基于磁懸浮技術(shù)的圓周引緯機(jī)構(gòu)研究

胡學(xué)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(xué)；三維紡織湖北省工程研究中心：武漢 430200)

0 引言

我國(guó)三維織機(jī)技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代末，從跟蹤研究到自主創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，工藝水平有了很大的進(jìn)步，但由于三維紡織工程的專業(yè)性和特殊性較強(qiáng)[1]，全自動(dòng)三維圓筒織機(jī)有很多關(guān)鍵的技術(shù)和機(jī)構(gòu)需要進(jìn)一步突破，其中引緯機(jī)構(gòu)是織機(jī)上最為關(guān)鍵的裝置，很多織機(jī)的命名都是由引緯的方式來(lái)決定的，如有梭織機(jī)、劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)等[2]。本文設(shè)計(jì)了一種新型磁懸浮圓周引緯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種新型的無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的圓周引緯方式，為全自動(dòng)三維圓筒織機(jī)提供了更理想的引緯機(jī)構(gòu)。

1 圓周引緯技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)有的齒輪齒條分段引緯機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪齒條機(jī)械傳動(dòng)，使得齒條做圓周引緯運(yùn)動(dòng)[3]。其工作原理是：引緯梭子通過(guò)弧形齒條與n組傳動(dòng)裝置的n個(gè)齒輪嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，從而沿圓周方向完成引緯動(dòng)作，如圖1所示。這種引緯方式雖然效率較高，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，占地面積大，布線不方便，安裝精度要求很高，需要的電機(jī)和減速機(jī)數(shù)量多，噪聲大，設(shè)備維護(hù)成本高。

1—傳動(dòng)齒輪；2—步進(jìn)電機(jī)；3—傳動(dòng)齒條；4—引緯梭子。

2 磁懸浮圓周引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)引緯梭子進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。該磁懸浮圓周引緯機(jī)構(gòu)是由緯紗導(dǎo)紗桿、驅(qū)動(dòng)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(tái)上沿引緯軌跡鋪設(shè)了多個(gè)分段的槽軌，槽軌底部鋪設(shè)了2列永磁體；此外，引緯梭子底部也有2條與之對(duì)應(yīng)的圓弧形永磁體，通過(guò)磁極排斥作用懸浮整個(gè)引緯梭子。同時(shí)，槽軌的兩側(cè)均鋪設(shè)了驅(qū)動(dòng)磁軌，該驅(qū)動(dòng)磁軌以一定長(zhǎng)度的永磁體按N極，S極，N極，S極，…磁極排列，當(dāng)“E”型線圈經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)磁軌時(shí)，磁軌會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生一定的牽引力，從而帶動(dòng)引緯梭子運(yùn)動(dòng)。

1—“E”型線圈；2—槽軌；3—懸浮磁軌；4—驅(qū)動(dòng)磁軌；5—緯紗導(dǎo)紗桿；6—導(dǎo)向輪；7—引緯梭子；8—緯紗管。

2.1 永磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

永磁懸浮系統(tǒng)槽軌底部鋪設(shè)了2條弧形磁條，同時(shí)在其上方的下引緯梭子上也鋪設(shè)了2條與之對(duì)應(yīng)的磁條，從而產(chǎn)生相互排斥的作用，引緯梭子在磁場(chǎng)力的作用下克服重力，以一定高度懸浮在磁軌上方。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)引緯器在圓周軌道上的懸浮。為了保證引緯器穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，特在鋁制引緯梭子上裝配了導(dǎo)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(duì)應(yīng)永磁體之間的作用力Fa[4]，其計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：q1和q2分別為兩磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度；r為兩磁極之間的距離；μ0為空氣的磁導(dǎo)率。

根據(jù)式(1)可以確定實(shí)現(xiàn)引緯器穩(wěn)定懸浮需要的參數(shù)，由此可以完成對(duì)永磁懸浮機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)及仿真。

2.2 電磁驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)及原理

新型磁懸浮圓周引緯機(jī)構(gòu)采用電磁線圈磁力驅(qū)動(dòng)原理，如圖3所示。當(dāng)給線圈通直流電時(shí)，“E”型線圈會(huì)出現(xiàn)不同的磁極，永磁體和電磁線圈相互作用，此時(shí)永磁體會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生FN-N和FN-S兩個(gè)力，在這兩個(gè)力的驅(qū)動(dòng)下，“E”型線圈會(huì)沿著磁軌方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)線圈的N極運(yùn)動(dòng)到磁軌上的N極處，由前方的傳感器檢測(cè)出磁軌的永磁體的磁極變化，通過(guò)控制系統(tǒng)改變線圈中的電流方向，線圈上的磁極會(huì)產(chǎn)生相反的變化，這樣磁軌對(duì)線圈會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)新的作用力FS-S和FS-N，在其驅(qū)動(dòng)下，“E”型線圈會(huì)沿磁軌方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)不斷改變線圈的電流方向，促使“E”型線圈連續(xù)的沿磁軌運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要停止時(shí)，通入反向電流，使其產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的力，對(duì)線圈進(jìn)行減速制動(dòng)。如圖4所示，在引緯梭子上布置了4個(gè)“E”型線圈，當(dāng)一組線圈剛出磁軌時(shí)，另一組線圈進(jìn)入磁軌，實(shí)現(xiàn)了引緯器在軌跡上連續(xù)不斷地做圓周運(yùn)動(dòng)，完成引緯過(guò)程。

圖3 “E”型線圈驅(qū)動(dòng)原理

圖4 引緯梭子線圈分布示意

由電磁學(xué)理論[5]可知，線圈的牽引力大小取決于線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體所產(chǎn)生磁場(chǎng)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(dǎo)出沿運(yùn)動(dòng)方向的力F，其計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：θ為FN-N與運(yùn)動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度；q4為“E”型線圈中心磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度；q5為“E”型線圈兩側(cè)磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)式(2)可知，線圈在永磁體磁軌的作用下，它的驅(qū)動(dòng)力與永磁體和線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度及兩者之間的距離有關(guān)，且驅(qū)動(dòng)力大小與兩者磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而與兩者之間的距離成反比。

3 仿真分析及實(shí)驗(yàn)

3.1 永磁懸浮的仿真分析及實(shí)驗(yàn)

根據(jù)永磁懸浮原理，使用有限元分析軟件Ansys Maxwell對(duì)懸浮模型進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)力仿真分析。該模型選用釹鐵硼永磁體(NdFe35)，其截面是長(zhǎng)度為10 mm，寬度為3 mm的長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度為100 mm，設(shè)置的初始?xì)庀稙? mm。

從單塊釹鐵硼永磁體懸浮仿真的結(jié)果看，絕大多數(shù)磁場(chǎng)強(qiáng)度H都在永磁體附近，其磁場(chǎng)強(qiáng)度最大為811 kA/m，見(jiàn)圖5a)；而其磁感應(yīng)強(qiáng)度B最大值出現(xiàn)在永磁體的角落，最大值為0.76 T，見(jiàn)圖5b)。

a) 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖 b) 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

根據(jù)單塊永磁體的仿真結(jié)果，求其在不同氣隙下，懸浮體所受力的大小。通過(guò)軟件分析計(jì)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(jiàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)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(zhì)量約為0.75 kg，見(jiàn)圖6a)；當(dāng)鋁板質(zhì)量增加為1.50 kg時(shí)，其懸浮氣隙為9 mm，見(jiàn)圖6b)。對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)可以看出，有限元仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，相差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了懸浮模型的正確性。由于設(shè)計(jì)的引緯梭子總質(zhì)量約為2.00 kg，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，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(qū)動(dòng)的仿真分析及實(shí)驗(yàn)

根據(jù)文中所述的電磁線圈驅(qū)動(dòng)原理，使用有限元分析軟件Ansys Maxwell對(duì)“E”型線圈及其驅(qū)動(dòng)磁軌經(jīng)行瞬態(tài)電磁力的仿真分析[6]，創(chuàng)建了電磁驅(qū)動(dòng)線圈模型，見(jiàn)圖7a)。線圈外徑為28 mm、內(nèi)徑為10 mm、厚度為25.5 mm，匝數(shù)為880圈，通電電壓為12 V，線圈阻值約為6.5 Ω，設(shè)置線圈與磁軌的初始?xì)庀稙? mm。由于釹鐵硼永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度相較于電磁線圈更大，所以磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度在其線圈中的鐵芯周圍，約為220 kA/m，見(jiàn)圖7b)，所以其線圈中心處所受磁場(chǎng)力最大；其磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值處在線圈中間鐵芯處，約為2.8 T，見(jiàn)圖7c)。通過(guò)觀察圖7d)的電磁感應(yīng)矢量分布，可知“E”型線圈的3個(gè)鐵芯大致為S極、N極、S極分布。

a) 電磁驅(qū)動(dòng)線圈模型 b) 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

通過(guò)上述理論計(jì)算可知，電磁驅(qū)動(dòng)裝置的線圈在磁場(chǎng)中所受驅(qū)動(dòng)力的大小與線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度和氣隙大小有關(guān)。在線圈規(guī)格一定時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)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(guò)2個(gè)實(shí)驗(yàn)探究這2個(gè)因素對(duì)驅(qū)動(dòng)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(guò)線圈電流的大小，來(lái)探究影響效果。在仿真軟件中，通過(guò)有限元的方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)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(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響。根據(jù)電磁線圈模型的尺寸大小，設(shè)定初始位置為3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm時(shí)分別進(jìn)行磁場(chǎng)力的仿真計(jì)算，分析不同氣隙下電磁線圈在運(yùn)動(dòng)方向上的受力情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單個(gè)線圈在不同氣隙下的受力情況

由仿真結(jié)果可知，在氣隙極限距離為3 mm時(shí)，單個(gè)線圈在運(yùn)動(dòng)方向上的受力最大，可達(dá)16 N。隨著氣隙增大，線圈在運(yùn)動(dòng)方向上的受力會(huì)越來(lái)越小。實(shí)際引緯過(guò)程中的緯紗張力一般約為15 N，由于該引緯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)線圈由4個(gè)“E”型線圈組成，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，至少有2個(gè)線圈同時(shí)受力，所以綜合上述因素，該引緯機(jī)構(gòu)選用電壓為18 V和氣隙為5 mm時(shí)最為合適。通電后，電磁線圈能夠產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，使引緯器在圓周軌道上克服緯紗張力完成引緯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)引緯過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有圓筒織機(jī)上的齒輪齒條引緯原理，提出一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的懸浮式引緯機(jī)構(gòu)。通過(guò)永磁懸浮和電磁驅(qū)動(dòng)理論的論證、仿真及實(shí)驗(yàn)，證明了該磁懸浮引緯裝置的可行性，進(jìn)一步提高引緯效率，為提升織機(jī)的織造效率奠定了基礎(chǔ)，也為全自動(dòng)三維圓筒織機(jī)設(shè)計(jì)了更理想的引緯機(jī)構(gòu)。