直流電磁鐵設計

1、直流電磁鐵設計共 26 頁編寫：校對： 直流電磁鐵設計 電磁鐵是一種執(zhí)行元件，它輸入的是電能，輸出的是機械能。電能和機械能的變換是通過具體的電磁鐵結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。合理的電磁鐵結(jié)構(gòu)是能量變換效率提高的保證。電磁鐵設計的任務是合理的確定電磁鐵的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定電磁鐵的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)是一個相當復雜的任務，下面我們探討確定電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般方法。電磁鐵吸合過程是一個動態(tài)過程,設計是以靜態(tài)進行計算.一、基本公式和一般概念1、均勻磁場B=（T）2、磁勢F=NI,電流和匝數(shù)的乘積（A）3、磁場強度H=（A/m），建立了電流和磁場的關系。 該公式適用于粗細均勻的磁路4、磁導率=建立了磁場強度和磁感應強度（磁通

2、密度）的關系。 0=410-7享/米 相對磁導率r=5、 磁通=磁阻RM=這稱為磁路的歐姆定律，由于鐵磁材料的磁導率不是常數(shù)，使用磁阻計算磁路并不方便，磁阻計算一般只用于定性。6、磁感應強度的定義式B=，磁感應強度與力的關系。7、真空中無限長螺線管B=0nI。對于長螺線管，端面處的B=0nI。8、磁效率當電磁鐵接上電源，磁力還不足克服反力，按02的直線進行磁化，達到期初始工作點2。當磁力克服反力使氣隙減小直至為零時，工作點由23。斷電后工作點由30。面積為斷電后剩留的能量，面積為作功前電磁鐵儲存的能量，面積為電磁鐵作的功。我們的目的是使 和的面積最小，的面積最大。面積表示電磁鐵作完功后的剩磁，

3、（1）減小面積可用矯頑力小的電鐵。（2）提高制造精度，使吸合后氣隙最小，但要防止銜鐵粘住。面積表示作功前所儲存的能量，在銜鐵位置一定時，取決于漏磁通，漏磁通大，面積就大。9、機械效率K1=A：輸出的有效功A0：電磁鐵可能完成的最大功。10、重量經(jīng)濟性系數(shù) K2= G=電磁鐵重量。 A0：電磁鐵可能完成的最大功。 K2不僅取決于磁效率和機械效率，而且還取決于磁性材料的正確利用，電磁鐵的類型和主要外形尺寸之間保持合理的比例關系。11、結(jié)構(gòu)系數(shù)K 每一類型的電磁鐵，都有一定的吸力和行程。按最優(yōu)設計方法設計的電磁鐵重量最輕。一般來說，長行程的電磁鐵比短行積的電磁鐵長，吸力大的電磁鐵比吸力小的電磁鐵外徑

4、大。為了按最小材料消耗率比較電磁鐵，引入結(jié)構(gòu)系數(shù)KJ這個判據(jù)。K=Q-初始吸力（kg）-氣隙長度（cm）Q正比于電磁鐵的橫截面；正比于電磁鐵的軸向長度。結(jié)構(gòu)系數(shù)可以從設計的原始數(shù)據(jù)求得。12、電磁鐵工作的過渡過程 接通電源后，電磁鐵從網(wǎng)絡吸收能量，這個能量部分變成線圈的發(fā)熱消耗，另一部分用來建立磁場，當電流達到穩(wěn)定值后，磁場的能量不再增加，電磁鐵從電源吸收的能量全部消耗于線圈子的發(fā)熱上，磁場的能量用來產(chǎn)生吸力和作功。13、工作制（1）熱平衡公式熱平衡公式：Pdt=CGd+sdt 式中：Pdt供給以熱體的功率和時間 CGd-提高電磁鐵本身溫度的熱量。C-發(fā)熱體比熱G-發(fā)熱體質(zhì)量 d-在dt時間內(nèi)

5、電磁鐵較以前升高的溫度。 sdt-發(fā)散到周圍介質(zhì)中的熱量。-散熱系數(shù)。S-散熱面積。 -電磁鐵超過周圍介質(zhì)的溫度。當輸入功率=發(fā)散的功率時Pdt=0+sdt=sdt，即本身溫度為再升高，電磁鐵本身溫度不再升高。這時就可計算產(chǎn)品的溫升值w。當w小于容許溫升，產(chǎn)品運行是可靠的。當w大于容許溫升，產(chǎn)品是不可靠的。（2）發(fā)熱時間常數(shù)發(fā)熱時間常y=發(fā)熱體從=0 發(fā)熱到溫升0.632y時所需時間。4達到穩(wěn)定溫升。冷卻時間常數(shù)和發(fā)熱時間常數(shù)基本相同。 （3） 工作制分為：長期工作制、短期工作制和重復短期工作制。長期工作制:電器工作時間很長,一般不小于發(fā)熱時間常數(shù),工作期間，產(chǎn)品的溫度達到或接近溫升y（產(chǎn)品溫

6、度不再升高）。工作停止后,產(chǎn)品的溫度又降到周圍介質(zhì)溫度。長期工作制散熱是主要的。長期工作制電流密度可按24A/mm2。短期工作制：電器工作時間很短,一般小于發(fā)熱時間常數(shù),工作期間，產(chǎn)品的溫度達不到溫升y。工作停止后,產(chǎn)品的溫度又降到周圍介質(zhì)溫度。短期工作制CGd（產(chǎn)品本身熱容）是主要的方面。短期工作制電流密度按1330A/mm2。重復短期工作制：產(chǎn)品工作和停止交替進行，工作時產(chǎn)品溫度達不到溫升y，停止時產(chǎn)品降不到周圍介質(zhì)溫度。重復短量工作制電流密度按512A/mm214、漆包線等的耐溫等級Y：90 A；105 QE：120 QQ QA QHB：130 QZ 云母 石棉F：155 QZYH：18

7、0C：180 QY QXY輔助材料的耐熱等級B級 聚酯薄膜C級 聚四氟乙烯薄膜二、交、直流電磁鐵比較1、直流的NI是不變的，是恒磁動勢，吸力F與間隙的平方成反比。2、交流磁鏈（磁通與線圈的一些匝數(shù)相交鏈=N）近似常數(shù)，是恒磁鏈磁路，吸力F與間隙關系不大。只是漏磁隨間隙的增加而增加，故間隙增大F減小。3、直流螺管式電磁鐵中可獲得邊平坦的吸力特性。4、導磁材料：直流整塊軟鋼或工程純鐵，交流用硅鋼片沖制疊鉚而成。5、鐵心形狀：直流為圓柱形，交流為矩形或圓形。6、鐵心分磁環(huán)：直流無，交流有。7、線圈外形：直流細而高，交流短而粗。8、振動情況：直流工作平穩(wěn)無振動，交流有振動和噪音。9、交流電磁鐵比較重，

8、而且它的吸力特性不如直流電磁鐵。三、一個簡單電磁鐵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖四、電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式 還有極化繼電器電磁鐵的最優(yōu)設計，在于合理選擇電磁鐵的型式。不同型式的電磁鐵有不同的吸力特性，盤式吸力大，適用于起重電磁鐵、電磁吸盤和電磁離合器；拍合式特性比較陡，廣泛用于接觸器和繼電器；螺管式，吸力特性比較平坦，用于長行程牽引和和制動電磁鐵；機床電器如接觸器、中間繼電器電器基本上都是E型。不同型式的電磁鐵適用于不同的場合，它們有不同的吸力特性。 電磁鐵的線圈叫激磁線圈，按聯(lián)接方式分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)線圈稱為電流線圈，匝數(shù)少電流大(也叫電流繼電器)。并聯(lián)線圈稱為電壓線圈，匝數(shù)多，電阻大、電流小，匝間電壓高(也叫電

9、壓繼電器)。五、直流電磁鐵的要求1、航空電磁鐵應在下列條件下正常工作（1）周圍的的溫度從-60+50，而耐熱的結(jié)構(gòu)應達到+125。（2）大氣壓的變化由790150mmHg。（3）相對濕度達98%。（4）飛機起飛、滑跑和著陸時的沖擊。（5）2500Hz以上的振動。（6）線加速達8g以上。還有電網(wǎng)壓降，工作持續(xù)時間，繞組溫升，最低作動電壓、作動時間、釋放電壓和使用期限等。此外還要求重量輕、尺寸小，并有良好的工藝性，用材少以及最少資金等要求。2、要保證電磁鐵可靠動作，在整個工作行程內(nèi)，吸力均大于反力。一般電磁鐵均選擇銜鐵釋放位置為設計點,在該點應保證吸力可以克服反力而使銜鐵動作。 有時需根據(jù)電磁鐵的

10、動作時間來確定電磁鐵的類型，對于快速執(zhí)行要求可達到34ms，如極化繼電器。對于慢速要求的可達300500ms。為了獲得慢速要求，可采用帶短路環(huán)的拍合式和吸入式。3、直流電磁鐵的吸力（1）（N）式中：磁極總面積（）氣隙磁感應強度（T）（2）F=（IN）210-6（N）式中：S和的單位為cm 和 cm2（3）吸力和氣隙的關系六、直流電磁鐵的計算（一）、電磁鐵的原始數(shù)據(jù)1、初始吸力QH（公斤）2、銜鐵的行程H（厘米）3、容許溫升（） 4、工作制：長期工作制=1；短時工作制1；重復短時工作制1。重復短時工作制還應給出接通時間或循環(huán)時間。5、電磁鐵的工作電壓。（二）、計算1、按公式K=計算結(jié)構(gòu)系數(shù)2、根

11、據(jù)計算出的結(jié)構(gòu)系數(shù)值,按表1確定導磁體類型表 1電磁鐵類型K盤式，銜鐵在外部大于93吸入式，臺座為平頭9016拍合式262.6吸入式，臺座為45度錐形164吸入式，臺座為60度錐形41.8吸入式，無臺座小于0.23、按下面各表，確定長期工作制電磁鐵的氣隙磁通密度B和比值=（線圈的長高比）表2表3表4 表2、表3、表4、表5是電磁鐵長期工作的B，如果是短時工作制或反復短時工作制，應加大1015%。對于比值=（線圈子的長高比，也叫窗口尺寸），如果吸力增大或行程減小，可減小此值。減小此值后，每匝線圈的平均長度增加，銅的用量增加，而導磁體的長度縮短了，鋼的用量減小。最優(yōu)設計的電磁鐵，此值為17。表5盤

12、式和拍合式電磁鐵最優(yōu)磁通密度曲線（三）、初算根據(jù)電磁吸力公式QH=（公斤） （1）式中B-氣隙中的磁通密度（高）由（1）式得R1=（cm） （2）1、盤式和吸入式平頭電磁鐵的銜鐵半徑可直接用（2）式計算。2、吸入式錐臺座電磁鐵 吸力Q= 行程=Hcos2 式中-錐度角 吸入式錐臺座電磁鐵的銜鐵半徑將QH換成Q再按（2）式計算。3、拍合式電磁鐵 可直接用公式（2）算出極靴的半徑R1。對于鐵心的半徑RCRC=R1式中：BCT=400012000 根據(jù)電磁鐵要求的靈敏度,靈敏度高的選小值。 =1.33拍合式電磁鐵的鐵心和銜鐵4、線圈的總磁動勢方程 F=kct kct=1.21.55試驗表明，導磁體內(nèi)

13、磁動勢占電磁鐵總磁動勢的1025%，非工作氣隙中的磁動勢占總磁動勢的510%，則材料選擇最經(jīng)濟。F=F+FCT+F式中：F-氣隙中的磁動勢 FCT-導磁體中的磁動勢 F-非工作氣隙中的磁動勢5、確定線圈的長度和高度（1）長度LK=式中：-漆包線的電阻率F-總磁勢-工作制系數(shù)K-散熱系數(shù)y-溫升fK-填充系數(shù)表7 fK填充系數(shù)漆包線直徑（mm）手動繞線自動繞線0.10.440.380.150.4950.20.5350.480.30.540.40.57表8 K-散熱系數(shù)(2)R2=+R1 hK=R2-R1(3)R3=6、拍合式電磁鐵外形尺寸計算（曲線圖上無）（1） 線圈的內(nèi)徑De！=d+2c（m）

14、 式中c-線圈和鐵心之間間隙。一般取0.00050.001（m） (2)線圈的外徑Dc2=(1.6)（m）(3)線圈的厚度b=（m）(4)線圈的長 L=b（m） :螺管式取=77、確定漆包線直徑 d=0.2 U-工作電壓。（四）、復算1、修正導磁體的尺寸和漆包線的徑 計算中心出的導磁體尺寸，需要對其圓整。計算出的漆包線尺寸，會和標準規(guī)定的不一樣，需要按標準給出的漆包線直徑。2、確定繞組的層數(shù)、每層的匝數(shù)以及總匝數(shù) 按線圈子的窗口尺寸、漆包線怕外徑（包括漆層）、層間絕緣層厚度等進行曲計算。3、計算實際的填充系數(shù)f f=式中：q-漆包線的截面積W-線較總匝數(shù)4、計算線圈的電阻R R= 式中：線圈漆

15、包線長度L0=2RcpW Rcp=5、線圈電流 I=6、線圈磁勢F=IW7真正溫升 =溫升w應小于線圈所用材料的絕緣等級。如果超過允許溫升,說明電流太大,應增加匝數(shù)IN。而增加IN，就要修改線圈的長度和厚度等參數(shù)。8、確定吸力（1） 麥克斯韋公式（適用于等效電磁鐵）Q=1.265B2R1210-7(kg)(2)鐵心頭部為錐形 Q=2.0310-7F2(+sin2)（kg）七、其他問題1、漆包線電阻的計算漆包線+20時的電阻率=0.0175.mm2/m。漆包線+20時的電阻R20=0.0175L: 漆包線長度 m S: 漆包線截面積 mm2其他溫度時的電阻RT =KTR20=0.0175KT K

16、T =1+0.004(t-20)t9095100105110115120125130KT1.281.31.321.341.361.381.41.421.44t135140145150155160165170175KT1.461.481.51.521.541.561.581.61.622、漆包線長度的計算（1）、用近似公式計算線圈的平均匝長。如螺管式可用線圈高度中間的匝長作為平均匝長Lp。（2）、漆包線長度L=LpW W：匝數(shù)3、溫升計算公式 溫升計算公式：T（R2-R1）R1（235t） 式中：R1環(huán)境溫度時直流電阻（）；R2通電一定時間后的直流電阻（）；t產(chǎn)品環(huán)境溫度（）；T產(chǎn)品溫升值（）。

17、4、電磁鐵的動作時間tm=ts+td式中：ts-鐵心始動時間，即從線圈通電到鐵心開始動作的時間。 td-鐵心運動時間，即鐵心開始運動到最后吸合的時間（1）減小始動時間的方法 減小線圈的時間常數(shù)和減小電流（2）減小鐵心運動時間的方法 增大電壓；增加IN；（3）動作時間與輸入功率的關系 = 在銜鐵行程、銜鐵質(zhì)量等參數(shù)不變的條件下，增加輸入功率，可減小銜鐵的動作時間。 示例一、原始數(shù)據(jù) QH=24公斤 H=0.5厘米 Y=70 =0.1 UH=24VY=20二、初算1、有效功A= QHH=240.5=12kgcm2、結(jié)構(gòu)系數(shù)值K=9.8kg0.5/cm按所求的值,查表1,確定電磁鐵的類型為45度錐臺座吸入式。按所求的值,查表3得：B=10600高，=53、把吸力和銜鐵行程折合為等效值 Q=48kg =Hcos2=0.5cos245=0.25cm4、確定鐵心半徑 R1=1