电磁力驱动片梭双向引纬投梭机理研究及试验系统

电磁力驱动片梭双向31纬投梭机理研究及实验系统雷小龙，吴晓光，张弛，朱里，万道玉，刘洋（武汉纺织大学机械学院）摘要：本文主要探讨建立铁磁性片梭在电磁场中受磁力的数学模型，以及研究相应的试验系统。首先介绍了的片梭在磁场中受力的一般数学表达式；然后，基于片梭工作的实际环境给出其简化数学模型，并根据线圈中磁感应强度的表达式对电路参数进行了讨论。实验表明在低电压状态下电磁投梭的出口速度为8.62m/s ,证明了电磁力驱动投梭机理的可行性。关键词：电磁投射，片梭织机，双向引纬0.研究目的与意义及国内外研究现状织机按其编织工艺原理可分为有梭织机与无梭织机1。有梭织机通过引纬梭子往复直线运动与经纱交替变换动作，完成经纬纱线编织。无梭织机则由机械式引纬器或以流体为介质（如空气或水射流）作为引纬线器，存纬功能由其它辅助装置实现。无梭织机主要包括片梭织机、剑杆织机、喷气及喷水织机等，2012年中国上海纺织机械博览会的三种无梭织机主要参数如表1所示。表1三神典型的无梭织机主要参数表参数名称剑杆织机喷气期机片梭期机织机扁应119-5 4m威高车速700rprtl1500 中 m宏南诈速SWhpm5OO7OOrpm族而入纬率UOOnvmiii2000mminI200rn/uiin实用人纬累7001200m.m in900-7 800*111 in7001 lOOm/min纱绒类型200011 tex97-9.7tex2000-4tex注：tex（特克斯），又称“号数”，是指1000米长纱线在公定回潮率下重量的克数，克重越大纱线越粗。本文研究对象为一种应用于新型电磁力驱动片梭织机上的双向引纬投梭机理，它能够有效的提高片梭织机的引纬率以及降低工作能耗，为新一代电磁驱动型双向引纬片梭织机引纬机构的开发与设计提供试验参数以及数据支持。21.铁磁性片梭电磁投射的基本原理基于简化的励磁模型，线性、各项同性的铁磁片梭在磁场中所受的磁场力体积力密度 为:磁场力体积力密度矢量; 电流密度矢量； 磁感应强度矢量；磁场强度； 介质的磁导率； 介质的体积密度；式中第一项为洛伦兹力，第三项用来表征磁致伸缩现象。对于线性、各向同性的铁磁介质，可以认为介质的磁导率只与其体积密度有关。式（1）中的磁场力体积力密度为矢量形势，将其分解成沿直接坐标的三个分量，经推导可得所受磁场力体积力密度在X方向上的分量为：(2)所以片梭整体受到前进方向上的电磁力为(3)式中，V为片梭的体积。因为在片梭外层存在集肤效应， 如图所示，所以片梭内部H与B都无法得到一个解析解,只能通过有限元的方式进行数值计算。图1有片梭情况下线圈内部磁感应强度分布图2有片梭情况下线圈内部磁场强度分布根据公式（1）可知为了使片梭受到的电磁推力最大，需要尽可能的提高线圈 内部的磁场强度、磁感应强度，以及采用导磁率较高、饱和磁感应强度较大的铁磁性材料制作片梭。2 .影响磁场强度的相关因素2.1 线圈内部磁场强度计算线圈磁感应强度公式网如下:磁感应强度;真空中导磁系数;线圈圈数;线圈电流大小;另外，和分别如图3上部所示，L为线圈长度，图3下部反映了线圈内部磁感应强度与片梭ft在线圈中所处位置之间关系。图4则通过软件绘制出了线圈内部场强与位置的关系。图3线圈内部磁感应强度与片梭在线圈中位置关系L/2-JC图4线圈内部场强与位置的关系仿真图由公式（4）可以看出，线圈内部磁感应强度与线圈电流和线圈外形有关。2.2线圈外形对磁感应强度的影响X X图5多层缠绕线圈结构简图线圈的外径、内径、线径、圈数、长度等外形参数都是直接影响线圈电感以及片梭加速效果的因素。考虑到多层螺旋管线圈的特点，如图所示，将公式（4）进行推广，公式变化 为:(5)线圈内径;线圈外径;线圈长度;从式中可以看出，适合的线圈外形参数， 是决定线圈内部磁场强度、 片梭发射效果的重要因素。2.3线圈投射机构的基础电路模型图6机构电路简图图7线圈与片梭示意图由机构电路简图可列出电压回路方程为:又因为经整理可得(6)这就是线圈投射片梭时从电路分析的角度所得到的整个线圈电路应满足的微分方程。此，可以计算出电流随时间变化方程为:(7)电容的初始电压；电路的震荡衰减角频率衰减系数;从式中可以看出，采用较大的电容，能有效延长电流峰值时间，提高发射效果。电感量的增加会显著降低片梭的出口速度和效率，主要原因是电感量的增加会降低电流的数值，片梭的受力和电流的平方成正比，所以，电感量的增加会显著降低片梭的发射速度。但是，在线圈电流相同的情况下， 电感值较大的线圈所产生的磁场强度较大，这样片梭的受力越大,因此在两者之间存在一个平衡点。这将是进一步研究所要探讨的内容。11 I* am 晶 ”岫“嬴g R图8不同电容值对应的电流-时间图像图9不同电感值又t应的电流-时间图像3 .电磁力驱动片梭双向引纬投梭机实验系统的设计3.1 实验装置组成在上文中，对电磁力驱动片梭引纬投梭既进行了理论上的分析， 为了验证其分析的正确 性，搭建了相应的理论验证平台。 由于属于验证性实验， 因此采用低电压等级的电容器作为 储能电容器进行实验。图10实验装置实物图图11电容图既1130 033G仇11个电容值为实验电路主要由发射部分及控制部分组成。实验平台的电路部分由10000uf,充电电压为48V的并联电容以及匝数为2652匝，电感为0.112H的线圈作为核心部件构成。考虑到电容组向线圈放点时形成的瞬时电流很大，若采用普通机械开关不仅会出现合闸机械抖动，而且有可能会导致触头烧蚀粘合，因此在本实验电路中采用固态继电器来开放线圈回路。而对固态继电器的控制则采用单片机进行控制，避免了上述问题。图12固态继电器图13电磁继电器3.2 传感器及实验结果根据前述的理论及实验装置，进行了验证实验。实验中采用长度为12cm长，15g重的圆柱形铁梭作为片梭的替代品。传感器则选用霍尔式传感器，检测到通道中的金属后，输出低电平。由于传感器的工作电压为 12V,而单片机只能接受或者发送5V的信号。因此在此传感器与单片机之间添加光耦，起到隔离电路的作用。将传感器发送的电信号转化为光信号， 再转换为低压的电信号，从而使单片机端口接收到信号。并经过处理后，得到最终的出口速度为8.62m/s,验证了电磁力驱动片梭机理。参考文献：1朱苏康，机织学M.中国纺织出版社,2004.2顾晓安，沈荣瀛，许庆新，徐基泰.铁磁质在磁场中所受磁场力的数学模型J.上海交通大学学报.2003:37(5):15-40.3赵凯华，电磁学(第3版)M.高等教育出版社.2011.7.362-364