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磁力起重设备可分为电磁起重和永磁起重两种。他们各有优缺点，但现在永磁起重更受青睐，前景广阔。然而，现在一些大型厂矿起业，也仍然用到电磁起重设备。比如，桥式电磁起重机现仍然广泛应用于各工业生产企业中，担负着各种物料的运输和吊装任务，是工业生产中不可缺少的重要设备。现在，一些发达国家的这种设备，在出厂前就已经安装了防断电物料坠落装置。防止了断电时坠落事故的发生。另外在一些特殊场合，电磁起重设备也又增设一定程度上的应用。下面就宽厚钢板电磁起重设备进行一下简要地介绍。
电磁起重设备
在宽厚板起重技术的研究和应用方面，我国还处在起步阶段。宽厚板的特点是大而重。由此给电磁起重系统的设计带来一系列特殊问题。其中最值得关注的是，该系统采用了耐高温专用线性电磁铁的设计思路和电控子系统的工作原理;特别是在电磁起重技术领域引人了精确调磁的概念。
1系统组成
起重电磁铁是以被吸物作为衔铁的一种直流电磁铁。将n台电磁铁通过电控系统有机地组合在一起，便形成了电磁起重系统。电磁起重系统的工作原理相对简单，工作时根据上层网络的指令，电控系统控制全部或部分电磁铁协同工作，达到吸放钢板的目的。
电磁起重系统由电磁铁、电控子系统和机械组件构成，如图1所示。电控主电路由PLC主控单元、变压器、可控整流模块和接触器组成。PLC主控单元通过控制可控整流模块实现电磁铁调磁，而各吸盘通断电选择由PLC控制接触器实现。由这些主电路构成调磁保磁控制屏和自动充电屏，加上免维护蓄电池组，构成了三位一体的电控子系统，该系统能自动切换、互为备用，能实现恒充、浮充、自动跟踪和自动调整。
2电磁铁总体布局的原则
电磁铁的总体布局，基本原则是:用最少的电磁铁个数，安全可靠地满足起重要求，并确保板材的变形量最小。
1）为确保电磁铁在高温下能正常工作，既要把内部线圈产生的电阻热散发出去，又要阻止外部钢板的热量传进来。所采取的措施有:采用耐高温的电磁线;增加导热绝缘层和外部传导热阻断层;采用防辐射隔热层;加大散热面积并设计了外部散热风道。鉴于每次只吊运单张钢板，而钢板规格的变化范围很大，针对不同厚度的钢板，电磁铁需要输出不同的电磁力，因此需要对电磁铁进行无级调磁。为此，提出了“精确调磁”的概念，并开发了相应的技术。要实现无级精确调磁，
2)电磁铁性能一致性：为确保精确调磁、准确吸吊对应的钢板，要求成组电磁铁之间性能具有高度的一致性。对同一台吊车所用的电磁铁，经分析其电磁性能一致性要求为98%。
3)电磁铁吊挂高度一致性：电磁铁与挂梁的联接采用链条联接方式。对成组电磁铁的基本要求是:保证磁极的底平面处在同一平面内。为此采取措施:①电磁铁装配完成后，对磁极底面进行精加工，确保每个电磁铁的底平面平整;②为保证电磁铁的吊挂高度一致，采用高度可调的悬挂装置，该装置系螺栓式机构。在现场调试安装时，对成组吸盘进行高度调节，尽可能使成组电磁铁的底平面在同一水平面里。
3电控子系统设计
I)工作原理系统的程序控制采用西门子S7-200PLC主控单元(CPU226)。 CPU226通过DP接口模块EM277接到Profibus总线，与行车主PLC通讯。人机界面采用254 mm触摸屏，采用SIMATICProTool组态软件进行组态，各控制功能在触摸屏上显示为菜单，只需简单触摸，即可完成控制;触摸屏通过通讯电缆联接到CPU226的MP1接口。为确保控制系统在掉电时保持正常工作，系统的程序控制部分采用UPS不间断电源供电。
调磁系统采用智能三相全控整流模块，将主电路与触发电路集成为一体。系统设有电压传感器和电流传感器，实时检测模块输出电压、电流，电压传感器和电流传感器输出通过A/D模块读人PLC。 PLC将整流模块输出电流值与给定电流值进行比较，根据比较结果调整D/A输出。整个系统对工作电流闭环控制，控制精度高，确保电磁铁的吸力稳定，从而保证按设定方式吊运。调磁系统为逻辑无环流可逆系统，充磁时正组可控硅导通，电能正向馈人电磁铁;退磁时PLC首先控制正组整流模块移相至逆变状态，将电磁铁能量大部份回馈到电网;PLC检测电流值为0时，确认正组整流模块关断，再触发导通反组整流模块，对电磁铁反向去磁。系统取消了外接电阻器强制去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，实现了无触点控制。
2)电磁铁选择控制
PLC的输出通过接触器控制各电磁铁通断电，每个电磁铁分3段控制，并对各电磁铁的工作状态进行检测，发现故障立即报警。由于调流模块仅在吊运时输出电流，所有接触器都可以在主电路无电时由PLC控制其通断，接触器触点不易损坏，使用寿命长。
3)停电保磁系统 采用免维护蓄电池作为备用电源，由自动充电屏对电池自动恒充、浮充，也可通过按钮手动控制主充、浮充。自动充电屏对电池欠电压、过电压自动检测、报警，根据检测结果实现浮充、主充自动切换，并对电池定期活化放电。自动充电屏能自动限制充电电流，防止电流过大损坏蓄电池，系统自动跟踪主电源状态，保证在主电源断电时蓄电池自动投人使用。
4)系统保护电路 电源进线采用过压自动脱扣断路器保护，变压器次级采用快速熔断器限流保护，吊运时若断路器脱扣或熔断器熔断，蓄电池自动投人工作，确保安全吊运，同时发出警报。 PLC通过电压传感器和电流传感器实时监测直流输出电压、电流，并与给定值进行比较，当偏离限定值过大时(过压或欠压),PLC自动关断整流模块输出，并控制蓄电池自动投入工作。多个吸盘联用时，当某个电磁铁发生故障导致其电流异常上升时，断路器自动切断这个电磁铁的电源，避免连锁反应而影响其余电磁铁的工作，同时发出警报。整流模块有完善的阻容保护和防雷击防浪涌电压冲击的压敏电阻保护。
合理的电磁铁总体布局、耐高温的线性电磁铁、精确调磁技术以及无触点电控系统，都是技术关键。
电磁铁耗电大、自重大、价格高、维修量大及有不安全隐患等一系列缺点。近年来,随着永磁材料的飞速发展,尤其自20世纪80年代出现了磁性能优异而又价廉的第三代稀土永磁材料——钕铁硼以来,利用不耗电的永磁铁制成永磁吸盘来代替电磁铁受到普遍关注。永磁吸盘的技术关键是:磁路设计与选材、充、退磁方法及控制。
永磁起重技术
永磁起重技术,是永磁材料应用的新领域之一,也是起重技术发展中的一个新方向。永磁起重装置的基本特征是:在起重作业过程中,不需要通电流,靠强大的永磁体的磁力把钢铁等铁磁性物件吸吊起来。因此,相对于传统的电磁式起重而言,永磁起重的最大优点,是节省能源。因为不存在因停电而发生事故的问题,所以永磁起重装置的另一个优点是安全可靠。又由于不需要防断电装置,因此有利于降低成本。一般而言,永磁起重装置的体积和重量,要比同级的电磁式的装置小而轻。
永磁起重技术,要解决的基本问题有二:第一是如何选用永磁材料及其最佳方案的设计问题;第二是怎样解决卸重问题。可以说,卸重问题更为重要,否则,起重量再大也没有意义。我国从80年代末就开始了永磁起重技术的研究,取得了可喜的成果,
一、永磁起重装置的类型与实例
对永磁起重装置的基本要求是:在起重时,吸头处具有强大的磁场,此时,磁力线通过了被吸的钢铁件,即被吸物是主磁路中重要组成部分;在卸重时,吸头处没有磁场(含磁场被抵消的情形),此时,被吸钢铁件中无磁力线通过。为达到这个基本要求,人们进行了各种的设计,研制出一系列装置。我们可以从卸重方法的角度去分类叙述;同时,我们还应当注意到为适应特殊作业场合而设计的异型永磁起重装置。
1电脉冲充退磁式永磁起重
所谓电脉冲充退磁式永磁起重,其基本原理就是,起重时,永磁体被饱和充磁,使吸头处呈现强磁场;卸重时,永磁体被退磁,使吸头处的磁场为零。这种设计思想,出现比较早[1]。图1为原理示意图。把一定匝数的线圈绕在永磁体上,当线圈通以一定的直流电脉冲电流时,永磁体被饱和充磁,此时为起重状态;当通以一定的反向直流电脉冲电流时,永磁体被退磁,为卸重状态。为了便于充退磁和获得较强的剩磁状态,应采用低矫顽力和高剩磁的永磁材料,如柱状晶的AlNiCo5永磁合金或与其具有相似磁性能的Fe-Cr-Co系永磁合金。但是,由于AlNiCo5和Fe-Cr-Co系永磁材料的最大磁能积比较小,所以其起重效果就不太理想。
图1 电脉冲充退磁式永磁起重原理
2。 转动位移式永磁起重
所谓转动位移式永磁起重,就是在磁路结构中,具有两个磁系统,一个为转动的,另一个为固定的。通过转动磁系统使磁路分别处于起重或卸重状态。这里又有两种情况第一,通过一个系统的转动,当磁路接通,并且被起重钢铁件成为磁路的一部分时,即为起重状态;当含被起重钢铁件的磁路断开时,即为卸重状态。第二,通过一个系统的转动,一种状态使磁路接通并出现磁场叠加的状态,此即为起重状态;另一种状态使磁路产生反向磁场,原磁场被抵消,此为卸重状态。在各个具体实例中,又各有不同之处。图2是其中一个实例[2],是通过转动镶嵌永磁体的圆饼形载体来实现起重和卸重的。当镶嵌永磁体载体转到图2a位置时,形成了有磁力线通过被起重钢铁件的主磁路,此时为起重状态;当载体转到图2b位置时,形成了磁力线不经过起重物的分磁路,此时为卸重状态。当然,载体必须通过外力来实现转动。一般而言,当起重量不太大时,可依杠杆原理用手柄来操作;当起重量大时,就要用电动机来带动了。
该装置的优点是:克服了磁场叠加原理装置所要求的机加工精度高、磁体性能一致性好以及吸力对吸物表面与其磁轭工作极面间间隙特别敏感的缺点,从而使永磁体的利用系数显著提高。在此要提一下以下二项专利设计,一种设计是利用磁分路原理,通过转动磁短路磁轭,可以使工作磁通短路,卸掉吸物。当转到使工作磁通接通的位置时,工作磁轭上不吸有铁屑,致使吸物被牢固吸住,作业安全可靠,造价大大降低。另一种设计利用磁场叠加原理,在磁路设计上分为上下两个磁系,通过驱动装置,使上磁系相对下磁系转动,以实现磁场加倍(吸物)、相消(卸物),工作磁轭上可完全不吸有铁屑,致使吸物被吸牢固,作业十分安全可靠。另外，还有人研制的转动式永磁起重装置,包括有壳体、传动装置及可转动磁路可转动部分装有永磁体,固定部分也装有永磁体及磁极头。通过转动磁路部分实现磁性的变换,使磁场叠加或抵消以解决对工件的吸重或卸重问题。
3。 平动位移式永磁起重
平动位移式永磁起重装置的基本原理是:设计有2个磁系统(甲磁系统和乙磁系统),它们贴放在一起,并且可以相互之间平移。比如,通过甲磁系统的平移,可以使极头处出现磁场(即起重状态)或无磁场(即卸重状态)。至于其中的具体结构,各家可能有所不同。由于平移时要克服强大的磁力,所以平移必须借助于外力,如用电动机来拖动就是常用的一种方法。平移式稀土永磁起重吊装置,就很典型。该装置中有由永磁体和磁轭组成的“上磁组”和“下磁组”。两磁组之间有平移导向滑轨,框架两端有限位传感器,还有驱动电机、齿轮、齿条、链条等,其外为无磁钢吊壳。当平移上磁组时,上下两组磁场叠加,则为起重状态,若形成的磁路不经过被吸重物时,则为卸重状态。具体可参看图3。
4。 磁开关式永磁起重
永磁起重吸盘，如图4所示,是属于磁开关式永磁起重装置。基本设计思想是:系统做成主磁路和副磁路的耦合体。主磁路用强磁性的NdFe-B系合金组成,副磁路用低矫顽力高剩磁的Fe-Cr-Co系合金组成。主磁路是起重的主体,副磁路起磁开关作用,同时,在起重状态下副磁路对起重量也有贡献(约占总起重量的1/3)。当副磁路中永磁体的极性与相邻的主磁路中永磁体的极性相同时,则两个磁路磁场相叠加,同时磁力线经过了被起重的钢铁件(被起重物是磁路中的一部分)此即为起重状态;当副磁路中永磁体的极性与相邻的主磁路中的永磁体的极性相反时主磁路断,副磁路通,被起重物中没有磁力线通过,此即为卸重状态。要保证吸头处在卸重时为零磁场,其关键是要找出最佳设计参数来。副磁路(磁开关)中的永磁体上要绕上一定匝数的线圈。线圈中通以一定大小的不同方向的脉冲电流,就可实现副磁路中永磁体的N、S极换向。即此时的永磁体的磁状态在正饱和磁感(+Bs)和负饱和磁感(-Bs)之间变化。至于磁路结构形式及其尺寸、永磁体的形状及其尺寸、线圈匝数、脉冲电流等技术参数,要通过理论计算和实验来确定,即都存在个最佳条件问题。图4中的1和2分别为Nd-Fe-B和Fe-Cr-Co永磁体,3、4、5和6为磁轭。磁轭3和5下端就是吸头。当通以脉冲电流(0。1秒)时,永磁体
2下端的极性(S)与相邻的永磁体1右端的极性(N)相反,则副磁路通(1→5→2→6→3→4→1),主磁路断,被吸物中无磁力线通过,此即为卸重状态;当脉冲电流换向时,则永磁体2下端的极性改变(N),主磁路中磁场(1→5→被吸物→3→4→1)和副磁路中的磁场(2→5→被吸物→3→6→2)同向,吸头端(磁轭5和3的下端)的磁场叠加,即为起重状态。副磁路的磁力对起重的贡献大小与永磁体2的剩磁(Br)有关,剩磁越大效果越好。整体设备是由20个相同的单元起重磁路组合而成的。它们是用无磁钢杆被紧固在一块大顶轭中,各单元磁路是彼此独立的。最大起重量为3。5吨,节能率为98%以上,起重量的大小是由单元磁路的多少决定的。脉冲电流是由脉冲电路中的电力电容器提供的。
5。 电磁反磁场抵消式永磁起重
这种装置的基本特征就是,在装置中同时设计有永磁磁路和电磁磁路。起重时,靠永磁磁路产生的磁力去吸起重物;卸重时,由电磁磁路产生的等值反向磁场去抵消永磁磁路产生的磁场。
采用在普通的起重电磁铁中嵌装钕铁硼稀土永磁的结构及相应的控制线路,实现永磁体产生吸力吸重、线圈瞬间通电产生反向磁场卸重,是一种不需断电保护装置就可实现安全运行的起重设备。其原理如图5所示。
另一项也是属于电磁反磁场抵消式永磁装置,所不同的是不用外接电源,而是内装蓄电池。利用嵌装在铁心中的钕铁硼永磁体产生吸力吸重,利用蓄电池自动或手动控制装置,瞬间向线圈通电进行卸重,是一种具有报警、安全显示及不需断电保护的起重设备。
6。其它永磁起重装置
高温永磁起重装置,采用高居里点稀土永磁体,可吸600℃左右的钢铁件,是利用磁场叠加原理,把磁路设计成两个磁系,并在驱动装置作用下相对运动,以实现磁场加倍(吸物)、相消(卸物)。 “矩阵式永磁吸盘”,采用多磁极的平板吸盘,它将多个磁极集中在一起,充分利用了磁体在磁极附近磁场强度最高的特点,应用上述的两块圆吸盘组成的圆吸盘对具有产生无接触式振动源的功能,给制造大型振动台、振动筛等提供了一种全新的振动源,由矩形平板吸盘及纯铁矩阵板组成的起重吸盘,可提升厚度仅为2mm的薄钢板。
二、设计中的几个问题
1、永磁材料的选用问题
在永磁起重技术方面,需要首先考虑的,就是永磁材料的选用问题。在诸多的永磁材料中,当然,倍受瞩目的就是具有高磁性能的Nd-Fe-B系永磁合金了。但Nd-Fe-B系合金的温度稳定性不好,一般高于80℃时,磁性便急剧恶化,所以它适合于常温下使用。目前出现的可在100～250℃下使用的所谓高温型Nd-Fe-B合金,乃是以大幅度的降低其基本磁性为代价的。Nd-Fe-B系合金的化学稳定性也不佳,所以在使用时还得采取某些防护措施(如镀膜等),人们虽然还从合金化角度做些改进,但依然是以牺牲磁性为代价的。
从发展永磁起重技术角度考虑,我们热切地希望磁性优异、居里点高、磁稳定性好和价格适中的新型永磁材料能早日投入市场。
此外,对选用的永磁材料,还存在着合理使用问题。既要充分考虑材料本身的特点,也要考虑设计方案的整体要求,还要考虑到具体的使用环境,找出最佳设计参数这些问题,都有赖于理论计算和通过磁路设计去求得合理解决。当然,还得通过实践去检验,在实践中不断求得完善。
2、单元永磁起重磁路及其组合体问题
电磁式起重装置是以软磁体为磁芯,并通过对绕在软磁体上的线圈作通断电操作,就可进行大型钢铁件的起吊作业了。但对永磁式起重而言,情况却根本不同。首先,从所用材料上看,永磁材料不仅在磁性上,而且在制造工艺上也同软磁材料有很大的差异。若想制造大块永磁体,不论是铸造法或是粉末冶金法,以及在其后的热处理等环节上,都有相当的难度。可见,那种期望用一块或少数几块大型永磁体就能制成可吊运大型钢铁件的永磁起重设备,是难以实现的。第二,从磁路特点上看,既然永磁体的尺寸有一定限度,那么就决定了永磁起重磁路的尺寸也是有限度的。此外,从减少漏磁角度考虑,永磁磁路也不宜太大,应尽量紧凑些。可见,永磁起重磁路,是一种单元磁路,单元磁路的起重量当然也是有限度的,它不能承担起吊大型钢铁件的任务。
3、永磁起重中的卸重问题
所谓卸重状态,就是设法使吸头处的磁场变为零值,人们为此进行了种种设计。对永磁体直接进行充退磁的方法,虽比较简捷,但有局限性,对高矫顽力的永磁体就不便采用。转动位移式的和平动位移式的,不失为是两种好方法。但也存在问题:第一,从磁路设计角度考虑,两个磁系统之间的间隙越小越好,这样一来场强也越大漏磁越小;但场强越大,位移阻力就越大。这是一个矛盾。第二,随着位移次数的增加,磨损也会逐渐显现出来,从而也就导致漏磁的增大。第三,位移要有外力作用才行,通常要用电动机来拖动,这样,起重量越大,消耗的电能也越大。电磁反磁场抵消法,既消耗电能,又添加一套电控系统,不经济。
综上所述, 起重用电磁吸盘(即电磁铁)用于吸运各类钢铁器材可省却人工捆扎、挂装吊钩等繁重工作。其所产生的电磁吸力依赖于通电线圈的安匝数,因而有耗电大、自重大、高温寿命短、有不安全隐患、附属设备多、价格高及维修量大等缺点。随着工业与科技的不断发展,不耗电的永磁铁慢慢代替了电磁铁进行吸运工作。然而，永磁起重技术中关键的卸重问题,目前还没有圆满解决。有关这方面的研究,依然是永磁起重技术研究中的“重头戏”,研究者任重道远。
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