直流电磁铁设计.docx

1、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

2、强度和磁感应强度（磁通密度）的关系 。 0 =4 10 -7 享 / 米 相对磁导率 r = 5、 磁 通 = 磁阻 R M = 这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率不是常数，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= 0 nI 。对于长螺线管，端面处的B= 0 nI 。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 。面积为断电后剩留的能量，面积为作功前电磁

3、铁储存的能量，面积为电磁铁作的功。我们的目的是使 和的面积最小，的面积最大。面积表示电磁铁作完功后的剩磁，（ 1 ）减小面积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，面积就大。9 、机械效率K 1 = 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 K 2 = 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 K 每一类型的

4、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 K J 这个判据。K = Q- 初始吸力（ kg ） - 气隙长度（ cm ）Q 正比于电磁铁的横截面；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 、

5、工作制（ 1 ）热平衡公式热平衡公式： Pdt=CGd + s dt 式中： Pdt 供给以热体的功率和时间 CGd - 提高电磁铁本身温度的热量。 C- 发热体比热G- 发热体质量 d - 在 dt 时间内电磁铁较以前升高的温度。 s dt- 发散到周围介质中的热量。 - 散热系数。 S- 散热面积。 - 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+ s dt= s dt ，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 w 。当 w 小于容许温升，产品运行是可靠的。当 w 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 y =

6、发热体从 =0 发热到温升 0.632 y 时所需时间。 4 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 y （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/mm 2 。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 y 。工作停止后 , 产品的温度又降到周围介质温度。短期工作制 CGd （产品本身热容

7、）是主要的方面。短期工作制电流密度按 13 30A/mm 2 。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 y ， 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/mm 214 、漆包线等的耐温等级Y ： 90 A ； 105 QE ： 120 QQ QA QHB ： 130 QZ 云母 石棉F ： 155 QZYH ： 180 C ： 180 QY QXY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 与间隙的平方成反比。2 、交流磁链（磁通与线圈的一些匝数相交链 =N

8、 ）近似常数，是恒磁链磁路，吸力 F 与间隙关系不大。只是漏磁随间隙的增加而增加，故间隙增大 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

9、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

10、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 3

11、00 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 ） （ N ）式中：磁极总面积（ ） 气隙磁感应强度（ T ）（ 2 ） F= （ IN ） 2 10 -6 （ N ）式中： S 和的单位为 cm 和 cm 2（ 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 Q H （公斤）2 、衔铁的行程 H （厘米）3 、容许温升（） 4 、工作制：长期工作制 =1 ；短时工作制 1 ；重复短时工作制 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 K = 计算结构系

12、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K 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 0.23 、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度 B 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 B ，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，

13、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 Q H = （公斤） （ 1 ）式中 B - 气隙中的磁通密度（高）由（ 1 ）式得 R 1 = （ 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 = H cos 2 式中 - 锥度角 吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将 Q H 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 R CR C =R1

14、 式中： B CT =4000 12000 根据电磁铁要求的灵敏度 , 灵敏度高的选小值。 =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 = k ct k ct =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 =F +F CT +F 式中： F - 气隙中的磁动势 F CT - 导磁体中的磁动势 F - 非工作气隙中的磁动势5 、确定线圈的长度和高度（ 1 ）长度L K = 式中： - 漆包线的电阻率F- 总磁势 - 工作制系数K- 散热系数 y - 温升f K - 填充系数

15、表 7 f K 填充系数漆包线直径（ mm ）手动绕线自动绕线0.10.440.380.150.4950.20.5350.480.30.540.40.57表 8 K- 散热系数(2)R2= +R1 h K =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 D e ！ =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 D c2 =(1.6 ) （ m ）(3) 线圈的厚度 b= （ m ）(4) 线圈的长 L= b （ m ） : 螺管式取 =7 7 、确定漆包线直径 d=0.2

16、 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= 式中：线圈漆包线长度 L 0 =2 R cp W R cp = 5 、线圈电流 I= 6 、线圈磁势F =IW7 真正温升 = 温升 w 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

17、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 B 2 R1 2 10 -7 (kg)(2) 铁心头部为锥形 Q=2.03 10 -7 F 2 ( + sin 2 ) （ kg ）七、其他问题1 、漆包线电阻的计算漆包线 +20 时的电阻率 =0.0175 .mm 2 /m 。漆包线 +20 时的电阻 R 20 =0.0175 L: 漆包线长度 m S: 漆包线截面积 mm 2其他温度时的电阻 R T =K T R 20 =0.0175K T K T =1+0.004(t-20)t 9095

18、100105110115120125130K T1.281.31.321.341.361.381.41.421.44t 135140145150155160165170175K T1.461.481.51.521.541.561.581.61.622 、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 （ R 2 -R 1 ） R 1 （ 235 t ） 式中：R 1 环境温度时直流电阻（）；R 2 通电一定时间后的直流电阻（）；t 产品环境温度（）

19、；T 产品温升值（）。4 、电磁铁的动作时间t m =t s +t d式中： t s - 铁心始动时间，即从线圈通电到铁心开始动作的时间。 t d - 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 Q H =24 公斤 H =0.5 厘米 Y =70 =0.1 U H =24V Y =20 二、初算1 、有效功 A= Q H H =24 0.5=1

20、2kgcm2 、结构系数值 K = = =9.8kg 0.5 /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： B =10600 高， =53 、把吸力和衔铁行程折合为等效值 Q= = =48kg = H cos 2 =0.5 cos 2 45 =0.25cm4 、确定铁心半径 R1= = =1.82(cm)5 、确定总动势 F = k ct = 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 K CT = =1.28 0.78=1-(10%+18%)6、 确定线圈的长度和高度 L K = = =5.04(cm) =2.4 10 -2 cm 2 /m 漆包线 90 时电阻率K=1.16 10 -3 W/cm 2 散热系数F k =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)