一种磁力带材纠偏装置设计

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摘要：针对传统带材纠偏存在的惯性大、响应慢等缺陷，提出一种磁力纠偏装置，该装置借鉴磁力轴承的工作原理，在带材出现偏差时，通过控制纠偏辊与定子之间的间隙大小达到纠偏目的，具有响应速度快、控制精度高等特点。

Abstract： To overcome the defects of traditional strip rectifying methods，such as large inertia，slow response， a device of electromagnetic strip rectifying was designed which borrows the operating principle of active magnetic bearing （AMB） and which can rectify the strip more rapidly and accurately by controling the distance between rectifying roller and stator when the strip deviate from the normality.

关键词：电磁纠偏；磁场分析；ANSYS

Key words： Magnetic rectifying；Magnetic Field Analyses；ANSYS

中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0046-02

0 引言

带材纠偏系统广泛应用于钢带、铝带、铜带等金属带材生产中，为了保证带材质量和正常生产，需在适当位置安装纠偏辊[1-4]对带材连续生产进行跑偏控制。目前市场上的纠偏装置多采用光电液压伺服机构的自动纠偏系统[5-7]，该类装置可以实现连续自动控制带材位置，对中精度相对较高，但是由于故障率高、维护困难等原因，跑偏现象时有发生，导致产品表面质量下降，严重时还会产生断带等生产事故。随着用户对产品质量和尺寸精度要求的提高，对纠偏装置也提出了更高地要求，传统的光电液压纠偏装置无法满足高的纠偏响应速度和纠偏控制精度要求，急需一种能够满足生产需要的高性能纠偏装置。

电磁控制本身具有响应速度快、控制精度高、长寿命、免维修、无污染等特点，应用在高速带材纠偏系统上可以很好地解决系统复杂、维护困难、响应慢等一系列问题，电磁轴承支承的转子能够在间隙范围内由电磁力精确控制产生移动或摆动甚至复合运动，能够满足带材的纠偏要求，本文基于此机理设计一种新型的纠偏装置――磁悬浮纠偏[8-9]。

1 带材输送及跑偏分析

以带钢生产为例，如图1所示，在连续作业生产线上，带钢主要与各种辊子接触，从力的角度来说，假如带钢受到的横向扰动力不能克服带钢和辊子的横向静摩擦力，带钢是不会跑偏的，假如带钢受到的横向扰动力能够克服带钢和辊子的横向静摩擦力，带钢将偏离原来的运动中心线，发生跑偏，直到横向扰动力又小于横向静摩擦力，带钢停止跑偏，在新的中心线上继续运动。夹送辊、带钢、张力中只要有一个因素产生偏差，带钢就会产生跑偏。

2 磁力纠偏装置设计

2.1 结构设计 本文设计的纠偏辊两端采用磁悬浮轴承支承，根据CCD位置传感器检测的偏差信号来控制电磁力来驱动纠偏辊的姿态，利用可控电磁力实现对被支承物体的驱动，实现纠偏功能。所设计电磁轴承纠偏辊采用外转子结构，即电磁轴承定子固定在芯轴上，整个外套筒作为转动部件，这样的结构可充分利用空间，简化结构，同时有利于获得更大的纠偏角度。该装置可以实现以下功能：①电磁悬浮，使纠偏辊能够在悬浮状态稳定绕旋转轴旋转，承担传输带钢功能；②中心柱固定在支架上，在支承旋转辊同时，承受带钢张力产生的径向力和滚筒重力，同时约束轴向运动；③在定转子间隙范围内，利用电磁控制力驱动滚筒在需要的方向产生纠偏动作，实现纠偏功能。④由于电磁悬浮纠偏辊能够在径向4个自由度都具有主动可控性，且由于结构简单，滚筒运动惯量相对减少，受控响应时间缩短，可以在实现上述基本纠偏动作的基础上，进一步开发研究新型纠偏动作。

图2（a）是磁悬浮纠偏系统的核心。最外层和最内层的所示（1）部分都是磁悬浮轴承定子电磁铁，中间的夹层的（2）部分是纠偏辊的套筒。如图2（b）所示，为外定子电磁铁的基本结构，图2（c）为内定子电磁铁的基本结构图。图2（d）为纠偏辊的套筒结构图，套筒上的（3）部分是内外侧的永磁体，使套筒和内外侧的定子均产生合适的悬浮力。

2.2 结构分析 该系统包含了两次电磁场的模拟，两次永磁体静态磁场的模拟，四个位置的磁场的耦合分析。由于内圈定子电磁铁和外圈定子电磁铁的电磁场相互独立性，在实际过程中，这两处磁场也是各自独立控制的，以下利用ANSYS软件对外圈定子和内圈定子进行了磁场模拟分析。

模拟过程中关键参数设定如下：

①气隙σ=20mm，静态工作点B0=0.7t，永磁体B=1T。

②外圈定子参数：磁极处面积A=800mm×200mm=0.16m2，线圈匝数N=2000，匝线圈励磁电流I=2A，磁极极数n=8个，单极电磁力F0=402N，外定子总承载力F1=3217N。

③内圈定子参数：磁极处面积A=300mm×200mm=0.06m2，线圈匝数：N=1000，匝线圈励磁电流I=2A，磁极极数n=8个，单极电磁力F3=37.7N，内定子总承载力F4= 301.6N。

图3中，（1）区域表示的是拉应力，（2）区域表示的是压应力。这个定子是各项约束的，在机构中，该装置是固装在支架上的。

通过对外定子的模拟分析，可以得出，外定子电磁铁的结构强度和变形范围都符合要求。然后对定子电磁铁进行模拟分析。

内定子的应力集中分布在一侧固定的截面上，在机构中，这一部分是通过螺纹旋合在支架上的，在旋合接触面上，应力分布较为集中，因此，为了提高支架强度，需要增大旋合轴的半径，以提高其强度。仿真结果表明该辊筒的悬浮力达到3400N以上，满足模拟条件下的要求。

3 结论

本文设计了一种新型的磁力纠偏装置，该结构在充分发挥电磁驱动优势，提高纠偏效率的同时，可以有效节省系统体积和重量以及现场空间的占用，无须，无需供油系统；由于结构无机械磨损，可以大量节省维护检修时间。对设备的日常维护成本。对纠偏辊结构的优化以及控制系统的设计将是下一步的研究方向。

参考文献：

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