起重电磁铁的吸力特性分析与测试.pdf

起重电磁铁的吸力特性分析与测试 一 岳阳起重电磁铁厂梁志军 摘要 介绍起重电磁铁配用直流电源的原因 起重电磁铁的最佳工作状况以及 设计计算方法 分析 了影 响电磁 铁吸力的主要 因素 测试了MWS系列吸 运废 钢型电磁铁的吸重能力 叙词 起重电磁铁 吸力分析 起重电磁铁是 以被吸物作为衔铁的直流电 磁铁 是利用电生磁的物理特性吸住钢材 作 为装卸强磁物料的一种吊具 起重 电磁铁主要 由壳体及励磁线 圈构成 线 圈被密封于 由强导 磁材料和非导磁的耐磨耐撞材料组成的壳体之 中 1 工作状况 起重电磁铁的直接供 电 电源只能用交流电 源 通 过 整流后 的直流 电源 因为 电磁铁的励 磁线 圈接上直流电源后能产生大小 方向均不 改变的恒定 磁场 工作时仅在开 关 的瞬间受 电感的影响 不存在磁滞损耗和 涡流损耗 热 源仅来自线 圈本身的功耗 得到 的是恒 定 的励 磁磁势 吸 力稳定 如励磁线圈直接接上交流 电源 由于 电磁铁为电感负载 电感量 可高达 几个 H 亨利 能得 到的励 磁 电流和产生的 电磁力都很小 难以满 足使用要求 若电磁铁 壳体采用硅钢片制作 虽然在吸物之前可克服 电感的影响 但当接近被吸 物料时 励磁 电流 将下降 不同的被吸物和工作气隙将 得到不同 的电流 产生的电磁力不稳定 为此起重 电磁 铁均为直流电磁铁 需要专门的整 流 控 制 装 置 同一种起重 电磁铁吸 不同的物料 或不同的 工作状况 有不同的吸重 量 故 随着生产的发 展和技术水平的提高 起重 电磁铁主要根据不 同用途进行特殊设计 强调其专用性 近年起 重 电磁铁的生产往 往 是多系列 多况 种 小批 量 通常起重 电磁铁的最 佳工 作状 况是 1 磁极面要尽量 与被吸物紧密接触 2 磁极面与被吸物的接触面应 为最大 3 磁势损耗中漏磁损耗最小 工作 气 隙磁势最大 由于上述原因 198 3年前我国起重 电磁铁 行业按起重量进行型 号分类 将 吸 吊钢板或厚 坯的能 力作为起 重 电磁铁起重量 指标 并不完 全恰当 起重 电磁铁的起重 量随被吸物的 温 度 形状 尺寸 排列状况 材质及表面形状 等的不同而异 因而经常出现小电磁铁吊运大 钢料 而大电磁 电只能 吊运小钢料 的情况 根 据这一原因 1983年后起 重 电磁铁均采用磁极 尺寸分类法 这与电磁铁的最佳工作状况是完 全 吻 合的 其主要优点在于 1 将起重 电磁铁按被 吸物的种类进行 系列化分类 让用 户根据 条件选择某一系列 再根据被吸 物的重 量尺寸 等选择相应 型号 2 每一系列的尺寸参数均可 按优先系 数排 列 便于 多种规格系列化 这也靠近了国 际 标准 3 根据磁极尺寸等可以大致确定起重 电磁铁的吸力范 围 2 吸力特性及参数计算 l 吸力的计算 F 1 2拜 B 25 1 式中 F 吸力 N B 工作气 隙处磁密 S 有效吸附面积 m 拜 真空中的磁导率 2 励滋磁 势的计算 I N 圣望应工 十乙 H 4二 X 10一 了H m 拼 式中 IN 一电 磁铁的励 磁磁势 A T H 第 i段 的平均磁 场强度 l 第 i段 的平均长度 m 2 A m 起盆运输机械 1905 10 N 线圈匝数 匝 I 线圈的励磁 电流 A 卜 勺 侧 燃 侧镇拟 占 i 第j 段的平均气 隙长度 m 尽 第j段 的平均气 隙磁 密 T 3 励磁 电压 电阻 和 电磁线 截面的关 系 U IR 二pl o N I S 3 式中 U 线圈励磁 电压 v R 线 圈电阻 岛 P 电磁 线的电阻率 兑 m l m 线圈的平均匝长 m S 口 电磁线的截面积 m m 4 线 圈温升的计算 8 T D P K t s f 4 式 中 0 线 圈温升 K T D 通电持续率 P 热态励磁功率 W K 散热系数 W m c 又 电磁铁总 的散热面积 m 其中将励磁 功率用冷态功率进行温升计 算也是可 行的 但散热系数的选定有所 不同 一般 为经验数 据 与起重电磁铁的结 构 大小 及生产工 艺有关 其范围在 8一2 5W m c 之 间 考虑 电磁铁的起重量还应计及负荷所受的 冲击 因素 电压波动 气隙变化 被吸物温度 及现场操作等 即应考虑一定的安全系数 3 影响吸力特性的因素 l 工作气隙的影响 工作气隙 图 l 是影响常温型电磁铁工 作性能的主要因素 常温型电磁铁是指被吸物 的表面温度小于1 0 0 c 时所能使用的电磁铁 当气隙增加 在励磁磁势一定的情况下 消耗 在气隙 的磁势 明显 增加 工作气 隙 磁密便下 降 气隙越大 电磁铁的导 磁部分和被吸物内 部磁密饱和 的可 能性越小 在两者磁密不饱和 的情况下 BO CI 故有 Fo c厂 即此时 的 起 重能力与工作电流的平方成正比 2 被吸物温度的影响 被吸物表面温度如超过1 0 0 Oc 必须使用 采用 了隔热措施的高温型电磁铁 被吸物的表 面温 度不超过 50 0 C 时 铁磁物质的导 磁率 与常温的相差不大 温度在 50 0 60 0 Oc 时 导磁率下降明显 如图2所示 当磁场强度为 1 60 0 A m时 10 0 Oc 时的铁磁物质的磁 通 密 度在其它条件相同的情况 下约为在 60 0 Oc 时 的1 25倍左右 根据这一情况 设计为 60 0 Oc 的高温型 起重 电磁铁 一般只允许吊运表面温度不超过 6 0 0 Oc 的钢材 这 是由于大型坯料等的温度梯 度约 为 I Oc m m 厚钢材的内部温 度己超过 6 0 0 Oc 所以当表面温度超过 60 0 Oc 后 被吸 物内部温度更高 有超过居里 点的可能 因而 所产生的工作磁密减少很多 吸力显著下降 0 6 O 一一 一 一1 1 1 1 1 在在在在在在在 2生生生 l l l l l 乳乳乳乳冲 冲 一一一一一 岁岁 一乡 目曰 月月月 蛋了琴日 图 1 起重 电磁铁的工作情况 1 起重电磁铁 2 工作气隙或非磁性物质 3 被吸物 一 20002 00在0 06 C0吕 f 沙 温度 t 0 图 2 铁在一定磁场强度下不同温度磁感应 强度 的变化 1 H 0 5 103 4二 2 H 2 103 4二 3 H 2 0 103 4二 4 H 1000 0 10 3 4 起孟运轴机械 19 95 10 安全系数大打折扣 铁磁物质超 过60 0 c 后 导 磁率几乎呈直 线下降 直到78 5 Oc 铁磁物质的 居里点时磁性 完全消失 电磁铁对磁性物质将完全 不起作 用 所以在图 2 中 被吸铁磁性物质在 60 0一 800 C 这一表面温度范围定为不允许起吊区 为了更清楚地说明温度对铁磁物质的影响 在 图 3 中列出了不同温度下的铁的磁化曲线 用起重 电磁铁在水下打 捞时 应果用潜水 型起 重 电磁铁 它主要考虑 了水 的压 力或泥砂 的影响 其余参数均 可参照常温 型系列 及规 格 潜水型 电磁铁和常温型电磁铁的主要区别 在于潜水型电磁铁采用全密封结构 壳体及结 长长 异异异异 一一丫 二笋夕 夕夕夕夕夕夕一 一一 产产产 才才义 一 牟 认认认认 r r r 一 只 一 砂一龙 万 C C C 二二上 一 丁一一一一一一一一一一一一一 一丁 一一一一 仃 一仁 二一 一一一 7 7 7 7 7 81 C C C C C C C 乙乙一一 一 一 一丁一 一 一一一 会会会 臃臃臃 仁 匕 召卜 衬 一行 之 一 荆丁一廿 交下一 图 4萝 悉常温 电磁铁和高温 电磁铁结构简图 a 吊运常温钢材用 b 吊运高温钢 材用 1 常温钢材 2 空气或隔热层 3 隔热板 4 高温钢材 工 铆 剑熟侧旗橙 以 青 X l 磁场强度了了 图 3 不同温度铁的磁化曲线 4 二 二X 10 心 虽然在 60 0一78 5 c 这一 范围内 铁磁性 物质的导磁率几乎直线下降 但只要在铁磁物 质的居里点以内 电磁铁仍对被吸磁性材料产 生作用 只不 过在这一温度范围内所产生的吸 力比在常温下小得多 根据这一特点 可将普 通型高温 电磁铁作一些非标设计来适应生产中 的特殊高温要求 即适应超过 60 0 Oc 的 温度 要求 但一般情况下不应推荐 相同规格的高温 电磁铁和常温电磁铁相 比 高温型电磁铁的自重重一 些 但电流及消耗 功率比常温型电磁铁小 影响高温型起重 电磁 铁的致命 因素是温升 而影响温升的主要因素 有热传导 热辐射以及线圈本身的发热 多数高 温型起重电磁铁都具有相 当好的隔热措施 例 如用隔 热板减少高温 物体的辐射热 图 4 为高 温及常温电磁铁结构简图 可 以看出其差异 3 潜水作业对起重 量的影响 合面没有渗水现象 壳体应能承 受一定的 压 力 电缆和电磁铁连接处完全密封 出厂检验 时按实际深度浸泡 足够长的时间或在密闭容器 中加按实际深度算出的水压浸泡足够 长的时 间 只要线圈对壳体的绝缘电阻符合要求即为 合格 4 线圈温升的影响 起重电磁铁在刚使用时线圈阻值小 励磁 电流大 冷态吸重重量也大一些 在起重电磁 铁技术条件中 将环境温度2 0 Oc 线 圈温升 为零时的线 圈直流电阻定义为冷态直流电阻 在额定工作电压下冷态直流电阻所对应的直流 电流定义 为冷态直流电流 相对应的吸重量称 为冷态吸重量 相对应的功率称为冷态 功率 这是选择控制设备容量的主要依据 起重 电磁铁经过一段长时间工作后 温升 便恒定了 温升稳定时 电磁铁线圈 的直流电阻 称为热态电阻 相对应的是热态电流 热态功 率及热态吸重量 由于起重 电磁铁的吸重能力 随电磁铁的温升上升而 下降 为便于选型及工 作安全 起重 电磁铁的吸 重量指标是 以热态吸 重量为准 正常使用的情况下 线 圈的励磁 电 起里运辐机械 199 5 10 巴 只移侧俐 流值不得小于热态电流值 如超出则说明线 圈 过热 有损坏 绝缘的可 能 温升及电流随时间 变化的曲线如图 5所示 其中 t 为温升 达到 稳定时所花的时间 所对应 的 电流值为 热态电 流值 通常热态吸重量约 为冷态吸 重量的5 0 一 70 左右 可见温升对起重 能力的影 响还 是很 大的 为 了对起 重 电磁铁的 吸力特性有一个比 较全面 的认识 我们对用 的最多的 MWS 系列 吸运废钢型电磁铁的吸 重能力进行了测量及实 际调查 用图表将其起重量 与磁性故料 如生 铁锭 碎 钢 铁屑 等 的 密度间关系表示 出来 才才才才才才 曼 馨 乃乃乃乃乃乃 夕夕夕夕夕乙乙 濡濡声 声 卜 件件少少 I I I I I 尹沪 J尹 尹尹尹 尹尸 尸尸尸 半半 币 少少丫 丫 石石石仁 仁 一嘴厂 厂 z l产产 州 州 一气 e 产尸 产产 尸尸行一一一一 一一一分子 子一一一 一 拼 如如如如如如如如如如如如如如如如气 吧二二二 二二 7 一一 一 令令专丰卜一 二 一 一长札寸气石j 一 一 曰 J 曰 一 一 o 寸 1 下 f l 图 5 温升及电流随时间变化的曲线 图 6 根据曲线可知 同种起 重 电磁铁吸 吊不同散料 密度的 物料 将得 到不同的 起 重能 力 当然 因曲线中的数据 为多次 测量值的平均 值 按 实际操作 时其 起 重量在很大 程度 上还取 决 于物料 的种类 形 状 组成成份 堆放状态 及司机操作水平等 除吸运 松散物料及特殊的起 重要求外 起 重能力的考核准 则一般 为 以吸钢板的拉开力 来评 定吸重 能力 钢板 材质为低碳钢 对圆形 电磁铁 被吸钢板厚度选 为大于 或等于 电磁铁 内极 直径 的l 4 钢板 宽度 应大于 或等于 电 磁 铁外极外径 对 矩 形电磁铁 钢 板厚度为内极 极靴宽度的 1 2 钢板宽度应 比 电磁铁宽度大 松散物料的散装密度 t m b 图 6 Mw 系列起重电磁铁对不同散 料密 度的吸力特性曲线 1 MWS 一 240L 1 2 MWS 一2 10L八 3 MWS 一180 L 1 4 MWS 一 150L八 5 MWS 一 130 L 1 6 MWS 一 1 10L 1 7 MWS 一 9 0L八 8 MWS 一 80L 1 9 MWS 一 7 1 且每边不 得小 于 5 0 m m 圆形 电磁铁气隙一般 取电磁铁外径的 1 30 0 和l 2 00 矩形电磁铁气 隙取其宽度的l 300或 l 1 0 0 参考 文 献 梁志军 搬运钢板用电磁铁的设计初探 低压电 器 198 9 5 9一2 3 梁志 军 影响起重电磁铁的寿命因素 初探 低压 电器 199 1 1 2 6一27 日本住友电机株式会社 起重电磁铁样本 1986 德国 St eine rt Elekt er m agnetba u 产品样本 1990 上接第2 7页 为缩短改造时间 当时设计了两个焊接结构的 轴承 座 改造后 减速器输 出轴只传递扭矩 链条拉力全部由新增设的 两支点承担 机壳再 也没有发 生过断裂 两年来的使用实践证明 这样改进是合 理的 起重运愉机械 1 5 10 HOI SITN GNADCONVEYIN G M A C HINEyR M ONTHLY N o 10 S re i a lN o 248 1995 bA s t rae t sa n d K e y w or d s P 3 A an l ys i san d m a seure m en t o f a t t rae ti on P re f o r m ane eo f e l ee t r o m a g ne t Thi s P a P re d seer ib se th erea s ono f su i n gdi ree t eurrent f or Iif t i n g e l ee t r o m agne t the b e st wo rking e on ditio na n dd e sign m ethodof the m agnetandanalyse s m ain f aeto rs whieh inf lu enee it sat traetive f or ee T he lifti ngeaPaeit y of MWS s e r ie s ele etromagnetused f o rse ra Pha n dling15m e a sur ed K e y w o r ds Lifting eleetr oma gn et At t 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