王慶東，夏港東，秦浩杰，周文聰，張昊

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在紡織加工過程中，紗線張力是一個(gè)十分重要的參數(shù)，從紡紗到織造的各個(gè)工序，張力的大小和穩(wěn)定直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及后續(xù)加工的順利進(jìn)行[1]。因此，紗線張力器成為控制紗線張力必不可少的裝置。

目前市售的紗線張力器以機(jī)械式為主，常見的有空氣阻尼式以及油阻尼式，如圖1所示[2]。相比較而言，傳統(tǒng)的機(jī)械式紗線張力器往往具有結(jié)構(gòu)簡單、維修和操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn),然而其缺點(diǎn)也尤為明顯，如：1)張力控制精度低，一致性差；2)張力器工作過程中始終與紗線產(chǎn)生摩擦，容易損傷紗線；3)自動(dòng)化程度低，無法由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

圖1 常見紗線張力器

為滿足紡織行業(yè)不斷提高的標(biāo)準(zhǔn)要求，紗線張力器逐漸朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。近年來國外出現(xiàn)了一種高檔紡織機(jī)械——電磁式磁滯紗線張力器[3-5]。相較于傳統(tǒng)機(jī)械式張力器而言，該張力器的最大特點(diǎn)是可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)紗線張力進(jìn)行實(shí)時(shí)的、連續(xù)的調(diào)節(jié)。由于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，既可以靈活地對(duì)單根紗線的張力進(jìn)行控制，也可以實(shí)現(xiàn)大范圍的群控[6]。此外，該張力器還可以連接到非接觸式張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線張力的閉環(huán)控制，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。本文立足于國內(nèi)外相關(guān)理論研究成果，借助有限元分析方法對(duì)該類型張力器的特性進(jìn)行研究，為其日后在國內(nèi)市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 電磁式磁滯張力器的結(jié)構(gòu)及原理

電磁式磁滯張力器是基于電磁阻尼原理實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線張力控制的[8]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。外部靜殼體8將整個(gè)結(jié)構(gòu)包裹在內(nèi)，形成封閉的磁回路并同時(shí)隔絕外部磁場(chǎng)的干擾。磁芯5由具有高磁導(dǎo)率的軟磁材料制成，聚集內(nèi)部的磁場(chǎng)能量。轉(zhuǎn)軸7在滾珠軸承3的支撐下，一端與抱線輪1固連，另一端通過法蘭與轉(zhuǎn)子6連接。勵(lì)磁線圈4均勻纏繞在線圈架上并將磁芯5包含在內(nèi)側(cè)。張力器工作時(shí)，線圈4通電，抱線輪在紗線的主動(dòng)牽引下轉(zhuǎn)動(dòng)。另一端，由磁滯材料制成的轉(zhuǎn)子6作為耗能元件被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，消耗磁場(chǎng)能量，產(chǎn)生阻礙紗線運(yùn)動(dòng)的磁滯轉(zhuǎn)矩，使紗線受到張力作用[9]。調(diào)整線圈4兩端電壓的大小即可改變磁滯轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線張力大小的調(diào)節(jié)。線圈未通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁芯5間自由旋轉(zhuǎn)，其阻力僅來源于軸承3處的摩擦力。

1—抱線輪；2—磁芯①；3—軸承；4—線圈；5—磁芯②；6—轉(zhuǎn)子；7—軸；8—外殼。圖2 電磁式磁滯張力器結(jié)構(gòu)圖

該張力器的具體性能要求如表1所示。

表1 張力器的性能要求

2 仿真模型的建立

分析電磁場(chǎng)問題時(shí)傳統(tǒng)的方法是從模型中抽象出一個(gè)等效的磁路，再采用解析的方法分析其磁場(chǎng)。由于電磁式磁滯張力器的磁路較為復(fù)雜，這使得利用解析法研究其磁場(chǎng)較為困難[10]，而有限元法的廣泛應(yīng)用為解決該類問題提供了極大的便利。本文以課題組研制的一款電磁式磁滯張力器為例，利用Maxwell軟件對(duì)該張力器進(jìn)行仿真分析[11]。

由于張力器的結(jié)構(gòu)不具有空間對(duì)稱性，無法將三維磁場(chǎng)計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為二維來處理，因而需要建立完整的三維有限元模型[12]。此外，為降低問題分析的復(fù)雜性，作出以下假設(shè)[13-14]。

1)忽略轉(zhuǎn)子的渦流效應(yīng)和軟磁材料(定子磁芯及外殼)的磁滯損耗；

2)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持不變；

3)勵(lì)磁繞組由空心圓柱體等效替代，繞組內(nèi)部電流密度分布均勻。

張力器的主要參數(shù)如表2所示，相關(guān)參數(shù)定義如圖3所示。定子磁芯及外殼均選擇具有高磁導(dǎo)率的電工純鐵DT4，勵(lì)磁線圈定義為銅材料copper，選擇FeCrCo材料作為轉(zhuǎn)子材料并在軟件內(nèi)部將其定義為磁滯型材料。軟件內(nèi)部自帶的材料庫中并不包含DT4和FeCrCo材料，需要從外界導(dǎo)入兩種材料的B-H曲線。由于忽略了渦流效應(yīng)的影響，兩種材料的電導(dǎo)率均設(shè)為0。線圈繞組安匝數(shù)設(shè)為342A，指定求解域?qū)傩詾榭諝?。在瞬態(tài)場(chǎng)分析模塊中，還需要額外定義運(yùn)動(dòng)區(qū)域band，將轉(zhuǎn)子包含在內(nèi)，并設(shè)置其繞z軸轉(zhuǎn)速為1 000r/min。此外，設(shè)置仿真時(shí)長為20ms，計(jì)算步長為0.2ms。

表2 張力器的主要參數(shù)

圖3 相關(guān)參數(shù)定義

3 仿真結(jié)果

借助Maxwell軟件的靜態(tài)磁場(chǎng)求解器，通過數(shù)值計(jì)算，得到了張力器內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖4所示。從圖中可以看出，磁力線主要集中在張力器內(nèi)部的磁性材料上，并依次穿過定子磁極、氣隙、轉(zhuǎn)子最終匯聚于張力器外殼，形成一個(gè)封閉的內(nèi)部磁回路。圖5為轉(zhuǎn)子表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖。

圖4 張力器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及磁力線走向

圖5 轉(zhuǎn)子表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

圖6所示為磁滯張力器的轉(zhuǎn)矩輸出曲線。從圖中可以看出，輸出轉(zhuǎn)矩在初始時(shí)刻有輕微震動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，磁滯轉(zhuǎn)矩的數(shù)值波動(dòng)減小，趨于穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定在32mN·m左右，符合預(yù)期要求。

圖6 磁滯轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

3.1 氣隙對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

保持表1中其他參數(shù)不變，僅改變氣隙大小，得到圖7所示磁滯轉(zhuǎn)矩與氣隙的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著氣隙的增加，磁滯轉(zhuǎn)矩急劇減小。由圖2可知，張力器的磁傳導(dǎo)回路主要包含定子磁芯、氣隙、轉(zhuǎn)子以及外殼。而定、轉(zhuǎn)子以及外殼都是由磁性材料制成的，其相對(duì)磁導(dǎo)率要遠(yuǎn)高于空氣磁導(dǎo)率，故而磁場(chǎng)能量主要損失于氣隙中。因此，在磁動(dòng)勢(shì)大小一定的情況下，磁回路中的氣隙越大，其中的磁場(chǎng)能量損失也就越大，轉(zhuǎn)子的磁通密度也必然減小，從而導(dǎo)致磁滯轉(zhuǎn)矩減小。因此，理論上減小氣隙可以提高磁滯轉(zhuǎn)矩，但過小的氣隙會(huì)對(duì)機(jī)械加工和裝配提出更高的精度要求，使得零件的加工難度加大，特別是對(duì)轉(zhuǎn)子的加工精度要求更高[15]。故而需要綜合考慮各方面因素，選擇合適的氣隙大小。

圖7 氣隙對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

3.2 電流對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

電流的大小是影響電磁式張力器磁滯轉(zhuǎn)矩大小的重要因素。張力器工作時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需要將電流設(shè)定在特定的數(shù)值。基于表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同氣隙大小下進(jìn)行計(jì)算，得到了如圖8所示的關(guān)系曲線圖。從圖中可以得出，在不同氣隙大小下磁滯轉(zhuǎn)矩隨電流變化規(guī)律基本保持一致。當(dāng)電流較小時(shí)磁滯轉(zhuǎn)矩增加緩慢，而隨著電流的不斷增加，磁滯轉(zhuǎn)矩顯著增大并與電流近似維持著線性關(guān)系。當(dāng)電流超過一定范圍后，磁滯轉(zhuǎn)矩的增加幅度趨于平緩，其原因在于隨著電流的增加，磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度也趨于飽和，不再隨著電流的增大而增大，增加的電流對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響很小。從圖中可以看出，電流在30～70mA范圍內(nèi)，磁滯轉(zhuǎn)矩與電流之間有著良好的線性關(guān)系，磁滯轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到40mN·m，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 磁滯轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系圖

3.3 磁極相對(duì)角度對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

張力器的定子磁芯由兩部分組成，且分別置于轉(zhuǎn)子兩側(cè)，如圖2所示。兩定子磁芯的端面均有若干齒形磁極，張力器裝配時(shí)，兩齒形磁極之間一般錯(cuò)開一定角度，磁極間相對(duì)錯(cuò)開角度α定義如圖3所示。保持表1其他參數(shù)不變，在多組氣隙下對(duì)張力器在不同磁極相對(duì)角度下進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到磁極相對(duì)角度與磁滯轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 磁極相對(duì)角度對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

定子磁極端面的齒形磁極沿周向等距排列，磁極個(gè)數(shù)為8時(shí)，相鄰兩磁極間的相對(duì)角度θ=45°。圖9中，在角度α<θ/2時(shí)，磁滯轉(zhuǎn)矩隨著相對(duì)角度的增加而不斷增大，而當(dāng)α>θ/2時(shí)，磁滯轉(zhuǎn)矩逐漸減小。在α=45°時(shí)，兩磁極重合，其磁滯轉(zhuǎn)矩大小與起始位置相等。轉(zhuǎn)子表面的磁密B可以分解成徑向Bn和切向Bτ兩部分，而Bτ是影響磁滯轉(zhuǎn)矩大小的主要因素。在一定范圍內(nèi)，α增大，切向磁密Bτ也隨之增大，而超過一定范圍后Bτ反而減小。因此出現(xiàn)了圖9所示的關(guān)系曲線。

3.4 轉(zhuǎn)子厚度對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

在保證其他參數(shù)不變的情況下，隨著轉(zhuǎn)子厚度的增加，氣隙逐漸減小，這就使得轉(zhuǎn)子磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，磁滯轉(zhuǎn)矩也隨之增大，如圖10所示。然而，隨著轉(zhuǎn)子厚度的不斷增大，磁阻和漏磁也在增加，在厚度超過一定范圍以后，轉(zhuǎn)子中增加的磁勢(shì)反而消耗在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的損耗上，對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響降低。

圖10 轉(zhuǎn)子厚度對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

3.5 磁極個(gè)數(shù)對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

改變磁極個(gè)數(shù)并在多組氣隙大小進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了圖11所示的關(guān)系曲線。磁極個(gè)數(shù)較少時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁通密度低，從而產(chǎn)生的磁滯轉(zhuǎn)矩也較小。隨著磁極個(gè)數(shù)的增加，磁滯轉(zhuǎn)矩迅速增大。然而，磁極個(gè)數(shù)增加時(shí)，各個(gè)磁極的漏磁也隨之增加，超過一定范圍后，磁滯轉(zhuǎn)矩反而隨著磁極數(shù)目的增加而減小。計(jì)算結(jié)果表明，在磁極個(gè)數(shù)為10時(shí)磁滯轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。

圖11 磁極個(gè)數(shù)對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩的影響

4 結(jié)語

由以上仿真結(jié)果表明：

1)電流是影響磁滯轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)鍵因素。磁滯轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系曲線中有一段近似線性的區(qū)間，也是張力器的最佳工作區(qū)間，且滿足在10～30mN·m范圍內(nèi)線性可調(diào)的設(shè)計(jì)要求。

2)氣隙大小的選擇關(guān)系到張力器的最終性能。同時(shí)，過小的間隙也會(huì)對(duì)零部件加工精度和裝配提出更高的要求。因此，需要綜合考量這兩方面的要求，選擇大小合適的空氣間隙。

3)磁極的相對(duì)角度和磁極個(gè)數(shù)是影響磁滯轉(zhuǎn)矩另一重要因素。計(jì)算結(jié)果表明，在相對(duì)角度α=22.5°、磁極個(gè)數(shù)p=10時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩接近60mN·m，極大地拓寬了張力器的線性可調(diào)范圍。

4)轉(zhuǎn)子厚度的增加對(duì)磁滯轉(zhuǎn)矩有著明顯的影響，但厚度的增加也使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，因而在設(shè)計(jì)時(shí)需要額外考慮動(dòng)力學(xué)方面的影響。

電磁式張力器是一種精密紗線張力控制器。本文借助Ansys Maxwell軟件研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)張力器性能的影響，證明了通過有限元方法研究該類型張力器的可行性，也為日后的設(shè)計(jì)制造和升級(jí)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。