电子机械论文宽厚钢板电磁起重系统的方案设计(2)

4 电磁铁的设计

1)专用电磁铁设计宽厚板的起重通常以单张进行。由于常规电磁铁的磁力特性是强烈非线性的[2]要从一叠钢板中可靠地吸吊起单张钢板，采用常规电磁铁是不适宜的，为此需要设计专用电磁铁。

额定载荷P的确定

P=Wmax/n(1)

式中：Wmax为被吊钢板的最大重量;n为电磁铁的个数。

安全系数K的确定

K=F/P(2)

式中F为单个电磁铁的电磁力。

电磁力F的计算(3]

F=B2A/(2μ0)(3)

式中：F为电磁力(N);B为工作气隙处的磁通密度(T);A为有效吸附面积(m2);μ0为真空中的磁导率(4πx10-7H/m)。

根据式(1),(2)，安全系数取2.5，就可以确定最大电磁力。根据式(3)，合理选择B值，就能确定A值，这样就对应确定了线圈芯的截面尺寸。

为确保电磁铁在高温下能正常工作，对电磁铁进行了耐高温设计。设计要点在于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，对电磁铁而言，其关键是在保证足够透磁深度的情况下，电磁铁的磁力曲线FII要有较宽的线性范围[4]。对应图2所示钢板，满足钢板温度t=600℃条件下，所设计的专用电磁铁采用多个线圈，全密封焊接式长方体钢板结构，基本参数为：外形尺寸2700mmx240mmx320mm、额定起重量6.5t、安全系数K>2.5、工作电压为直流DC220V、防护等级IP54。这种电磁铁透磁深度相对较浅、线性好、重量轻、功率小。

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。这个问题在厚板起吊中是个貌似简单却十分重要的问题。由于厚钢板是平直不易变形的，如果磁极工作面参差不齐，不在同一水平面上，则必将造成举高较低的电磁铁相当于“下沉”，不但不产生吸力，而且将“压”在被吸钢板上，形成“负吸力”。这样一来，总的吸力明显降低。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。

5 电控子系统设计

1)工作原理系统的程序控制采用西门子S7-200 PLC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254mm触摸屏，采用SIMATIC ProTool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MPI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。

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