磁滞卷绕张力器阻力矩产生机理

石钢１，吕明２

（１．太原理工大学轻纺工程学院，山西太原０３０６００；

２．太原理工大学机械工程学院，山西太原０３００２４）

【摘要】因进口新型纺织机械上出现多种磁滞张力控制器件，为解决国产化过程中遇到的许多问题，结合前期实践，在综述现代磁学理论相关知识点基础上，探讨磁滞转化能的物理本质。磁滞卷绕张力器属于被动磁能耗磁力机械，其磁滞环在永磁场将机械能转化成热能是形成阻尼张力的物理基础。通过实践证明选矫顽力大、易制成形的粘结永磁Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ做永磁环可提供足够磁场；选加工易磁能积大的粉末冶金Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ做磁滞环比较合理。

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关键词 磁滞张力器；粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ；粉末冶金Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ；磁滞机理

Doi:10.3969/j.issn.2095-0101.2015.04.009

中图分类号：TS103．1文献标识码：A文章编号：2095-0101（2015）04-0028-05

１永磁磁滞阻尼卷绕张力器选题背景和意义

近几年，在进口高档纺织机械中出现多种新型磁滞卷绕张力器。这类永磁磁滞阻尼机械具有结构简单、易于单独控制、节能环保和运行平稳等优点，在纺织工程、金属和非金属线缆制造等领域应用前景广阔［１］。但其基础研究尚不成熟，客观上增加了设计制造的难度，总体上也导致目前此类器件在性价比上并无明显优势。究其原因，许多厂家在盲目试制过程中出现磁性材料选材不当、价格高、工艺不成熟、成品率低、受控张力松劲波动性大、性能一致性差或标定困难、产品寿命不长及预期又不可修复等情况，导致产品全寿命周期的功能价格比倒挂，使得这类貌似简单适用的张力控制器件难以在张力控制很多工序批量使用。

现结合开发磁滞卷绕张力器［2］过程所遇知识点，综合国内外磁滞阻尼器件有关理论、应用研究成果，以已研发的特种磁滞卷绕张力器［3］选材试制过程所遇到的一系列问题为主线，论述磁性材料在其中相互作用机理，并就工程问题提出相应建议和解决办法［4］。

２永磁磁滞阻尼卷绕张力器的磁性器件属性［5~7］

磁力机械都是以磁场为媒介将能量进行转换。从动力输入方式分类，可以分为两类，第一类是磁力驱动机械，主动力来源是永磁能，再转换成机械能［8］，例如永磁电机等；另一类是磁滞阻尼从动机械，主动力来源是外部机械能，经磁能转换成热能，例如永磁刹车制动器和永磁磁滞阻尼卷绕张力器。现研究的是专属此类被动消耗机械能，将卷绕主动力矩通过磁能转换热能生成阻力矩（卷绕张力矩）的磁力机械。这两类在结构上有很多共同点，区别在于，前者定子绕组、转子磁件都充磁，后者定子磁环转子磁环只有一个充磁，另一环随动感应生磁；因此，磁耦合机理不同。为此建立涉及磁性材料学、机械学等多学科的磁滞阻尼器件基础理论，系统研究磁滞阻尼机械的设计理论和方法，对磁滞阻尼机械的应用与发展是很有必要的。

３永磁磁滞阻尼卷绕张力器典型结构

永磁磁滞阻尼张力器典型结构组成简图如图１所示。

磁滞阻尼张力器器结构组成有转轴１、轴承２、端盖３、卷绕张力轮４、外转子永磁环５、内定子磁滞环６（或磁滞环５、永磁环６）、调节盘７、多头调节螺杆轴８、支架９和紧定螺钉１０。永磁环磁Ｎ/Ｓ极对相间圆周排布及随动内转子磁滞环如图２所示。

４永磁环材料选择主要参数及其原则问题［９~１０］

磁滞环、永磁环作为耗能磁性器件的核心元件，永磁环利用磁性材料的内禀性质如饱和磁化强度、居里温度和磁各向同性等影响外磁场，磁滞环磁性材料的阻尼特性如磁导率、矫顽力、剩磁、矩形比和磁能损耗等是此类器件应用的基本条件。

磁性材料品种繁多、技术更新很快［11］，而磁性材料一般选择原则：能保证永磁环和磁滞环之间气隙磁场强度足够强大；满足工作环境条件温度时保证必要的磁稳定性、耐蚀性和良好的制备工艺性；可满足制造几何精度；全寿命周期经济性合理性。

４．１粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ材料特点分析

根据上述原则，在国内现有条件下，考虑器件形状尺寸及制备工艺，永磁环材料建议选择粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ［12］，图３为永磁环实物粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ微观形貌图。粘结钕铁硼永磁材料是近几年发展出来的新产品。习惯上将粘结钕铁硼永磁分为3个类型，Ｉ型为模压成型的环氧树脂粘结各向同性磁体；Ⅱ型为热压的各向同性磁体；Ⅲ型为热变形的各向异性磁体。其特点如下［13］：容易制成形状复杂的磁体或薄壁环状磁体，还能嵌入其他零件一起成形；尺寸精度高，不需二次加工；磁性能分散性小，适于大批量生产；机械强度高；易于实现多极充磁；材料利用率高，废品等经退磁就能简单地再生使用；对于多极转子或多极定子，可以简化磁力机制造工艺［14］。磁滞卷绕张力器工作在常温下，居里温度高的Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ牌号，可致磁性更稳定。

４．２永磁环矫顽力机理

磁场相对转动时，只要磁滞环反向激磁的磁场小于永磁环矫顽力，就不会发生明显的退磁现象，见图４所示的Ｉ型粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁化曲线及退磁曲线图。

退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的剩磁密度和矫顽力。张力器运转过程中，为避免发生退磁现象，永磁环选用高矫顽力的Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ材料。研究表明，矫顽力由均匀畴璧钉扎机理决定的磁体，畴璧被钉扎在缺陷或晶粒边界处，因此畴璧的移动比较困难，初始磁导率很低，当磁化场达到一个与矫顽力相当的临界值时，剩磁和矫顽力急剧上升，而且矫顽力的上升比剩磁的上升快［１5］。

４．３永磁环制作主要技术要点

４．３．１粘结钕铁硼永磁材料制备工艺

粘结钕铁硼永磁材料化学成分如图５所示。可用粘结剂，在１６０℃下稳压成形制备Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁体零件，温度再高磁性能会随着固化温度升高而降低。虽然尼龙粘结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁体的剩磁和磁能积比环氧树脂和酚醛树脂两种粘结磁体低，但其粘结磁体的内禀矫顽力比其另外两种粘结剂制备的磁体高［１7］。作为永磁环粘结磁体零件的力学性能可以满足要求，但表面必须喷粉烤漆作防氧化处理。

４．３．２永磁环充磁方法

永磁环被作为磁能源的永磁体，经过径向充磁，使磁体内部的磁畴由混乱排列转变为朝单一特定方向的排列，从而对外显示出其强磁性。对于永磁环径向辐射状充磁，得出以下规律性要点［１8~１9］：在线圈总匝数相同时，尽量在较小电压、电流的情况下使磁体达到饱和充磁；增加磁轭可减小所充磁体磁性能峰值大小，但采用纯铁磁轭可增加峰值宽度，更好地满足磁阻尼力偶矩形波的要求；在永磁体对面添加纯铁磁轭可以增加磁力线的穿透率，减少在内部形成回路的磁力线个数。径向辐射充磁磁力线图如图６所示。

５磁滞环选Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ阻尼材料特点

推荐用作磁滞转子的永磁合金材料是Ｆｅ－Ｃｒ系阻尼合金。这类合金的应用研究始于２０世纪８０年代的美国［１6］。除磁阻尼特性优良外，首先其具有一般金属材料的力学性能，且是矫顽力在１０~２５０Oe之间的磁性材料。铁铬钴系永磁合金，以铁、铬、钴元素为主要成分，烧结Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ化学成分能谱图如图７所示。相对其它永磁材料，其显著特点是加工性能好，可进行冷热塑性变形和切削加工，且可通过塑性变形和热处理改善磁性能。抗氧化性能优异，无需表面处理。

５．２磁滞环选Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ材料磁性特点分析

磁滞环利用这类材料是应用其全部磁滞回线，需要有适当高的矫顽力和高滞磁比，既保持其稳定工作状态又能磁化和反磁化［20］，其转矩与磁滞损失Ｅｈ成正比。整体磁滞环转子特别推荐低Ｃｏ低价的２Ｊ２１，２Ｊ２３，在中高磁场下具有良好的磁滞特性；小微型磁滞转子零件可用２Ｊ８３，２Ｊ８４，２Ｊ８５铁铬钴变形永磁合金，加工性能优越［21］。

５．３磁滞环制作主要技术要点

磁滞环制作建议由Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ金属粉末颗粒，采用粉末冶金技术制造，粉末冶金Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ微观形貌图如图８所示［22］。一步压制成簿壁环形的或碗形零件，具有良好的各向同性磁性能。对于大批量生产，这种材料在压制过程不仅简单而且没有边角料浪费，所以成本将大幅减少。磁滞合金Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ热处理炉内温度调控在４００～６５０℃范围内，控制精度应达到±２℃，否则导致磁性能不一致，使卷绕张力器张力大小个体间相差不一致，会批量报废。

５．４磁滞环涡流损耗分析［23］

由于卷绕张力器工作转速不高，磁滞环处在低频动态磁场中，磁滞损耗是相对涡流损耗更主要的损耗形式［24］。磁滞环在交变磁场作用下产生的涡流，它受磁场分布及温升影响大。卷绕阻尼张力器工作时，气隙磁场的磁通密度是非线性的，且各处的磁通密度不同，而磁滞环损耗又与磁通密度幅值呈非线性关系［25］，对于此类损耗的计算是比较困难的。磁滞张力器中的损耗由交变和旋转磁通产生。所以张力器设计时可忽略涡流效应和磁后效应等的影响。

６磁滞力耦作用机理分析

磁滞是磁性材料受外磁场作用在磁不平衡状态下的现象。据微磁学理论［26］，磁滞环的磁性主要来自于电子轨道角动量矩与电子自旋角动量矩相结合的磁矩。在永磁环产生的气隙磁场的作用下，相当于产生了感应电流。依照楞次定律，磁滞环感应的磁场与永磁环作用的磁场方向相反，即磁滞环在外磁场的作用下电子轨道动量矩的微小改变，随动所产生的轨道磁矩和永磁环外磁场的方向相反。

６．１磁滞环磁能损耗做功

在机械外力作用下磁滞环与永磁环相对转动，即利用原动机来拉动转子旋转，通过内外永磁体磁场之间的磁滞耦合作用，使磁滞环在交变磁场中会被磁化而储能，材料从交变磁场中吸收并以热的形式磁能损耗做功［27］［28］。微观磁畴发生的移动和转动或按最低总能量原则重新排列，在此过程中克服磁畴壁之间的摩擦产生热量而消耗掉，这就是磁滞损耗［29］。在高的磁通密度下可能导致高的磁滞损耗，原因是在高磁通密度下有更多的畴壁发生位移，阻碍畴壁的位移就可能产生高的磁滞损耗［30］。磁滞是不可逆的热效应。

７结语

研发的特种磁滞卷绕张力器在选材及试制有下列特点。

７．１磁滞卷绕张力器属于被动磁能耗磁力机械。

７．２选粘结永磁Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ可提供足够磁场，矫顽力大，易制成形，表面需防氧化。

７．３磁滞阻尼材料选粉末冶金Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃｏ磁能积大，加工易，成本低，热处理须严格控温。

７．４磁滞环在永磁场将机械能转化成热能是形成阻尼张力的物理基础。

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