直流电磁铁设计.docx
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直流电磁铁设计
直流电磁铁设计
电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。
电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。
合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。
电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。
确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。
电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算.
一、基本公式和一般概念
1、均匀磁场B=
（T）
2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A）
3、磁场强度H=
（A/m），建立了电流和磁场的关系。
该公式适用于粗细均匀的磁路
4、磁导率
=
建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。
0=4π×10-7
享/米相对磁导率
r=
5、磁通Φ=
磁阻RM=
这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。
6、磁感应强度的定义式B=
，磁感应强度与力的关系。
7、真空中无限长螺线管B=μ0nI。
对于长螺线管，端面处的
B=
μ0nI。
8、磁效率
当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按0～2的直线进行磁化，达到期初始工作点2。
当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由2～3。
断电后工作点由3～0。
面积Ⅰ为断电后剩留的能量，面积Ⅱ为作功前电磁铁储存的能量，面积Ⅲ为电磁铁作的功。
我们的目的是使Ⅰ和Ⅱ的面积最小，Ⅲ的面积最大。
面积Ⅰ表示电磁铁作完功后的剩磁，
（1）减小面积Ⅰ可用矫顽力小的电铁。
（2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。
面积Ⅱ表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积Ⅱ就大。
9、机械效率
K1=
A：
输出的有效功
A0：
电磁铁可能完成的最大功。
10、重量经济性系数
K2=
G=电磁铁重量。
A0：
电磁铁可能完成的最大功。
K2不仅取决于磁效率
和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用，电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。
11、结构系数Kφ
每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。
按最优设计方法设计的电磁铁重量最轻。
一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁铁长，吸力大的电磁铁比吸力小的电磁铁外径大。
为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数KJ这个判据。
Kφ=
Q-初始吸力（kg）
δ-气隙长度（cm）
Q正比于电磁铁的横截面；δ正比于电磁铁的轴向长度。
结构系数可以从设计的原始数据求得。
12、电磁铁工作的过渡过程
接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗，另一部分用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，电磁铁从电源吸收的能量全部消耗于线圈子的发热上，磁场的能量用来产生吸力和作功。
13、工作制
（1）热平衡公式
热平衡公式：
Pdt=CGdτ+μsτdt
式中：
Pdt供给以热体的功率和时间
CGdτ-提高电磁铁本身温度的热量。
C-发热体比热
G-发热体质量dτ-在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。
μsτdt-发散到周围介质中的热量。
μ-散热系数。
S-散热面积。
τ-电磁铁超过周围介质的温度。
当输入功率=发散的功率时Pdt=0+μsτdt=μsτdt，即本身温度为再升高，电磁铁本身温度不再升高。
这时就可计算产品的温升值τw。
当τw小于容许温升，产品运行是可靠的。
当τw大于容许温升，产品是不可靠的。
（2）发热时间常数
发热时间常τy=发热体从τ=0发热到温升0.632τy时所需时间。
4τ达到稳定温升。
冷却时间常数和发热时间常数基本相同。
（3）工作制分为：
长期工作制、短期工作制和重复短期工作制。
长期工作制:
电器工作时间很长,一般不小于发热时间常数,工作期间，产品的温度达到或接近温升τy（产品温度不再升高）。
工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。
长期工作制散热是主要的。
长期工作制电流密度可按2～4A/mm2。
短期工作制：
电器工作时间很短,一般小于发热时间常数,工作期间，产品的温度达不到温升τy。
工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。
短期工作制CGdτ（产品本身热容）是主要的方面。
短期工作制电流密度按13～30A/mm2。
重复短期工作制：
产品工作和停止交替进行，工作时产品温度达不到温升τy，停止时产品降不到周围介质温度。
重复短量工作制电流密度按5～12A/mm2
14、漆包线等的耐温等级
Y：
90℃A；105℃Q
E：
120℃QQQAQH
B：
130℃QZ云母石棉
F：
155℃QZY
H：
180℃
C：
＞180℃QYQXY
辅助材料的耐热等级
B级聚酯薄膜
C级聚四氟乙烯薄膜
二、交、直流电磁铁比较
1、直流的NI是不变的，是恒磁动势，吸力F与间隙δ的平方成反比。
2、交流磁链ψ（磁通φ与线圈的一些匝数相交链ψ=Nφ）近似常数，是恒磁链磁路，吸力F与间隙δ关系不大。
只是漏磁随间隙δ的增加而增加，故间隙δ增大F减小。
3、直流螺管式电磁铁中可获得边平坦的吸力特性。
4、导磁材料：
直流整块软钢或工程纯铁，交流用硅钢片冲制叠铆而成。
5、铁心形状：
直流为圆柱形，交流为矩形或圆形。
6、铁心分磁环：
直流无，交流有。
7、线圈外形：
直流细而高，交流短而粗。
8、振动情况：
直流工作平稳无振动，交流有振动和噪音。
9、交流电磁铁比较重，而且它的吸力特性不如直流电磁铁。
三、一个简单电磁铁产品的结构图
四、电磁铁的结构形式
还有极化继电器
电磁铁的最优设计，在于合理选择电磁铁的型式。
不同型式的电磁铁有不同的吸力特性，盘式吸力大，适用于起重电磁铁、电磁吸盘和电磁离合器；拍合式特性比较陡，广泛用于接触器和继电器；螺管
式，吸力特性比较平坦，用于长行程牵引和和制动电磁铁；机床电器如接触器、中间继电器电器基本上都是E型。
不同型式的电磁铁适用于不同的场合，它们有不同的吸力特性。
电磁铁的线圈叫激磁线圈，按联接方式分为串联和并联。
串联线圈称为电流线圈，匝数少电流大（也叫电流继电器）。
并联线圈称为电压线圈，匝数多，电阻大、电流小，匝间电压高（也叫电压继电器）。
五、直流电磁铁的要求
1、航空电磁铁应在下列条件下正常工作
（1）周围的的温度从-60℃～+50℃，而耐热的结构应达到+125℃。
（2）大气压的变化由790～150mmHg。
（3）相对湿度达98%。
（4）飞机起飞、滑跑和着陆时的冲击。
（5）2500Hz以上的振动。
（6）线加速达8g以上。
还有电网压降，工作持续时间，绕组温升，最低作动电压、作动时间、释放电压和使用期限等。
此外还要求重量轻、尺寸小，并有良好的工艺性，用材少以及最少资金等要求。
2、要保证电磁铁可靠动作，在整个工作行程内，吸力均大于反力。
一般电磁铁均选择衔铁释放位置为设计点,在该点应保证吸力可以克服反力而使衔铁动作。
有时需根据电磁铁的动作时间来确定电磁铁的类型，对于快速执行要求可达到3～4ms，如极化继电器。
对于慢速要求的可达300～500ms。
为了获得慢速要求，可采用带短路环的拍合式和吸入式。
3、直流电磁铁的吸力
（1）Ｆ＝
Ｓ（N）
式中：
Ｓ－磁极总面积（ｍ２）
Ｂδ－气隙磁感应强度（T）
（2）F=
（IN）2
×10-6（N）
式中：
S和δ的单位为cm和cm2
（3）吸力和气隙的关系
六、
直流电磁铁的计算
（一）、电磁铁的原始数据
1、初始吸力QH（公斤）
2、衔铁的行程δH（厘米）
3、容许温升（℃）
4、工作制：
长期工作制τ=1；短时工作制τ＜1；重复短时工作制τ＜1。
重复短时工作制还应给出接通时间或循环时间。
5、电磁铁的工作电压。
（二）、计算
1、按公式Kφ=
计算结构系数
2、根据计算出的结构系数值,按表1确定导磁体类型
表1
电磁铁类型
Kφ
盘式，衔铁在外部
大于93
吸入式，台座为平头
90～16
拍合式
26～2.6
吸入式，台座为45度锥形
16～4
吸入式，台座为60度锥形
4～1.8
吸入式，无台座
小于0.2
3、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度Bδ和比值
=
（线圈的长高比）
表2
表3
表4
表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的Bδ，如果是短时工作制或反复短时工作制，应加大10～15%。
对于比值
=
（线圈子的长高比，也叫窗口尺寸），如果吸力增大或行程减小，可减小此值。
减小此值后，每匝线圈的平均长度增加，铜的用量增加，而导磁体的长度缩短了，钢的用量减小。
最优设计的电磁铁，此值为1～7。
表5
盘式和拍合式电磁铁最优磁通密度曲线
（三）、初算
根据电磁吸力公式QH=π
（公斤）
（1）
式中Bδ-气隙中的磁通密度（高）
由
（1）式得R1=
（cm）
（2）
1、盘式和吸入式平头电磁铁的衔铁半径可直接用
（2）式计算。
2、吸入式锥台座电磁铁
吸力Q=
行程δ=δHcos2α
式中α-锥度角
吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将QH换成Q再按
（2）式计算。
3、拍合式电磁铁
可直接用公式
（2）算出极靴的半径R1。
对于铁心的半径RC
RC=R1
式中：
BCT=4000～12000
根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。
σ=1.3～3
拍合式电磁铁的铁心和衔铁
4、线圈的总磁动势方程
F∑=
kct
kct=1.2～1.55
试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的10～25%，非工作气隙中的磁动势占总磁动势的5～10%，则材料选择最经济。
F∑=Fδ+FCT+Fφ
式中：
Fδ-气隙中的磁动势
FCT-导磁体中的磁动势
Fφ-非工作气隙中的磁动势
5、确定线圈的长度和高度
（1）长度
LK=
式中：
ρθ-漆包线的电阻率
F-总磁势
τ-工作制系数
K-散热系数
θy-温升
fK-填充系数
表7fK填充系数
漆包线直径（mm）
手动绕线
自动绕线
0.1
0.44
0.38
0.15
0.495
0.2
0.535
0.48
0.3
0.54
0.4
0.57
表8K-散热系数
（2）R2=
+R1
hK=R2-R1
（3）R3=
6、拍合式电磁铁外形尺寸计算（曲线图上无
）
（1）线圈的内径De！
=d+2△c（m）
式中△c-线圈和铁心之间间隙。
一般取0.0005～0.001（m）
（2）线圈的外径Dc2=（1.6～２）Ｄｃ１（m）
（3）线圈的厚度b=
（m）
（4）线圈的长L=βb（m）
β:
螺管式取β=7～８
7、确定漆包线直径
d=0.2
U-工作电压。
（四）、复算
1、修正导磁体的尺寸和漆包线的径
计算中心出的导磁体尺寸，需要对其圆整。
计算出的漆包线尺寸，会和标准规定的不一样，需要按标准给出的漆包线直径。
2、确定绕组的层数、每层的匝数以及总匝数
按线圈子的窗口尺寸、漆包线怕外径（包括漆层）、层间绝缘层厚度等进行曲计算。
3、计算实际的填充系数f
f=
式中：
q-漆包线的截面积
W-线较总匝数
4、计算线圈的电阻R
R=ρθ
式中：
线圈漆包线长度L0=2πRcpW
Rcp=
5、线圈电流
I=
6、线圈磁势
F∑=IW
7真正温升θ
θ=
温升τw应小于线圈所用材料的绝缘等级。
如果超过允许温升,说明电流太大,应增加匝数IN。
而增加IN，就要修改线圈的长度和厚度等参数。
8、确定吸力
（1）麦克斯韦公式（适用于等效电磁铁）
Q=1.265×Bδ2×R12×10-7（kg）
（2）铁心头部为锥形
Q=2.03×10-7F2（
+
sin2α）（kg）
七、其他问题
1、漆包线电阻的计算
漆包线+20℃时的电阻率ρ=0.0175Ω.mm2/m。
漆包线+20℃时的电阻R20=0.0175
L:
漆包线长度mS:
漆包线截面积mm2
其他温度时的电阻RT=KTR20=0.0175KT
KT=1+0.004（t-20）
t℃
90
95
100
105
110
115
120
125
130
KT
1.28
1.3
1.32
1.34
1.36
1.38
1.4
1.42
1.44
t℃
135
140
145
150
155
160
165
170
175
KT
1.46
1.48
1.5
1.52
1.54
1.56
1.58
1.6
1.62
2、漆包线长度的计算
（1）、用近似公式计算线圈的平均匝长。
如螺管式可用线圈高度中间的匝长作为平均匝长Lp。
（2）、漆包线长度L=LpW
W：
匝数
3、温升计算公式
温升计算公式：
T＝[（R2-R1）÷R1]×（235＋t）
式中：
R1—环境温度时直流电阻（Ω）；
R2—通电一定时间后的直流电阻（Ω）；
t—产品环境温度（℃）；
T—产品温升值（℃）。
4、电磁铁的动作时间
tm=ts+td
式中：
ts-铁心始动时间，即从线圈通电到铁心开始动作的时间。
td-铁心运动时间，即铁心开始运动到最后吸合的时间
（1）减小始动时间的方法
减小线圈的时间常数和减小电流
（2）减小铁心运动时间的方法
增大电压；增加IN；
（3）动作时间与输入功率的关系
=
在衔铁行程、衔铁质量等参数不变的条件下，增加输入功率，可减小衔铁的动作时间。
示例
一、原始数据
QH=24公斤
δH=0.5厘米
θY=70℃
τ=0.1
UH=24V
θY=20℃
二、初算
1、有效功A=QHδH=24×0.5=12kgcm
2、结构系数值Kφ=
=
=9.8kg0.5/cm
按所求的值,查表1,确定电磁铁的类型为45度锥台座吸入式。
按所求的值,查表3得：
Bδ=10600高，
=5
3、把吸力和衔铁行程折合为等效值
Q=
=
=48kg
δ=δHcos2α=0.5×cos245º=0.25cm
4、确定铁心半径
R1=
=
=1.82（cm）
5、确定总动势
F∑=
kct=
×1.28=2700（安匝）
取磁导体中的磁势降为气隙磁势的18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的10%,则
式中KCT=
=1.28
0.78=1-（10%+18%）
6、确定线圈的长度和高度
LK=
=
=5.04（cm）
ρθ=2.4×10-2Ωcm2/m漆包线90℃时电阻率
K=1.16×10-3W/cm2℃散热系数
Fk=0.43填充系数
R2=
+R1=
+1.82=2.83（cm）
H=R2-R1=2.83-1.82=1.01（cm）
7、确定外部半径
R3=
=
=3.35（cm）
8、确定漆包线的直径
d=
=
=0.696（mm）
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