（机械电子工程专业论文）电磁铁性能及其测试系统的研究.pdf

妒l 蠹 ； l t jo裂c争 。 善 ； ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ho np e r f o r m a n c ea n d t e s t i n gs y s t e m o f e l e c t r o m a g n e t b yl i uq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uh o n g y i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 扩o-0 1 ， 东北大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思o 、 坦 学位论文作者签名：叉1 】否终 日 期：舢蝣硝6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 。，蚪1 东北大学硕士学位论文摘要 电磁铁性能及其测试系统的研究 摘要 本文是以我研究所与某电磁阀厂实际合作项目为背景展开的，并最终完成了从设计 到产品的开发。 长期以来，电磁铁的静动态性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效 率低、人为因素影响大、自动化水平低。随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地 应用到工业中，用人工进行电磁铁静动态性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，电磁 铁静动态性能的自动化检测必将成为该行业的主流。本论文研究的电磁铁静动态测试系 统正是为该厂研制的自动化检测设备，它将改变该公司目前人工检测的状况，实现检测 过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。 该测试系统可分为试验台架本体和计算机检测两大部分。该系统以p c l 一8 1 8 l 采集 卡为核心，并结合精密的力传感器和位移传感器能快速准确力和位移信号，从而得到静 动态性能指标与曲线，并具有通信和打印接口，可以实现即时打印和与上位机联机。本 测试系统具有很好的开放性能，可以满足不同型号电磁铁静态和动态测试需要，这样就 为新产品的研发提供有力保证。 从工程应用和控制的角度建立了具有实用价值的电磁铁静态及动态数学模型，电磁 铁静态模型对电磁铁的结构、工作机理和参数设计具有指导意义；电磁铁动态模型对高 速电磁铁的动态特性及其驱动系统的研制具有指导意义。 本文介绍了专用驱动设备多功能电源箱，其中包括可调的直流开关电源以及交 流调压技术；另外还介绍了多功能信号发生器，它也是本测试系统不可缺少的一部分。 另外，基于前人的经验和设计，本人设计和开发了基于力、位移等多变量综合测量 的，机电一体化的电磁铁静动态性能测试系统。论述了总体方案，系统构成、元件选用、 结构设计和基于v b 应用面向对象化软件编程方法对系统进行了人机界面的开发。 在实验和研究的基础上进行了总结，同时也为系统的进一步完善和发展奠定了基 础。 关键词 ：电磁铁，静动态性能测试，建模与仿真，p c l 一8 1 8 l ，数据采集 i i 脖0 2 妒 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho np e r f o r m a n c ea n d t e s t i n gs y s t e m o f e l e c t r o m a g n e t a b s t r a c t t h i sp a p e ri saf a c t u a lo b j e c tb a s eo nt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nm yg r a d u a t es c h o o la n d a ne l e c t r o m a g n e tf a c t o r y , a n df i n a lc o m p l e t et h ep r o d u c tf r o mt h ed e s i g nt om a n u f a c t u r e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e tn e e d st ob et e s t e db yh a n df o ral o n gt i m e s o t h et e s t i n ge f f i c i e n c yi sl o wa n di ti sp r o n et ob ea f f e c t e db ya r t i f i c i a l n e s s n o w , a u t o m a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt om o r ea n dm o r ef a c t o r i e s t h ee l e c t r o m a g n e tt e s ts y s t e mw i l l a l s or e a l i z ea u t o - t e s tb yc o m p u t e ri nt h ef u t u r e t h et e s ts y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri s d e v e l o p e d f o rac o m p a n y i tw i l lr e a l i z ea u t o - t e s t ，i m p r o v et h e e f f i c i e n c y i nt e s t i n g e l e c t r o m a g n e tp e r f o r m a n c ea n d m a k et h et e s t i n gd a t am o r ep r e c i s et h a nb e f o r e t h i st e s t i n gs y s t e mf o rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e tc o n t a i n st e s t i n g m a i nb o d ya n dc o m p u t e rd e t e c t i n g t h ec o r eo ft h i ss y s t e mi sp c l 一818 ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d l i n k 、析t hs e n s o rt om e a s u r et h es i g n a lo fs t r e n g t ha n dd i s p l a c e m e n t a c q u i r et ot h ec u r v eo f s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e t ，a n dr e a l i z et op r i n t t h i ss y s t e mh a sav e r y g o o do p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c ，m e e tt od i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i ti sak i n do fg u a r a n t e et ot h e r e s e a r c ho fn e we l e c t r o m a g n e t p r a c t i c a ls t a t i ca n dd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e l so fe l e c t r o m a g n e ta r ep r o v i d e di nt h i s p a p e r t h es t a t i cm o d e li so fa d v a n t a g et ot h es t r u c t u r e ，m e c h a n i s md e s i g na n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no fe l e c t r o m a g n e t ，t h ed y n a m i cm o d e li sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t d y n a m i cc h a r a c t e ra n de d ud e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , ii n t r o d u c eas p e c i a ld r i v em a d eb ym y s e l f - m u l t i f u n c t i o np o w e rb o x ， w h i c hi n c l u d et u n a b l e n e s sd cs w i t c hp o w e rs u p p l ya n dt h et e c h n i q u eo fv o l t a g er e g u l a t i o n ； a n dii n t r o d u c ea na w g , w h i c hi so n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ef o rt h i ss y s t e m i na d d i t i o n , b a s eo no l dd e s i g n st op l a nat e s t i n gs y s t e mc o n t a i nm u l t i p a r a m e t e r g r o u n do ne l e c t r o n i cc u r r e n t ，f o r c ea n dd i s p l a c e m e n t ，am e c h a t r o n i cs t a t i cp e r f o r m a n c et e s t s y s t e mo fe l e c t r o m a g n e ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ed e s i g np r o j e c t ，s y s t e ms t r u c t u r e ， s e l e c to fc o m p o n e n t s ，d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ep r o p o s e d b a s eo nv i s u a lb a s i c ， i i i 。 l “1 | l ，hii 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的应用背景及意义1 1 1 1 电磁铁的应用日趋广泛1 1 - 1 2 电磁铁的发明1 1 1 3 我国电磁铁测试技术落后。1 1 1 4 自主研发电磁铁测试系统的重要意义2 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 国内外研究动态2 1 2 2 现有研究状况4 1 3 本文研究解决的问题4 第2 章电磁铁的静态模型与技术参数6 2 1 电磁铁的结构及工作原理6 2 2 电磁铁磁路计算7 2 2 1 磁路磁阻估算7 2 2 2 磁感应强度计算9 2 3 电磁铁的静态模型及简化1 1 2 4 电磁铁各种技术参数与其性能的关系1 3 2 4 1 饱和磁感应强度1 3 2 4 2 磁极面积1 3 2 4 3 相对磁导率1 4 2 4 4 励磁电流15 2 4 5 气隙长度15 v 目录 11 ； 1 6 型与控制方法1 7 1 7 1 7 1 7 18 1 9 ：! ( ) ：! ( ) ：! ( ) ：! 1 ：! ：! ：! ：； 2 4 3 3 6 铁芯行程和磁路长度2 4 3 4 7 线圈匝数2 4 3 3 8 线圈电感2 5 3 4 本章小结2 6 第4 章系统驱动设备开发2 7 4 1 开关电源概述2 7 4 1 1 开关电源的基本原理2 7 4 1 2 开关电源电路设计2 9 4 1 3 开关电源性能分析3 4 4 2 高精度恒流源设计3 5 4 2 1l m 3 3 4 恒流源芯片简介3 5 4 2 2 基本恒流源电路3 5 4 2 3 零温度系数的恒流源设计3 7 v i 一0pi 4 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 本章小结3 8 第5 章电磁铁测试系统硬件开发3 9 5 1 系统要求及工作原理3 9 5 1 1 系统要求3 9 5 1 2 系统工作原理3 9 5 2 多功能信号发生器的研究与开发4 0 5 2 1 电源部分4 2 5 2 2 典型信号输出部分4 2 5 2 3 六路模拟信号输出4 3 5 2 5 实物图4 4 5 3 电气元件选择。4 4 5 3 1 工业计算机4 4 5 3 2 传感器4 4 5 3 3 数据采集卡4 5 5 4 人机界面软件的选择。4 7 5 4 1l a b v i e w 4 7 5 4 ：2v i s u a l b a s i c6 0 4 7 5 4 3 结论4 8 5 5 本章小结4 8 第6 章电磁铁测试系统软件开发4 9 6 1 高速数据采集关键技术4 9 6 1 1 基于i s a 总线的高速数据采集4 9 6 1 2f i f o 存储器技术4 9 6 1 3 中断与d m a 数据传输方式5 0 6 2 多功能ls a 总线数据采集卡p c l _ 18 l 5 0 6 2 1p c l - 8 1 8 l 性能简介5 0 6 2 2 模拟信号输入输出电气连接5l 6 3p c l 一8 1 8 l 中断方式数据采集原理5 2 - - - - - - - - - - 。 东北大学硕 6 3 1 6 3 2 士学位论文 目录 中断数据采集硬件工作原理5 2 中断数据采集驱动程序设计5 3 6 4 电磁铁测试软件系统5 5 6 5 本章小结5 8 第7 章结论及展望6 0 7 1 结论6 0 7 2 展望6 l 参考文献6 2 致谢6 5 v i i i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的应用背景及意义 1 1 1 电磁铁的应用日趋广泛 随着世界范围内工业控制领域的飞速发展，人们对自动化的要求也就日趋严格1 1 1 【2 1 。 机、电、液、光一体化技术正在慢慢地占领熬头，然而电磁铁是联系机、电、液、光技 术之间关键纽带之一，比如：电磁继电器，接触器，电磁铁等等。这样就更进一步地增 加了电磁铁在市场上的需求3 】【4 1 。 1 。1 2 电磁铁的发明 1 8 2 2 年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它 能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1 8 2 3 年，斯特金也做了一 次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的u 型铁棒上绕了1 8 圈铜裸线，当铜线与电池 接通时，绕在u 型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使u 型铁棒变成了一块 “电磁铁 。这种电磁铁上的磁能要比永磁能大放多倍，它能吸起比它重2 0 倍的铁块， 而当电源切断后，u 型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。斯特金的 电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国 以及西欧一些沿海国家传播开来1 6 1 。 1 1 3 我国电磁铁测试技术落后 电磁铁的应用如此广泛，而且它在工业自动化控制领域中起到了非常重要的作用， 可以说电磁铁性能的好坏将直接影响到整个自动化系统的工作，有时甚至是毁灭性的结 局。所以必须严把质量关，其中最重要的一个环节就是严把出厂关，也就是在电磁铁出 厂时做好电磁铁的静动态性能测试。一方面，可以保证出厂电磁铁的质量问题：另一方 面，可以为用户提供清晰可供参考的性能曲线 7 1 。这将是工业控制领域的重中之重。 然而，我国电磁铁测试技术却非常落后，有的企业在这方面的技术甚至为零。大部 分的电磁铁生产厂商主要是依据工人的经验来判断一个电磁铁的性能好坏，更不能够提 供详尽的性能曲线了，这将直接影响自动化系统的性能，进而制约自动化技术的发展。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 4 自主研发电磁铁测试系统的重要意义 针对目前电磁铁广泛应用和电磁铁测试技术落后之间的矛盾，如果我们能够自主研 发出有自己知识产权的电磁铁测试系统，那么它的意义是不可估量的： 在效益方面：在电磁铁出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术 数据。保证了电磁铁的质量，同时也为用户提供了方便； 在社会方面：目前国内尚无成熟地电磁铁测试系统，因此该系统的研究有助于填补 我国在电磁铁测试技术研究及产品的空白，对提高我国自动化技术的发展，提升我国电 磁铁测试技术的水平都具有重要的意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内外研究动态 按照产生电磁力的原理，高速强力电磁铁的结构大体上可以分为三种：拍合式、吸 入式和旋转式。电控喷油系统用的电磁铁一般采用拍合式电磁铁。从结构设计的先后顺 序来讲，国内外高速电磁铁电磁铁结构的发展经历了以下几个阶段【7 l 。 ( 1 ) 常规“e 型电磁铁 常规“e 型电磁铁是最早开发的一类电磁铁，其结构简单、紧凑，电磁线圈一 般绕制在阀中心部分的凹槽中，具有磁路集中、作用力大等特点。其典型结构如图1 1 所示。 _ 啊 图1 1 常规“e ”型电磁铁 f i g 1 1g e n e r a l “e t y p ee l e c t r o m a g n e t ( 2 ) 伸长式“e ”型电磁铁 为了获得较大的电磁作用力，将常规“e ”型电磁铁伸长以增大有效吸合面积。由 于电磁力随吸合面积的增大而增加，尽管衔铁质量有了一定的增加，但由于电磁力也同 比例增大，衔铁的响应速度不会因此有所改变，这样既可以保证有较高的响应速度，且 具有较大的电磁作用力。但是，随着“e ”型电磁铁的伸长，衔铁的刚度将逐渐下降， 因而这种电磁铁不可能无限制地伸长。英国l u c a s 公司应用伸长式“e 型电磁铁原理 开发了h e l e n o i d 和c o l e n o i d 电磁铁( 如图1 2 和图1 3 所示) ，这两种电磁铁分别采用 筒状、锥状结构设计来提高阀体的结构刚度，克服了伸长式“e 型电磁铁对刚度的限 2 - o 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 制。h e l e n o i d 电磁铁在电控泵喷嘴燃油系统的高压油路工作时，阀的关闭与开启响应时 间均在i m s 以内，满足了喷射系统的要求，但其结构较为复杂，工作行程被严格限制在 i m m 以内。该电磁铁的静铁心选取了铁钴合金，衔铁采用价格便宜的低碳钢材料，其铁 心结构壁很薄，不需要采用叠片方式就可以很好的减少涡流的影响。c o l e n o i d 电磁铁的 设计思想与h e l e n o i d 电磁铁相似，只是采用了锥型结构，却大大提高了工作行程。这 种电磁铁被用在该公司的电控泵喷嘴( e u i ) 系统中，其关闭时间可达到0 8 0 m s ，开启时 间可达到0 7 5 m s 。 图1 2h e l e n o i d 电磁铁示意图 f i g 1 2t h es k e t c hm a po fh e l e n o i d 图1 3c o l e n o i d 电磁铁示意图 f i g 1 3t h es k e t c hm a po fc o l e n o i d ( 3 ) 多极式“e ”型电磁铁 多极式电磁铁由多个单元“e 型电磁铁组合而成如图1 4 所示，其所产生的电磁 力是各个单元“e 型电磁铁的电磁作用力的矢量和，要得到更大的电磁作用力只需要 增大有效吸合面积，即增加单元个数即可。多极式电磁铁的工作响应速度与单元“e ” 型电磁铁相同，能够较好地解决高速响应特性和电磁作用力相矛盾的问题。 美国f o r d 公司采用这种设计原理设计出了环状多极式电磁铁( 图1 5 ) 。这种电磁铁 的铁芯和衔铁均采用低碳钢材料，经过机加工后进行退火处理，线圈绕制在耐高温的骨 架上，并且采用压配方式将绕制好的线圈安装到铁心中。该种电磁铁具有结构简单、刚 度好、加工制造容易、生产成本低等优点，适合大批量生产。 ( 4 ) 伸长多极式电磁铁 将伸长式“e 型电磁铁和多极式电磁铁的设计概念相结合，就形成了开发新型高 速强力电磁铁的基础。盘状外形的d i s o l e 电磁铁( 图1 6 ) 和肋状三极式电磁铁( 图1 7 ) 就是基于这种设计概念而开发出来的。d i s o l e 电磁铁是日本z e x e l 公司研究开发的一 种高速、强力、结构简单的电磁铁。电磁线圈绕制完后直接嵌入到静铁芯的沟槽中，然 后灌入环氧树脂固定，提高了工作的可靠性：嵌入沟槽中的电磁线圈有三个散热面，使 线圈有充足的散热面积；相邻沟槽的电磁线圈绕制方向相反，磁通路径组织合理，减少 了漏磁通。该电磁铁的试验表明：电磁铁的关闭时间为l l m s ，开启时间为1 3 m s ，已经被 广泛用于该公司的m o d e l l 型电控分配泵中。 文第1 章绪论 囊糯缱 接芯 图1 4 多极e 型电磁铁图1 5 环状多极式电磁铁示意图 f i g 1 4m u l t i p o l a ret y p ee l e c t r o m a g n e tf i g 1 5t h e s k e t c hm a po fr i n gm u l t i p o l a re l e c t r o m a g n e t 加拿大多伦多大学的c h r i s j g r e e n 等人研究开发的肋状三极式电磁铁结构简单、衔 铁刚度好川，己经运用在气体燃料喷嘴执行器上。电磁铁的结构如图1 7 所示。 麓摹 图1 6d i s o l e 电磁铁示意图 f i g 1 6t h es k e t c ho fd i s o l e 1 2 2 现有研究状况 图1 7 肋状三极式电磁铁示意图 f i g 1 7t h es k e t c ho ft r i o d er i b w o r k 通过分析比较国内外电磁铁产品可以看出，国外电磁铁的研究与开发方面己经积累 了丰富的经验，同时已有较为成熟的产品投入市场。国内同行在这些方面也纷纷展开研 究，并取得了一定的成绩，但与国外相比还存在一定的差距，与日、德、美等国家开发 的电磁铁相比，主要存在以下不足【8 1 ： ( 1 ) 响应速度慢，国外最快响应速度可达0 2 m s ； ( 2 ) 寿命低，国外产品寿命可达几千万次乃至几亿次，而国内产品要想达到一千 万次还是非常困难的； ( 3 ) 种类少，国外电磁铁品种繁多，基本能适应各种场合的需要，而国内产品品 种规格较少，在一些领域还存在着空白； ( 4 ) 机加工工艺、热处理工艺及设备等落后致使国内产品上不了等级。 1 3 本文研究解决的问题 本课题是在我研究所为某电磁阀有限公司研制的“有关电磁铁静动态性能测试系 统 的项目背景下完成的。该公司目前的电磁铁静动态性能的检测，还停留在简单的手 4 申 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动检测和工程技术人员的经验上面，然而现如今自动化技术已经大量的运用于工业测试 技术中。在这种大环境的趋使下，该厂的领导与我研究所制定了新技术研发合同。满足 用户的需求是一个研发人员的天职。因此，我的任务是：研制开发出一套既能满足厂方 要求又能够实现电磁铁静动态性能自动化检测的试验装置和配套的人机界面软件。 经过初期的调研和后期的探讨，我把这个任务分成了两个部分来完成。分别是测试 实验台架和电磁铁自动化测试软件系统。该系统以工业计算机为核心，采用精密测控和 智能判别技术研制生产能快速准确测量静动态性能指标，具有通信和打印接口，并且可 以实现数据库管理和报表打印功能。本系统的设计无论从机构上还是人机界面上，我都 考虑了充分的开放性和可移值性。因为电磁铁的类型是不可预计，用户的需求也是多种 多样。本系统可以满足不同型号电磁铁静态和动态测试需要，这样就为用户新产品的研 发提供了更为有力的保证。 本文的研究对象为电磁铁计算机辅助测试系统，目的是研制出一套电磁铁静、动态 特性测试系统，研究电磁铁静、动态特性测试及信号处理的相关理论。因此，研究工作 包括电磁铁静、动态特性测试方法的理论分析、试验硬件的配置及测试软件的开发f 9 1 【1 0 j 。 首先，说明了电磁铁静、动态特性测试内容与测试原理。主要阐述了电磁铁静、动 态特性的指标以及测试原理。 其次根据电磁铁的结构和特点，建立电磁铁的数学模型。依据电磁铁的静态模型提 出了电磁铁的参数评定和测试的手段，依据电磁铁的动态模型提出高效节能、性能稳定 的测试方法。 然后，进行了测试系统的硬件开发。主要介绍了本测试系统结构原理和硬件选择， 包括：微型计算机、传感器装置、信号调理装置、数据采集设备的配置及功能。 最后，进行了测试系统的软件开发。简单介绍了v b 特点及发展趋势，重点阐述了 v b 是具有面向对象的可视化设计工具，应用面向对象的程序设计方法，开发出合理的 人机工程界面。并阐述了测试系统信号分析与处理的相关理论和方法。主要包括：测试 系统的抗干扰设计、数字滤波器的设计和曲线拟合。 另外，本人还专门为此测试系统开发了一整套驱动装置和信号发生装置。其中驱动 装置为一款多功能电源箱，它可以为实验系统提供必要的电源，包括给电磁铁供电、位 移传感器供电、力传感器供电。对于直流电磁铁，我设计了可调的开关电源；对于交流 电磁铁，我采用的是交流调压技术。信号发生装置主要是一款多功能信号发生器，它可 以为测试系统提供3 路典型信号和6 路模拟量信号，而且主要参数都是可调节的。 -_。1。一 东北大学硕士学位论文第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 2 1 电磁铁的结构及工作原理 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一 种电器。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消 失，衔铁或其他零件即被释放【1 。 电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分。它的结构形式通常有以下三种。 啊 图2 1 电磁铁的三种形式 f i g 2 1t h et h r e et y p eo fe l e c t r o m a g n e t 在各种电磁继电器和接触器中，电磁铁的任务是开闭电路。 电磁铁的吸力是它的主要参数之一。吸力的大小与气隙的截面积& 及气隙中磁感应 强度岛的平方成正比。计算吸力的基本公式为： f ：1 。0 7b 。2 s o ( 2 1 ) 8 万 。 、7 式中：b 的单位是特【斯拉】，瓯的单位是平方米。f 的单位是牛 顿】( n ) ，牛是国 际单位制力的单位。 交流电磁铁中磁场是交变的，设： 岛= 吃s i n o t( 2 2 ) 则吸力为： 厂= 茜吃2 s o s i n 2c o t = 罟骢( 半) 东北大学硕士学位论文第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 = 巴( 半) = 1 2 f 。一j 1 驷s 2 缈， ( 2 4 ) 式中c = 1 8 0 万7b 。2 岛是吸力的最大值。我们在计算时只考虑吸力的平均值： f tr 肛= 扛= 篆吃2 s o ( 2 5 ) 由式( 2 4 ) 可知，吸力在零与最大值之间脉动。因而衔铁以两倍电源频率在颤动， 引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁 环。于是在分磁环中便产生感应电流，以阻碍磁通的变化，使在磁极两部分中的磁通破 与织之间产生一相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，这就消除了衔铁 的颤动，当然也就除去了噪音。 在交流电磁铁中，为了减小铁损，它的铁心是由钢片叠成。而在直流电磁铁中，铁 心是用整块软钢制成的。 2 2 电磁铁磁路计算 磁路问题也是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于 磁路磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成的，因此我们必须对这种材料的磁性 加以讨论。磁路和电路往往是相关联的，因此我们也要研究磁路和电路的关系以及磁和 电的关系。 2 。2 1 磁路磁阻估算 单e 型电磁铁的简化结构如图2 1 所示，虚线表示电磁铁的磁路。一般情况下，由 电流产生的磁通是分布于整个空间的，但是在电磁铁中，由于采用了铁磁材料制成的导 磁体，使磁通主要集中于导磁体和工作气隙之中，通过工作气隙的磁通称为主磁通：然 而铁磁材料的磁导率是空气的几千倍到几万倍，因此还有一部分磁通不通过工作气隙， 只通过线圈周围空间和部分导磁体形成回路，这些磁通称为漏磁通牡列u 2 引。当工作气隙 较小，而且磁路不太饱和时，漏磁通远小于主磁通，往往可以忽略。若忽略漏磁的影响， 则磁路的总磁阻r m 有铁芯磁阻如，、衔铁磁阻和气隙磁阻r g a p 串联组成，它们之间 的关系式为( 2 6 ) 所示： r m = + + ( 2 6 ) 根据磁路的欧姆定律，假设在均匀磁场中分别计算各磁阻，得： _-。1一 东北大学硕士学位论文 第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 o i l = l c 。瓦i !p b l a m h k = 乏 尺脚= 瓦l g 石a p ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中：c o i l 、乙、k 一分别为铁芯衔铁、工作气隙的长度( m ) ； 心口、一分别为铁芯、衔铁、工作气隙的磁导率( h m ) ； 屯，、一分别为铁芯和衔铁的截面积、磁极面积( 所2 ) 。 由于，= a o = 4 万x 1 0 - 7 ( h m ) ，即r g a p ，如。因此，可以简单 认为磁路的总磁阻近似为气隙磁阻，即： r m 尺卿 ( 2 1 0 ) 对于e 型电磁铁，由于中间磁极面积和两旁磁极面积的差距会导致磁芯材料工作时 的磁感应强度差异，从而导致其磁导率和饱和程度不同，因此在设计时将中间磁极面积 和两旁磁极面积设计成大小相等。 是圳 置。 图2 1 电磁铁结构示意图 图2 2 等值磁电路 f i g u r e 2 1t h es k e t c ho fe l e c t r o m a g n e ts t m c m r e f i g u r e 2 2e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t 由电磁铁的等值磁路图2 2 ，可得气隙磁阻为： = 尺品+ 等= 南+ i 1 忐= 币2 6 亿 其中：尺聊一中间磁极气隙磁阻( a w b ) ； 尺”聊一两旁磁极气隙磁阻( a w b ) ； 万一工作气隙长度( m ) ； 彳一中极磁极截面积或两旁磁极截面积( 朋2 ) 。 故电磁铁磁路总磁阻为： 东北大 如= 若 ( 2 1 2 ) 电磁铁释放时磁路的初始磁阻为： = 等 ( 2 1 3 ) o a 式中： r m 。一电磁铁释放时磁路的初始磁阻( a w b ) ； 8 0一电磁铁释放时磁路的初始气隙长度( m ) 。 在工程上，磁路的磁阻不易直接测量，但可通过测量线圈的电感量l 计算出磁路的 磁阻。即将磁路的基尔霍夫第二定律的表达式： 矽尺脚= n i ( 2 1 4 ) 代入电感的定义式： l 广= n 巾，。 zz ( 2 1 5 ) 得到： _ 7 、厂2 如= ( 2 1 6 ) l 式中：痧一磁路的磁通量( w b ) ； n 一线圈匝数； 沙一磁路的磁链( w b ) ； f 一线圈电流( a ) 。 经实测，本课题研究的电磁铁线圈在静态时的电感量在l m h 左右，将这一数值代入 式2 1 6 得到磁路的磁阻在微亨数量级，将这一数值与通过电磁铁气隙磁阻简单估算得 到的数值比较可知，两者均在同一数量级，数值相差不大，表明这一估算方法对电磁铁 的研究与结构设计具有实用价值。 2 2 2 磁感应强度计算 电磁铁的磁路中存在气隙，磁路中储存的磁场能也主要存在于气隙中，当气隙变化 时，磁路中的磁场能亦变化。正是由于磁场能的变化，使得电磁铁能产生力并做功【5 0 】【5 1 1 。 气隙的大小是由电磁铁的气隙决定的。气隙变化时，电磁铁铁磁材料的磁化曲线随气隙 的变化而变化 3 2 t 3 引。因此，电磁铁的磁感应强度不仅是励磁电流的函数，而且还是电 磁铁气隙大小的函数。 根据磁路定理： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。 _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 东北大学硕士学位论文第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 e 。：i n ：c f 日d b 日。l c + h 占2 8 ：旦，。+ 旦2 万 ( 2 1 7 ) - t o 式中：既一磁路的磁势( a ) ； i 一线圈电流( a ) ； 一线圈匝数； t 一铁磁材料的磁路总长度( 包括铁芯材料和衔铁材料) ( m ) ； 一铁磁材料的磁导率( h m ) ； 以一铁磁材料中的磁场强度( a m ) ： 以一气隙中的磁场强度( a m ) ； b 一磁路的磁感应强度( t ) ； 2 万一两段气隙总长度( m ) 】。 由此可见，磁路的磁感应强度b 与线圈电流f 和气隙长度万有关。己知线圈电流f 和 气隙长度万，通过上式可以求出磁路中的磁感应强度。由于上式中铁磁材料的磁导率 是磁感应强度b 的非线性函数，因此，磁感应强度b 的计算公式较为复杂。 由式( 2 1 7 ) 可得： 南+ 筹 ( 2 1 8 ) 令p = 万1 t o i n ；q = 一b 2 。一i l # t o 万b 2 , ：r = - p b z 。o 将( 2 1 8 ) 可以简化为： b3 + pb2 + ob + 丁= 0 ( 2 1 9 ) 再令孝= 孚一了p 2 ；f = ；+ 等一等。 则磁感应强度b 的合理解可表示为： b = 2 y c 。s ( 詈+ 等) 一手 c 2 2 。， 其中y 刊州f ) 倜，s ( 笋) o 图2 3 所示为电磁铁磁感应强度与线圈电流和气隙长度的关系曲线，其中第个图 东北大学硕士学位论文第2 章电磁铁的静态模型与技术参数 对应一定线圈电流时，磁感应强度与气隙长度的关系曲线族，第二个图为对应一定的气 隙长度时，磁感应强度与线圈电流的关系曲线；从图中曲线可以看出，磁感应强度与线 圈电流成增函数关系，而与气隙长度成减函数关系。 气黛长度。m 电漉强度a 图2 3 电磁铁磁感应强度与线圈电流和气隙长度的函数关系 f i g 2 3m a g n e t i cf l u xd e n s i t yv e r s u sc o i lc u r r e n ta n d a i rg a p 2 3 电磁铁的静态模型及简化 电磁铁的输出量就是其产生的电磁力e 。当电磁铁的结构参数确定后，电磁铁工 作时所能产生的力只与线圈所加的电流f 和铁芯运动造成的气隙万有关。电