電控永磁全鋼磁力模板的結構研究及磁場分析

摘 要：汽車工業的高速發展，塑料件更新換代迅速，注塑模具的快速更換成為必要。模具所用的夾緊方式是決定其更換用時長短的關鍵，常用的模具夾緊方式有機械鎖緊、液壓夾模，其共同點是分散點狀夾緊。利用磁力夾緊的方式正逐漸被市場所接受，永磁夾緊方式因節能更被看好，電控永磁必然成為未來的發展方向。磁力吸盤正面常采用樹脂灌封，在注塑高溫環境中常有失效的案例。文章的電控永磁全鋼磁力吸盤優化了結構，有效規避了現存的安全風險。

關鍵詞：快速換模；電控永磁；雙面全鋼磁力模板；磁場仿真

中圖分類號：TG386 文獻標志碼：A 文章編號：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年代日本豐田公司提出了快速更換模具的概念。80年代末國內開始研發用于沖床、注塑機的快速換模。夾緊方式從機械旋壓式發展到液壓壓板式，近幾年磁力吸盤（又稱磁力模板）已被國內及歐美廠商逐漸接受和采納，尤其是電控永磁快速換模。因此，對電控永磁磁力模板的結構及磁場進行分析研究很有必要。結構決定電控永磁磁力模板的磁場分布及使用性能，磁路分析是磁力模板結構設計的關鍵，磁路分析主要有解析計算法和計算機有限元計算法[1-2]。

1 電控永磁雙面全鋼磁力模板

磁力模板是一種用于產品注、壓成型及其它沖壓成型工藝實現模具快速更換的裝備，包含電控永磁磁力模板、主控制器、遠程控制器、安全檢測及報警系統（圖1為系統圖）。電控永磁磁力模板用于注塑機的快速換模，因用永磁而非電能保持磁吸附故安全，因夾放模具簡單方便而實用，因模具更換快捷而高效，因節能而經濟，因無液、氣泄漏而環保，已被市場逐漸認可，應用前景廣闊。但現有技術的磁力模板，磁極與NFB磁鋼崁裝于殼體內表面灌絕緣膠密封，長期高溫環境下易膨脹、開裂而失效，使用壽命短；釋放狀態下因磁極處常殘留剩磁存安全隱患及磁輻射污染，因此，研究電控永磁磁力模板的新結構意義非凡。

圖2、圖3為我公司表面全鋼磁力模板實物在注塑機上使用的現場實拍。

1.1 雙面全鋼——磁力模板的新結構

全鋼磁力模板主要結構包括：1-磁極，2-NFB高能永磁鋼，3-LNG可變極性永磁鋼，4-電控線圈，5-磁軛，6-緩沖磁軛；磁回路包括：7-NFB磁回路，8-LNG磁回路，9-緩沖磁回路。雙極性交替分布，標示有黑點的是相同極性。具體見圖4與圖5所示。

從圖4、圖5局部剖面圖可以看出：全鋼磁力模板采用兩種永磁源：NFB高能永磁鋼（2）和LNG可變極性永磁鋼（3）作為驅動雙永磁能源。電控線圈（4）周向包裹著LNG可變極性永磁鋼（3），電控線圈中的不同方向的瞬時脈沖電流控制LNG可變極性永磁鋼的磁場方向及強度，當脈沖電流達到LNG永磁鋼的閾值在未飽和的條件下脈沖電流強度決定LNG永磁鋼的儲能量，即以電能控制永磁，常稱電控永磁。全鋼磁力模板正面由整體鋼板加工成磁極（1）和緩沖磁軛（6）的全鋼表面結構殼體，背面是整體鋼板的磁軛（5）覆蓋所有磁極的背部，即未采用樹脂密封的雙面全鋼封裝結構。磁力模板的磁極按規律分布在工作面，對模具產生整面均勻吸附，提高了模具的使用剛度，保持了模具的精度，保證了產品質量。

雙面全鋼因其完美的封裝結構對封裝在其內部的磁單元及電控線圈有更好的防護和保護，使用更安全、壽命更長、維護成本更低。

緩沖磁軛是連接磁極與磁極、磁極與殼體成整體全鋼的筋，并形成緩沖磁路，是全鋼磁力模板的關鍵特征。由于永磁磁鋼的個體制造差異及裝配氣隙的影響，兩種磁源不可能達到絕對平衡，釋放狀態下，兩種永磁源磁場方向相反、磁動勢差異在磁極處會相互干涉導致退磁不凈磁極表面有剩磁，緩沖磁軛形成的緩沖磁路能有效融合兩種磁源的干涉，使退磁時磁極表面剩磁消失為0。

1.2 電控永磁雙面全鋼磁力模板工作原理

電控永磁磁力模板按磁路特點分單極性和雙極性，單極性即吸附面的所有磁極表現為相同極性，磁吸附狀態時，磁極、被吸物、磁力模板殼體與磁軛形成主體磁回路，殼體對外表現磁性。雙極性即吸附面的相鄰磁極表現為相異極性，磁吸附狀態時，磁極、被吸物、相鄰磁極與磁軛形成主體磁回路，兩種磁源相匹配時殼體對外不表現磁性。本文的電控永磁雙面全鋼磁力模板是雙極性結構設置，相鄰兩磁極極性相異交替分布，正反兩面整體全鋼。

電控永磁雙面全鋼磁力模板的磁回路由NFB磁回路（7），LNG磁回路（8），緩沖磁回路（9）復合而成。當給予電控線圈瞬間足夠強的正向脈沖電流，對LNG永磁鋼正向充磁至飽和，LNG永磁鋼與NFB永磁鋼以相同的極性磁化同一磁極，磁場在磁極處疊加，磁極對外表征強磁，通過氣隙吸附工件（模具），此為工作狀態。圖4所示為磁力模板吸附模具的工作狀態。

當給予電控線圈適當的瞬間足夠強的反向脈沖電流，對LNG永磁鋼反向充磁至飽和，LNG永磁鋼與NFB永磁鋼以相異的極性磁化同一磁極，NFB磁鋼在磁極中產生的磁場被LNG磁鋼產生的反向磁場所吸引導向背面的磁軛形成磁回路，兩種磁源相匹配時，LNG磁鋼產生的反向磁場與NFB永磁鋼在磁極中產生磁場勢均力敵，緩沖磁回路的存在輔助吸收強者多出的微弱磁場，磁極對外無磁性，被吸附工件（模具）得以釋放，此為釋放狀態。圖5所示為全鋼磁力模板釋放工件（模具）的釋放狀態。

2 電控永磁全鋼磁力模板的磁場分析

2.1 永磁材料特性

本文的電控永磁全鋼磁力模板實例中NFB高能永磁鋼為N40H，LNG可變極性永磁鋼為LNG52。N40H的主要性能參數：剩磁Br1.26～1.29T（1.275T），矯頑力860～955kA/m，最大磁能積303～318kJ/m3，可逆磁導率？滋=1.05，最高工作溫度120℃。LNG52的主要性能參數：剩磁Br1.3T，矯頑力56kA/m，最大磁能積52kJ/m3，可逆磁導率？滋=1.3，最高工作溫度460℃。

2.2 電控永磁全鋼磁力模板工作點設計

飽和磁化碳鋼大約需要15.92kA/m的外部磁場磁動勢驅動[3]，本實例的LNG52永磁鋼的驅動磁場強度Hc=56kA/m，足以使碳鋼材料的磁極飽和磁化。因壓注、沖壓工藝要求，對于快速換模磁力模板須在有限空間提供最大磁吸力，對磁力模板的磁路結構設計是個挑戰?；诖?，磁極磁場容量達到飽和是磁力模板磁路工作點設計的最佳選擇，本文采用逆向計算法對本實例的1對磁極進行磁路分析、計算和設計。

2.5 磁場仿真

3 結論

本文通過對雙面全鋼磁力模板結構的研究，體現了雙面全鋼磁力模板防護更好、使用更安全、釋放狀態無剩磁更環保的優點，給出了磁力模板的磁路設計和計算方法，并運用Maxwell對電控永磁磁力模板進行了建模及仿真，形成的實際產品驗證了本文論述的可行性。

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