐趋于平缓(磁饱和)。因此，在电磁无心夹具的设计中，电流并非越大越好，当磁性材料达到磁饱和后，电流对磁感应强度的影响并不明显。而且线圈绕制铜线的直径不同，其允许通过的额定电流亦不同，不能只靠增大电流来增大线圈磁力。铜线中电流密度J应小于其额定电流密度[J]，在实际生产中，通常[J]=2～4 A/mm2。

3 结束语

通过对电磁无心夹具磁力的影响因素进行分析，得出了磁力大小控制较为明确的方法，为电磁无心夹具的设计提供了参考。