1、学号 14071900494 毕业设计（论文）题目： 一 吨 全 自 动 永 磁 起 重 吊 的 设 计 作 者 武 道 届 别 2011 届 院 别 机 械 工 程 学 院 专 业 机 械 设 计 制 造 及 自 动 化 指 导 教 师 赵 稳 职 称 高 级 工 程 师 完 成 时 间 2011 年 5 月 20 日 I摘 要在起重行业中，永磁起重技术具有广阔的应用前景，更符合我国经济的可持续发展战略，但是目前这方面的研究还不够深入，技术水平很有限，因而没有得到广泛应用。本文对永磁起重技术进行了深入全面的研究，并就该技术中永磁材料的选用问题及运行中的卸重（退磁）问题进行了详细的论述。介绍了
2、永磁起重吸盘的工作原理及相对于传统电磁铁的节能、省材、廉价、安全等特点，讨论了应用一组起吊杆机构及永磁磁芯中各零部件的材料选用问题进行了分析，在实现设定起重量要求的基础上，设计了合理的磁路，对吸盘各部分的尺寸进行了计算分析。此外，对聚磁问题也进行了一定的探讨，以获得尽可能大的磁通。在完成额定起重量为 1000kg，最大起重量为2550kg 的全自动永磁起重吊的起吊杆机构设计基础上，还完成了 1000kg 全自动永磁起重机的整机设计工作，本文分别作了阐述。关键词： 起重吊；永磁；起吊杆；自动控制湖南理工学院毕业设计（论文）IIAbstractIn the crane trade, the lif
3、ting technique of permanent magnetism has wide application prospects， accord with the sustainable development strategy of the economy of our county even more， but the research of deepening to the lifting technique of permanent magnetism, and on the question of exertion of the permanent magnetism mat
4、erial in this technology and unloading heavy (remove the magnetism), question gone on the detailed argumentation in operating. Working principle of this technology is introduced. Compared with traditional electromnagnet, this device has many merits. The article discusses methods of magnetization and
5、 demagnetization by the pulse of strong current. Such as the circulation of one group of lever structure and permanent magnetic lifter which can makes a deep analysis on the aspect of selecting material related to every parts of hanging-pad and permanent magnetism core. On the basis of the fact that
6、 the required weight was set up, we have designed reasonable magnetism circuit and have carried on computational analysis to the size of every part of the pad. In addition, in order to make magnetism as big as possible, some problem concerning gathering magnetism has been researched. On the basis of
7、 finish the structure of lifting staff design of automatic permanent magnetic lifter, whose amount lifting weight is 1000 kg and the maximum weight is 2550kg, I have also finished the complete machine design work of 1000kg automatic permanent magnetic lifter , this text has been explained separately
8、.Key Words Crane；permanent magnetism；Lifting staff ；Automatic control 目 录摘 要 IAbstract .II1 绪 论 11.1 本课题的来源、研究目的及意义 .11.2 国内外研究现状、水平及存在的问题 21.3 本课题主要研究内容和研究目标 .31.4 本章小结 .42 全自动永磁起重吊系统分析 52.1 本课题系统构建思想 52.2 本课题系统的总体结构 52.3 本设计的创新机理 52.4 本章小结 63 起吊部分设计与计算 73.1 永磁材料的研究状态 73.2 材料选取 .113.3 永磁体的磁吸力 .133.
9、4 磁路设计 .163.5 1 吨永磁吊磁力计算 .183.6 起吊部分设计 .193.7 本章小结 .254 控制部分设计与计算 .264.1 设计思路 .264.2 选取钢丝绳 .274.3 确定卷筒直径 .274.4 电动机的选择 .274.5 本章小结 .295 安全技术 .305.1 安全管理 .305.2 安全注意事项 .306 结论与展望 .326.1 结论 .326.2 展望 .32参考文献 .34谢 辞 .35- 1 -1 绪 论1.1 本课题的来源、研究目的及意义1.1.1 课题来源调查岳阳工业市场，发现在全国范围内，岳阳的电磁、永磁起重技术较为先进，行业实力较强，目前有十
10、多家公司生产各种性能、不同型号的电磁、永磁起重设备。但在起重行业生产实践中，大多数起重设备不能实现全自动作业，尤其是取物装置，目前常用电磁铁、永磁铁等起吊重物，但根据生产厂家反应以及现场应用情况调查，发现这些取物装置或多或少的都存在某些弊端。例如：适用电磁铁吊运重物时，必须有电源，当电力不足或突然断电时，取物装置便不能正常工作，甚至造成安全事故，也不便于水下等一些特殊的工作环境下作业，其安全性、可靠性不高，适用条件受到限制；若适用通常的永磁铁吊运重物时，由于磁芯不能自动移动，使磁路永远处于开通或短接状态，吸盘将永远处于吸料或放料状态，要完成放料和吸料动作的自动转换，必须借助人工，操作辅助退磁装
11、置施加较大外力才能实现硬性分离，致使薄板材变形、不能被起吊自如，由于不能自动退磁，影响到了实际应用。要解决这一系列问题，最好能有一种可实现自动卸重（退磁） ，可以全自动控制的永磁起重设备，我国从 80 年代末就开始了永磁起重技术的研究，取得了可喜的成果，并获得了 20 多项国家专利。但致使在目前，还远没有达到广泛使用的程度，也还不能说取代了电磁起重装置。永磁起重技术，显示出美好的前景，然而目前它尚还处于发展阶段，还有不少问题，需要进一步研究。要解决的基本问题有二：第一是如何选用永磁材料及其最佳方案的设计问题；第二是怎么解决卸重（退磁）问题。可以说卸重问题更为重要，否则，起重量再大也没有意义。1
12、.1.2 研究目的和意义永磁起重技术，是永磁材料应用的新领域之一，也是起重技术发展的一个新方向。用永磁体在空间建立一个磁场，除了制造该永磁体时消耗掉一定的能量外，在长期使用过程中就不再另外消耗能量了。显然，这是永磁体的一大优点。近几年来，随着人们对能源认识的重要性日益深刻化和具体化，利用永磁体以节省电能，已成为许多电磁设备设计工作中的一个原则。起重机行业作为工业的一个重要组成部分，在我国的经济建设中，发挥着十分重要的作用。西部大开发、南水北调、青藏铁路等一大批国家级重大工程建设，我国稳湖南理工学院毕业设计（论文）- 2 -步推进的城镇化建设和可持续发展战略的实施，都为起重机行业提供了庞大而长久
13、的市场。电磁起重技术在起重机中的应用，可省却许多人工捆扎、挂装吊钩等繁重工作，使用起来十分便捷。然而，电磁吸盘所产生的电磁系里依赖于通电线圈的匝数，因而不可避免地带来耗电量大等一系列缺点 1；另外，永磁起重设备还广泛用于仓库和作业现场的钢材的起重搬运，工程机械的移动，机床加工件的上下移动，配合在吊车、升降机起重搬运物品中使用。使用于各类平整的钢材、机械零部件或半成品、模具的搬运。随着工业与科技的快速发展，随着人们节能意识及安全意识的不断增强，作为永磁材料应用的新领域之一的永磁起重技术，逐渐成为起重技术发展中的一个具有广阔前景的新方向，不少科技工作都致力于此项技术的研究。永磁起重装置的基本特征是
14、：在起重作业过程，不需要通以电流，仅靠永磁吸盘中永磁体产生的强大磁吸力，就可以把钢铁等铁磁性物件吸吊起来。因此，相对于传统的电磁式起重而言，永磁起重的最大优点，就是节约能源。同时，因为安全可靠。又由于不需要防断电装置，因此有利于降低成本，也不存在配线系统故障的情况下，产生任何危险，并可在室外作业。一般而言，永磁起重装置的体积和重量，要比同级的电磁式的装置小而轻，采用高能磁性材料后使之体积更小、重量更轻、而磁力强大。1.2 国内外研究现状、水平及存在的问题永磁起重技术，是永磁材料应用的新领域之一，也是起重技术发展中的一个新方向。目前，还远远没有达到广泛使用的程度，但是永磁起重技术具有十分广阔的市
15、场前景，然而，目前该技术尚不成熟，还处于发展阶段，还有不少问题需要解决。在实际的生产应用中，对永磁起重装置的基本要求为：起重时，永磁吸头处必须具有强大的磁场，此时，磁力线通过待吸附的钢铁件，钢铁件被磁场所产生的磁吸力吸附：在卸重时，永磁吸头处没有磁场（含磁场被抵消的情形） ，此时，待吸钢件中无磁力线通过，钢铁件脱离永磁吸头的吸附。为达到这个基本要求，人们进行了各种各样的设计，研制出一系列的起重装置，这起重比较典型的有：转动位移式永磁起重装置、平动位移式永磁起重装置、电脉冲充退磁式起重装置、磁开关式永磁起重装置以及电磁反磁场抵消式永磁起重装置 2等等。目前，永磁起重技术中需要解决的两个方面的基本
16、问题：第一，是如何合理地选用永磁材料及其最佳磁路的设计问题；第二，是怎样解决卸重问题，也就是自动退磁湖南理工学院毕业设计（论文）- 3 -问题，在这里卸重问题更为重要，如果卸重问题得不得很好的解决，起重量再大也毫无意义。永磁材料的选用问题，从发展永磁起重技术的角度考虑，希望选用磁性能优异、居里点高、磁稳定性好和价格适中的新型永磁材料。此外，对选用的永磁材料，还存在着合理使用问题。既要充分考虑材料本身的特点，也要考虑设计方案的整体要求，还要考虑到具体的使用环境，找出最佳的设计参数。这些问题都有赖于理论计算和通过正确的磁路设计去求得合理解决。最后，还得通过实验去检验，在实验中不断求得完善。至于永磁
17、起重的卸重问题，人们对此进行了种种设计。转动位移式退磁和平动位移式退磁不失为是两种好办法，但是存在一定问题：第一，从磁路设计角度考虑，两个磁系统之间的间隙越小越好，这样可使场强越大漏磁越小，但场强越大，位移阻力也越大，这是一个矛盾；第二，随着位移次数的增加，磨损也会逐渐显现出来，从而导致漏磁的增大；第三，位移需要由外力来实现，通常要用电动机来拖动，这样，起重量越大，消耗的电能也越大。电磁反磁场抵消法，既消耗电能，又添加了一套电控系统，操作起来也不够便捷，故也有其缺陷；至于电脉冲退磁法和磁开关法，其起卸重物的效果比较好，不足的一面是需添加一套电脉冲系统，对永磁体直接进行充退磁的方法，比较简单实用
18、，但也有其局限性，对高矫顽力的永磁体就不便采用。综上所述，可知永磁起重技术中关键的卸重问题，目前还没有圆满解决，有关这方面的研究，依然是永磁起重技术中关键的卸重问题，目前还没有圆满解决，有关这方面的研究，依然是永磁起重技术研究中的重点。1.3 本课题主要研究内容和研究目标1.3.1 研究内容本课题着眼于全自动永磁起重器的研究与设计，研究的主要内容包括：设计一个起吊重量为 1 吨的全自动永磁起重机，包括起吊杆、磁芯、吸盘、自动控制装置及相关零部件的设计；分析类比目前常用的永磁材料，并选择合适的永磁材料，设计合理磁路；分析起重电磁铁、永磁铁工作状况，对起吊机构和新型磁芯进行设计；进行相关电路设计及
19、结构设计，实现起重吊的工作过程的全自动控制。1.3.2 课题的预期目标本次设计预期目标主要有以下几点：湖南理工学院毕业设计（论文）- 4 -1. 选择合理的永磁材料及零件材料，进行必要的力学计算，使所选磁性材料达到较高的性能价格比；2. 设计起吊杆机构配合永磁起重吊实现自动卸重（退磁） ；3. 设计合理的永磁吸盘和永磁磁芯结构；4. 设计合理的电路，使该装置实现自动控制，操作简便；5. 采用合理的工艺，消除剩磁、漏磁的影响，使该设备便于搬运和适用于水下及野外作业；6. 制作起重吊模型进行起吊实验，验证是否能达到上述目标。1.4 本章小结通过市场调查，选定本课题，分析、对比国内外起重行业的发展状
20、况及水平，依据 起重运输行业优先发展的重点产品应具备产品的性能指标高、性能稳定和运行高效、环保节能、机电一体化和操作性能好的特点，制定了本课题的主要内容及预期的目标。湖南理工学院毕业设计（论文）- 5 -2 全自动永磁起重吊系统分析21 本课题系统构建思想起重机械是以间歇、重复工作方式，将重物通过起重吊钩或其他吊具悬挂在承载构件（如钢丝绳、链条）下进行起升、下降，或升降与运移的机械设备。本课题主要对全自动永磁起重吊的起吊部分进行了设计，设定的额定起重量为 1 吨，最大起吊重量为 2.55 吨，能实现以下几点要求：1. 工作时，起吊部分不需外接电源，完全以永磁起重吊自身重力为动力，利用巧妙构思的
21、增力杠杆和推杆机构自动推动吸盘上的磁芯往复移动，实现磁路开通与短接，达到自动起吊目的，且吸料、放料动作安全可靠。2. 操作部分的设计能满足两台电机的正反转工作要求，能配合起吊部分完成全自动吊运的工作过程，并有良好的安全保护性能，且可远距离遥控；3.磁芯移动自如，很好地解决卸重（退磁）问题，剩磁消除彻底。起重设备是间歇工作的机器，具有短暂而重复的循环作业的工作特征。一个工作循环包括：取物，起升并运行到卸货点，下降，卸料，然后空车返回原地。一个工作循环的时间一般只有几十秒到几分钟，最长也不过一二十分钟。同时工作循环的长短不仅取决于起重机各机构的运动速度，而且也依赖卸物料的辅助时间的长短。2.2 本
22、课题系统的总体结构全自动永磁起重吊主要由起吊与控制两大部分组成。起吊部分是由一组构思巧妙的连杆机构组成的纯机械装置，主要由磁芯、吸盘和起吊杆机构三大部分组成。该部分也是完成自动取物的技术关键，其机构运动简图如图 2.1 所示。控制部分是由电动机驱动板、无线接收处理电路、电动机和电源再配合工厂实际应用的行车、塔吊等起重辅助设施形成的机电结合全自动装置。 图 2.1 工作原理示意图2.3 本设计的创新机理湖南理工学院毕业设计（论文）- 6 -人类文明的进步与发展，是一部不断创新不断发展的历史，技术创新是实现机械工作振兴的根本途径。起重机械是各种工程建设和生产中广泛应用的重要设备。它对减轻劳动强度，
23、节省人力，降低生产和建设成本，加快进度，实现机械化作业起着十分重要的作用。本设计相对于目前市场上现有的电磁、永磁起吊设备具有以下创新点：1. 全自动永磁起重吊的吸盘磁芯的往复移动既不需电，也不需手动，完全利 用永磁起重器的自重和机械式自动起吊机构来完成自动控制磁路的开通 和短接，达到全自动工作的目的。2. 采用高能磁性材料，使之体积更小，重量更轻，但吸附力强。基本消除剩磁、漏磁影响。3. 由于本永磁起重吊起吊部分工作时不需用电，所以适用于水下、野外、以及一些用电不方便的场合作业。4. 全自动永磁起重吊能吊运块状、圆柱形及其它形状的导磁材料。适合吊运板材，特别是薄板材，且确保薄板不发生形变。5.
24、 全自动永磁起重吊巧妙利用机电一体化实现了吊运过程的全自动化，降低了劳动强度，而且操作简单、安全。2.4 本章小结本章确定了全自动永磁起重吊设计的系统构建思想，初步设计出系统的总体结构，还对本设计的创新点进行了简单介绍：起吊部分纯机械化，利用起吊部分自身重量实现退磁以及电气装置实现自动控制都是本设计的主要创新之处。湖南理工学院毕业设计（论文）- 7 -3 起吊部分设计与计算3.1 永磁材料的研究状态31.1 磁性材料的最新动向及前景1. 永磁体由于永磁体不需要从外部施加电能便能够提供磁场，所以被应用到各个领域。以系磁体为代表的稀土系磁体，因其显示磁体强度的最大磁能积高，对设备的小型化、高性能化
25、做出了贡献，是生产量最大的永磁材料。而铁氧体磁因其性能价格比高，所以在生产量上成为比 Nd-Fe-B 稀土族还多的永磁材料。与此相比，阿尔尼科铁镍铝钴系磁性合金等合金系磁体的优越地位在下降，并停止了其研究。在这种情况下值得注意的是 Nd-Fe-B 系烧结磁体特性的飞速提高，以 HDDR（高密度数字记录） 、纳米合成磁体为代表的粘接磁体的进步。另外，在铁氧体磁体中还有通过 La、Zn、Co 或换置的高性能铁氧体磁体 3。2. Nd-Fe-B 系烧结磁体Nd-Fe-B 系烧结磁体的制造，与主相化合物相比，采用的是副相的组成。这是利用析出的副 Nd 相促进烧结，消除主相表面的磁畴的发生部位。因副 N
26、d 相为非强磁性相，所以存在降低磁化，易被氧化的问题 3。所以有必要尽量减少。最近，在极接近化学计量组成的合金中，通过控制初晶铁析出的溶解铸造法，即带铸法214NdFeB（Strip Casting） 、控制粒度分布的粉碎法、静水压或拟静水压等制造工艺，获得了高达444 的磁能积，其批量化生产也获得了成功 4。3kjm3. Nd-Fe-B 系粘接磁体把磁性粉和橡胶及树脂等混合，再经注射成形或挤压成形的称作烧结。由于能制成薄型和复杂形状，所以在小型电动机方面的需求急剧增加。目前，Nd-Fe-B 系粘接磁体用粉末的制造方法有液体急冷法和 HDDR 法，而液体急冷法正被作为各向同性粉末的制造方法而被
27、确定下来 3。有消息称，美国 MQL 公司于 2005 年以 25 美元/kg 的价格出售粘接磁粉，这已经加剧了粘接磁粉价格竞争。另外，由于 HDDR 法能够制造各向异性粉，所以作为高性能粘接用粉的制造方法已被实际应用。以前为了制造各向异性磁粉，认为添加钴等元素是必不可少的。但通过势力学求证 HDDR 现象的氢压力和温度的关系曲线（P-T 曲线） ，并通过基于该曲线湖南理工学院毕业设计（论文）- 8 -的热处理，发现即使无添加合金，也能得到各向异性磁粉。今后期望搞清楚各向异性的机理、改善温度特性及不可逆退磁率等。4. 纳米合成磁体人们希冀把 a-Fe， 等软磁相与 等硬磁相以纳米尺寸析出，从而
28、获得3FeB214NdFeB高剩余磁通密度（Br）和高磁能积的纳米合成磁体。这种磁体也被称作交换弹性磁体。该磁体即使退磁到接近矫顽力，一旦去掉磁场，磁化即像弹簧一样又回复到接近矫顽力。这是矫顽力低的软磁相和矫顽力高的硬磁性相互交换作用的磁性结合。即使软磁相的磁化被退磁场反转，退磁磁场一旦达到零，便被硬磁相拉升而复原。在以合金作为软磁相在结晶单向取向的纳米合成磁体方面，理论计算磁能积可望达703FeCo到 IM 以上。对此正在进行组织观察，通过微磁学的解析及通过添加 Cr、Cu、Nbjm等元素，进行提高其性能的研究，最近也在进行薄膜和多层膜的研究，并有报告称 Fe-FePt 的磁能积已超过 40
29、0 ，并期望进一步提高 5。3kjm发现 化合物之后，仍在三元系中寻找新的化合物，并发现了饱和磁通密214NdFeB度 Js=1.54T、异相磁场 的高磁性 化合物。但由于 与 a-120.8AHM217xSmFeN2SmNFe 在温度 600以上发生分解，所以正以粘接体用粉的应用为中心进行研究。目前使用该还原法（RD）制造的粉末已能批量生产具有磁能积 100160 的注射成形粘接3kj磁体用粉。在使用急冷的制造方法中，通过添加 Zr 使准稳定相 单相析出，或者17TbCu制成由 a-Fe 和准稳定相 组成的纳米合成磁体，并获得了高的磁特性 3。17TbCu5. 铁氧体磁体铁氧体磁体是以使用
30、为代表的磁体矿酸盐型（M 型）化合物623()aroFeOBS的永磁体。其磁性是通过 的 的超交换作用为基础的亚铁磁性而发现的，最近通过用 置换 ，并用 置换具有四配位侧（4 ）的下自旋磁矩的 ，4La3Sr21ZC1f 3Fe相对增加上自旋 的量，以增加饱和磁通密度 6。现已有报道称，已制造出磁能FesJ积在 40 以上，并被实际实用的磁体。3kjm6. 磁芯材料湖南理工学院毕业设计（论文）- 9 -磁芯材料要求具有：1.高的饱和磁通密度；2.低的矫顽力；3.高的导磁率；4.零磁致伸缩等。以前的磁芯磁性材料有硅钢板、高导磁体镍合金、仙台铁硅铝磁性合金（5Al、10Si 余量为 Fe）等金属材
31、料和铁氧体氧化物材料，新加入的有 6.5硅钢板、非晶材料、纳米结构材料、金属非金属纳米材料等，其材料特性正在提高。7. 6.5硅钢板近年来高频设备在增加，但随着高频化的发展，出现了铁损增加及磁滞伸缩而带来的噪音问题。作为与此相对应的磁芯材料，人们很早以来就察知了阻抗高且磁滞伸缩为零的 6.5硅钢，并一直在试制其薄板的工业化生产。但由于增加硅后其加工性降低，所以尚不能进行工业化生产，但近年来生产了 3的薄钢板，在高温中对其喷，使其连续反应、扩散的连续漫硅法，已经工业化生产出 6.5硅钢板，并作为4SiCl高频、低噪音磁芯材料被实际应用。8. 非晶材料及纳米晶体材料在非晶材料中，由于其晶体磁性各向
32、异性为零，以磁致伸缩为零的组成合金进行等温退火，开发出磁滞伸缩为零的 Co 系液体急冷薄板带、高饱和磁化低铁损系急冷薄带、Co-Fe-B 系及 C（Zr、Hf、Nb、Ti、Ta ）薄膜等 3。纳米结晶材料刚开始是通过热处理，由非晶钛制成粒径 1020 结晶组织的 FeSiBNbCu 薄带，而后开发出 Fe-Hf-Cm薄膜等。人们认为，由纳米晶粒组成的多晶体通过晶体粒子间的相互作用及漏磁通的双极相互作用，各个纳米粒的本身的磁化是在几个集团中相互平行进行的。这时晶体磁性各向异性被平均化，实效性的各向异性常数变小，并且大大地削弱了磁致伸缩，从而发现了优越的软磁性。最近利用精密电镀法制造的高饱和磁通密
33、度的 CoNiFe 膜受到人们的重视。该膜利用磁共析制造混晶结构，以使晶体微细化，是一种低矫顽力的方法。报告称，其特性为 B=1.92.1T， =1.20。 = 。目前正在试制混合磁HCs61.80头和超小型磁头等，期待能成为下一代磁头材料。9. 金属非金属混合软磁材料为了降低金属磁芯材料的涡流电流损失，必须增加电阻。金属非金属纳米软磁性材料是在 、 等绝缘体相的基体中析出 Co、Fe 等纳米磁性结构的组织，2SiO3Al其特点是同时具有软磁性和高电阻 3。软磁性的发现机理基本上与纳米晶材料相同，但电阻却高达数倍或几十倍。因此显示出超过传统铁氧体材料的优异的高频特性。以前湖南理工学院毕业设计（
34、论文）- 10 -主要研究 Co(-Fe)-Al-O、Fe-(B、Si 、Al、Hf 、Zr、M)-（O 、N）等膜 3。最近也在研究频率达到 200MHz 导磁率接近 3000 的 Fe-Mg-Ag-O 系薄膜等。进而通过粒子间的隧道传导，认识非金属金属软磁材料的磁阻效应，并作为磁材料受到重视。作为制造方法，一般是使用溅射法，但也可使用金属氧化物同时电极沉淀法等。今后金属非金属纳米混合软磁材料有望用于超高频线圈、超高密度磁记录磁头。10. 展望在永磁材料领域，从开发 Nd-Fe-B 系永磁体至今已近 20 年。经过各种改善，其特性一直在提高，但现在还没有开发出超越上述磁体的具有绝对特性的磁性
35、材料。在这种情况下，还不能说磁体产业已经达到了成熟期，原料、制品都已经进入了价格竞争时代。考虑到将来的永磁体材料的研究，有必要注意下述三点：1.为了开发新的磁性材料进行基础性研究；2.寻找新的应用领域并促使其发展；3.制造适合用途的制品；（1）稀土族 磁体的发现也是从测定稀土族化合物的磁力性质开始的，在考虑该项研究时，不应仅限于稀土族化合物，开展其它化合物磁性的基础研究也是很重要的；（2）一提到磁体应用，电动机便成为绝对的用途，应探索和扩大除此以外的用途。作为制品，开拓磁体材料特性允许值的意义也是重要的；（3）永磁材料以磁能积的高低决定卖钱多少的时代已不复存在，与磁芯材料意义，必须生产出适合用
36、途、并且最适合其用途的制品的时代已经到来。另外，从环境观点出发，制造适合再利用的制品也很重要。随着磁记录的高密度化、高速化的发展，要求磁芯材料也要进一步高功能化。换而言之，期望更高磁通密度、高阻抗、高频相对应的材料。目前的研究一般是使用溅射法，但考虑到成本，继续引进新的制造工艺等也是相当重要的。3.1.2 我国钕铁硼永磁材料生产状况我国稀土磁性材料发展十分迅速，从技术装备水平和生产规模上看，在世界范围内都已具有相当分量，2010 年钕铁硼磁性材料产量突破 2.3 万吨，稳定占据世界市场的 60以上份额。我国钕铁硼产业呈飞速发展的势头，主要呈现以下特点：1. 生产能力扩大2. 产品档次提高3.
37、应用领域延伸4. 新技术涌现展望：我国钕铁硼产业凭借低廉的生产成本、丰富和廉价的稀土资源、成熟的生产湖南理工学院毕业设计（论文）- 11 -技术仍将保持快速增长的趋势，而且高性能磁性材料的比重会进一步增加；同时由于世界各国消费钕铁硼磁体的产业加速向我国转移及我国磁体应用产业的告诉发展，我国钕铁硼的应用也将快速增长，生产和应用相得益彰，我国已成为世界钕铁硼产业的基地。3.2 材料选取3.2.1 永磁吸盘、永磁磁芯磁性材料选取为了实现起重吊的设计动作，永磁吸盘及永磁磁芯需要选取隔磁材料和导磁材料，可以根据磁导率 来衡量物质导磁能力的大小。真空中的磁导率用 。而铁磁性物质 0的磁导率很高， 。磁导率
38、的单位是亨/米（H/m ） 。:0表 3.1 磁性材料及其性能 3磁性材料 非磁性材料材料名称 铁、硅钢、钴、镍及其合金水银、铜、硫、氯、氢、银、金、锌、铅、氧、氮、铂等导磁性 1 高导磁性，在磁场中可被强烈磁化r: 1 不能被强烈磁化r磁饱和性 a1、 正比于 ，无磁饱B（ ） HI（ ）和现象。2、 为一常数，/=tan不随 的变化而变化。I（ ）磁滞性 无磁滞性湖南理工学院毕业设计（论文）- 12 -B 的变化滞后于 H 的变化，故名磁滞特性。自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁性能好的材料，如表 3.2 列举的硅钢、铁等。按导磁性能的好坏，大体上可将物质分为两类：磁性材料（也
39、成为铁磁材料）和非磁性材料。如表 3.1 说明各自的性能。永磁吸盘、永磁磁芯中的永磁体是磁吸力源，至关重要。对永磁体的要求可大致归纳为以下几点：1）它能在某一空间（或空气隙）产生一恒定磁场。当然这个磁场往往形成一个作用力，但对磁路设计来说，力是场作用的结果，而磁场是磁力产生的原因。恒定的意思是指在使用中，磁场不论时间的延续，环境的变化，温度的升降，偶然的振动和冲击，其磁性能皆不应变化。绝对不变化是不可能的，但变化应在允许的范围之内。2）适合使用要求。例如要求具有一定机械强度；体积和形状的要求；对漏磁的要求等。3）价格合理。即要求性能价格比高。完全满足这三个方面的磁体是难于找到的，在设计中应视具
40、体情况具体分析。实际选择中，在分析各种材料的磁性能的同时，可参考历史经验，选取适当的磁体。由图 3.2 可见，选用高磁能积、高矫顽力的钕铁硼或稀土钴永磁材料，无论磁路处于接近闭路的状态（如被吸物为平整的钢板、负载线 2）或处于开路的状态（如被吸物为杂乱的废钢、铁屑、负载线 1）时工作点相对地都较高，工作磁密 较高，因而气dB隙磁密 也较高，可得到较大的磁吸力。但对这两类材料的充、退磁比较困难，相应gB充、退磁装置的造价要高一些。钕铁硼材料磁性能高、价格低，缺点是化学稳定性差（易生锈） 、居里点低，所以在使用时应采取表面防护措施，且不能在高温环境下使用。普通钕铁硼材料的使用温度不应高于 80，所
41、谓高温型也只能在 100250下使用。否则其磁性能急剧下降。稀土钴永磁合金的居里点高，可用于 500左右的高温，但价格高，不利于推广。烧结钕铁硼永磁材料是以钕（Nd）32、铁（Fe） 64、硼（B ）1等为基本原材料，少量添加镝（Dy） 、铽（Tb） 、钴（Co） 、铌（Nb ） 、镓（Ga） 、铝（Al） 、铜（Cu）等元素，应用粉末冶金工艺制造的一种铁基永磁材料。烧结钕铁硼永磁材料一方面因具有创纪录的高剩磁、高矫顽力、高磁能积而被人们称为“磁王” ，另一方面又湖南理工学院毕业设计（论文）- 13 -因为其是一种铁基材料，成本低廉而倍受世人关注，且这种稀土资源在我国有很大的蕴藏量。因此本设计
42、永磁磁芯选取的磁性材料为 N38 烧结钕铁硼永磁材料，其主要参数如表 3.2。.表 3.2 烧结铷铁硼永磁材料 3性能 剩余磁通密度 rB矫顽力 Hcb 内稟矫顽力 Hcj最大磁能积（BH）max牌号 mTkGs/AmkOe/AmkOe3/KJmMGOe38N120:.87563:9.1083612860:9本设计选取的烧结钕铁硼永磁材料，规格尺寸为：长宽高=50 5050mm3.2.2 磁轭材料的选取永磁吸盘、永磁磁芯中组成导磁磁路的磁轭为软磁材料。软磁材料是磁路不可缺少的组成部分。软磁材料是磁力线的通路，使用软磁材料可以减少磁阻，在必要的建立均匀的强磁场。对软磁材料而言，希望其有较高的饱和
43、磁通密度 和较高的磁导率sB及较小的矫顽力 ，因而在磁化状态有较小的磁阻，使得永磁磁势小号在磁轭中rcbH的磁压降较小，从而得到较大的气隙磁密和磁吸力，在非磁化状态有较小的剩磁，使得卸重干净彻底。根据上述要求，可采用低碳钢 Q235 作为磁轭材料，不仅价格低廉，而且有较好的导磁性能、加工性能与机械强度 7。在大吨位起重量且采用的永磁体尺寸较大时，为减小脉冲磁化时所产生的涡流形成的反磁场的不利作用，应采用叠合的电工硅钢薄板作为磁轭材料。本设计磁轭材料选取 Q235，规格尺寸为：长宽高=80 5054mm3.2.3 隔磁材料的选取永磁吸盘和永磁磁芯同样需要选取非铁磁性材料防止漏磁及形成设计的磁路，
44、非磁性材料的 近似等于 。本设计隔磁材料分别为高锰钢 65Mn，其特性见表 3.1。03.3 永磁体的磁吸力湖南理工学院毕业设计（论文）- 14 -一体系在某一方向的力或力矩等于在该方向的能量梯度 8，可以表达为：（31）iiwFqiT式中：w 体系的能量 在 方向的坐标i 方向的力 T 方向的力iF 方向的力 这是计算各种力和力矩的基本方法，磁力计算也是据此而来。图 3.1 为永磁吸力计算的最简单模型，永磁体吸引钢铁件，间隙为 ，永磁体的面积为 ，气隙磁通密度gLgA为 ，当很小时，在间隙中各点是均匀的，B因此，气隙 能量有简单的表达式 9为： 图 3.1 永磁吸力的模型（32）20gBAL
45、w或 （33） 28g由式（32）得吸引力：（34）20gBAF式中：F 吸引力（ N） 气隙磁密（ ）g 2Wbm 磁极面积（ ） 真空绝对磁导率（ ）gA2m07410H由式（33）得吸引力：（35）28gBAF式中：湖南理工学院毕业设计（论文）- 15 -F 吸引力（ dyn） 气隙磁密（G ）gB 磁极面积（ ）gA2cm为了计算方便，可将上述公式化为：（36）22149654965ggBFA式中：F 磁吸力（ ） 气隙磁通密度（ ）gKg sG 气隙磁通（ ） 磁极面积（ ）gxMA2cm在磁极面积一定时，磁吸力与气隙磁密或磁通的平方成正比。永磁吸盘要追求尽可能大的磁吸力，就应当通过
46、合理的磁路设计得到尽可能大的气隙磁密与磁极面积。永磁体的材料、体积（重量）一定时，其工作磁密（视在磁密）取决于永磁磁路中的工作点，工作点取决于永磁材料的退磁曲线与由永磁体及被吸dB重物形状、尺寸、气隙大小等因素决定的负载线的斜率 ，如图 3.2 所示。tan图 3.2 永磁材料在磁路中的工作点图 3.2 中，a、 b、c 分别为钕铁硼，永磁铁氧体及铝镍钴（或铁铬钴）永磁合金的退磁曲线，1 与 2 分别为开磁路及接近闭磁路时的负载线，退磁曲线与负载线的交点为工作点。如 D 点即为钕铁硼永磁磁路在开路工作状态时的工作点，相应的工作磁密为。dB气隙磁密 与 密切相关。对于一定材料的永磁体，其退磁曲线
47、是确定的，在开rdB湖南理工学院毕业设计（论文）- 16 -路磁路情况下，永磁体长径比越大，与被吸物间气隙越小（即磁路闭合程度增加） ，工作点也就越高，因而 与 也越高。由图 3.2 可见， 的最高点为 ，即退磁曲线与rBd dBr纵轴的交点，剩余磁通密度，简称剩磁，由永磁体的材料所决定，此时磁路处于所谓“完全闭路”的理想情况。实际磁路中 总是小于 ，而且还受永磁体的磁化历史可dr能形成的自身退磁的影响而降得更低。此时永磁体产生并流经磁极与气隙的最大磁通量 ， 为永磁体横截面积。如果我们采用聚磁技术，如图 3.3（a） 、 （b）所mdBAm示，在永磁体磁极附加一个截面由 逐渐减小为 的导磁极
48、头，则有可能得到大于mAg的气隙磁密。假设磁路无漏磁，则 ，因为 ，并可d dBgAmgBd能大于 ，因此我们可能得到较大的磁吸力。rB如图 3.3（b）所示磁路中磁吸力为：（37）24956gBAF(a) (b)图 3.3 磁吸力模型3.4 磁路设计3.4.1 磁路类型选择由于使用条件千变万化，磁路的种类繁多。可根据结构，形式不同将磁路归纳分类，可大体分为并联磁路和串联磁路。湖南理工学院毕业设计（论文）- 17 -与电路相似，磁路可分为并联磁路和串联磁路。磁体的并联和串联可类似于电池的并、串联，在并联磁路中，磁势不变，而磁通相加；串联磁路中则是磁路磁通不变，而磁热相加。磁体并联相当于截面积增加，磁体串联相当于磁体厚度增加。但是这种类比也不是十分恰当。导电体的电阻率和绝缘体的电阻率相差 倍以180上。所以电流是循规蹈矩的，决不溢出导体以外。在磁路中，就没有这样泾渭分明。一般导磁体的导磁率只有空气导磁率的 倍。所以漏磁比例比较大，对一些矫2103顽力较低的永磁体，反而会本末倒置。造成泄漏磁通大于有用磁通。要精确地测量漏磁通是极为困难的。本设计选用的是并联磁路，增加磁体截面面积，如图 3.4。图 3.4 并联磁路示意图3.4.2 聚磁技术所谓聚磁技术，就是巧妙运用永磁体和导磁体的
