电控永磁全钢磁力模板的结构研究及磁场分析

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　　摘 要：汽车工业的高速发展，塑料件更新换代迅速，注塑模具的快速更换成为必要。模具所用的夹紧方式是决定其更换用时长短的关键，常用的模具夹紧方式有机械锁紧、液压夹模，其共同点是分散点状夹紧。利用磁力夹紧的方式正逐渐被市场所接受，永磁夹紧方式因节能更被看好，电控永磁必然成为未来的发展方向。磁力吸盘正面常采用树脂灌封，在注塑高温环境中常有失效的案例。文章的电控永磁全钢磁力吸盘优化了结构，有效规避了现存的安全风险。
　　关键词：快速换模；电控永磁；双面全钢磁力模板；磁场仿真
　　中图分类号：TG386 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0111-03
　　Abstract： With the rapid development of automobile industry and the rapid replacement of plastic parts， the fast replacement of injection mold is necessary. The tightening mode used by the mold is the key to determine the length of its replacement time. The commonly used mold tightening methods are mechanical locking and hydraulic clamping， which have the same characteristics as scattered point clamping. The use of magnetic clamping is gradually accepted by the market， permanent magnet clamping mode is more promising because of energy saving， electronic permanent magnet is bound to be the trend of future development. The front of the magnetic sucker is often sealed with resin， and there are often cases of failure in the high temperature environment of injection molding. In this paper， the electronically controlled permanent magnet all-steel magnetic sucker optimizes the structure and effectively avoids the existing safety risks.
　　Keywords： rapid mold change； electronically controlled permanent magnet； double-sided all-steel magnetic template； magnetic field simulation
　　引言
　　上世紀50年代日本丰田公司提出了快速更换模具的概念。80年代末国内开始研发用于冲床、注塑机的快速换模。夹紧方式从机械旋压式发展到液压压板式，近几年磁力吸盘（又称磁力模板）已被国内及欧美厂商逐渐接受和采纳，尤其是电控永磁快速换模。因此，对电控永磁磁力模板的结构及磁场进行分析研究很有必要。结构决定电控永磁磁力模板的磁场分布及使用性能，磁路分析是磁力模板结构设计的关键，磁路分析主要有解析计算法和计算机有限元计算法[1-2]。
　　1 电控永磁双面全钢磁力模板
　　磁力模板是一种用于产品注、压成型及其它冲压成型工艺实现模具快速更换的装备，包含电控永磁磁力模板、主控制器、远程控制器、安全检测及报警系统（图1为系统图）。电控永磁磁力模板用于注塑机的快速换模，因用永磁而非电能保持磁吸附故安全，因夹放模具简单方便而实用，因模具更换快捷而高效，因节能而经济，因无液、气泄漏而环保，已被市场逐渐认可，应用前景广阔。但现有技术的磁力模板，磁极与NFB磁钢崁装于壳体内表面灌绝缘胶密封，长期高温环境下易膨胀、开裂而失效，使用寿命短；释放状态下因磁极处常残留剩磁存安全隐患及磁辐射污染，因此，研究电控永磁磁力模板的新结构意义非凡。
　　图2、图3为我公司表面全钢磁力模板实物在注塑机上使用的现场实拍。
　　1.1 双面全钢——磁力模板的新结构
　　全钢磁力模板主要结构包括：1-磁极，2-NFB高能永磁钢，3-LNG可变极性永磁钢，4-电控线圈，5-磁轭，6-缓冲磁轭；磁回路包括：7-NFB磁回路，8-LNG磁回路，9-缓冲磁回路。双极性交替分布，标示有黑点的是相同极性。具体见图4与图5所示。
　　从图4、图5局部剖面图可以看出：全钢磁力模板采用两种永磁源：NFB高能永磁钢（2）和LNG可变极性永磁钢（3）作为驱动双永磁能源。电控线圈（4）周向包裹着LNG可变极性永磁钢（3），电控线圈中的不同方向的瞬时脉冲电流控制LNG可变极性永磁钢的磁场方向及强度，当脉冲电流达到LNG永磁钢的阈值在未饱和的条件下脉冲电流强度决定LNG永磁钢的储能量，即以电能控制永磁，常称电控永磁。全钢磁力模板正面由整体钢板加工成磁极（1）和缓冲磁轭（6）的全钢表面结构壳体，背面是整体钢板的磁轭（5）覆盖所有磁极的背部，即未采用树脂密封的双面全钢封装结构。磁力模板的磁极按规律分布在工作面，对模具产生整面均匀吸附，提高了模具的使用刚度，保持了模具的精度，保证了产品质量。
　　双面全钢因其完美的封装结构对封装在其内部的磁单元及电控线圈有更好的防护和保护，使用更安全、寿命更长、维护成本更低。 　　缓冲磁轭是连接磁极与磁极、磁极与壳体成整体全钢的筋，并形成缓冲磁路，是全钢磁力模板的关键特征。由于永磁磁钢的个体制造差异及装配气隙的影响，两种磁源不可能达到绝对平衡，释放状态下，两种永磁源磁场方向相反、磁动势差异在磁极处会相互干涉导致退磁不净磁极表面有剩磁，缓冲磁轭形成的缓冲磁路能有效融合两种磁源的干涉，使退磁时磁极表面剩磁消失为0。
　　1.2 电控永磁双面全钢磁力模板工作原理
　　电控永磁磁力模板按磁路特点分单极性和双极性，单极性即吸附面的所有磁极表现为相同极性，磁吸附状态时，磁极、被吸物、磁力模板壳体与磁轭形成主体磁回路，壳体对外表现磁性。双極性即吸附面的相邻磁极表现为相异极性，磁吸附状态时，磁极、被吸物、相邻磁极与磁轭形成主体磁回路，两种磁源相匹配时壳体对外不表现磁性。本文的电控永磁双面全钢磁力模板是双极性结构设置，相邻两磁极极性相异交替分布，正反两面整体全钢。
　　电控永磁双面全钢磁力模板的磁回路由NFB磁回路（7），LNG磁回路（8），缓冲磁回路（9）复合而成。当给予电控线圈瞬间足够强的正向脉冲电流，对LNG永磁钢正向充磁至饱和，LNG永磁钢与NFB永磁钢以相同的极性磁化同一磁极，磁场在磁极处叠加，磁极对外表征强磁，通过气隙吸附工件（模具），此为工作状态。图4所示为磁力模板吸附模具的工作状态。
　　当给予电控线圈适当的瞬间足够强的反向脉冲电流，对LNG永磁钢反向充磁至饱和，LNG永磁钢与NFB永磁钢以相异的极性磁化同一磁极，NFB磁钢在磁极中产生的磁场被LNG磁钢产生的反向磁场所吸引导向背面的磁轭形成磁回路，两种磁源相匹配时，LNG磁钢产生的反向磁场与NFB永磁钢在磁极中产生磁场势均力敌，缓冲磁回路的存在辅助吸收强者多出的微弱磁场，磁极对外无磁性，被吸附工件（模具）得以释放，此为释放状态。图5所示为全钢磁力模板释放工件（模具）的释放状态。
　　2 电控永磁全钢磁力模板的磁场分析
　　2.1 永磁材料特性
　　本文的电控永磁全钢磁力模板实例中NFB高能永磁钢为N40H，LNG可变极性永磁钢为LNG52。N40H的主要性能参数：剩磁Br1.26～1.29T（1.275T），矫顽力860～955kA/m，最大磁能积303～318kJ/m3，可逆磁导率？滋=1.05，最高工作温度120℃。LNG52的主要性能参数：剩磁Br1.3T，矫顽力56kA/m，最大磁能积52kJ/m3，可逆磁导率？滋=1.3，最高工作温度460℃。
　　2.2 电控永磁全钢磁力模板工作点设计
　　饱和磁化碳钢大约需要15.92kA/m的外部磁场磁动势驱动[3]，本实例的LNG52永磁钢的驱动磁场强度Hc=56kA/m，足以使碳钢材料的磁极饱和磁化。因压注、冲压工艺要求，对于快速换模磁力模板须在有限空间提供最大磁吸力，对磁力模板的磁路结构设计是个挑战。基于此，磁极磁场容量达到饱和是磁力模板磁路工作点设计的最佳选择，本文采用逆向计算法对本实例的1对磁极进行磁路分析、计算和设计。
　　2.5 磁场仿真
　　3 结论
　　本文通过对双面全钢磁力模板结构的研究，体现了双面全钢磁力模板防护更好、使用更安全、释放状态无剩磁更环保的优点，给出了磁力模板的磁路设计和计算方法，并运用Maxwell对电控永磁磁力模板进行了建模及仿真，形成的实际产品验证了本文论述的可行性。
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