直流电磁铁及其典型应用[优制材料]

1、 2-1电磁铁磁系统的种类 电磁铁磁系统的种类繁多，但若按产生吸力的 原理分，大体上可分为三大类型，即拍合式、吸r 入式和旋转式。 一、拍合式一、拍合式 拍合式电磁铁磁系统如图2一1(a）所示。 二、吸入式 三、旋转式 旋转式电磁铁磁系统如图2一4所示。 四、极化电磁铁 图2一3所示为飞机上用来操作扰流片的电磁铁，实际上 它就是组合在一起的两个吸人式电磁铁，线圈1通电时衔 铁向左运动，线圈2通电时衔铁向右运动，实现打开扰流 片和收起扰流片的操作。 三、旋转式 旋转式电磁铁 磁系统如图2一4 所示。 四、极化电磁铁 1.工作原理: 除有线圈产生的p以 外，还有永久磁铁产 生永久磁铁磁通m1 和m

2、2,使一个气隙中 的p与与m1同向， 而另一个气隙中与 m2反向，衔铁将向 合成磁通大的一边运 动显然，线圈的电 流方向不同，衔铁的 运动方向也不同这 类电磁铁是有极性的， 称为极化电磁铁。 极化电磁铁的主要特点： (1)能反应线圈信号的极性，如上所述。在有些 变换器中还能做到使衔铁的位移（或转角）正比 于信号的大小。 (2)灵敏度高：目前对一般电磁式电磁铁的吸合磁 势达(2. 5-3)安匝、吸合功率达10mw，这已经算 是很高灵敏度了但是极化电磁铁的吸合磁势只 需(0.5-1)安匝，吸合功率只需(5-10) 10-6W.可见 极化电磁铁的灵敏度是相当高的。 (3）动作速度快：由于极化电磁铁的

3、结构特点 （线圈尺寸小、吸片可以做得很轻，行程也小）， 因此可使线圈的机电时间常数很小，其灵敏度很 高。某些极化电磁铁的动作时间只有(1-2) ms,而 目前电磁式电磁铁最快的吸合时间也要(5-10) ms. 所谓吸力特性是指衔铁在不同位 置且保持线圈电流I(或磁动势F=IN) 不变时，作用在衔铁上的电磁吸力 Fem,与工作气隙间的关系，即 Fem=() ；或作用在衔铁上的电 磁力矩Tem 与工作转角a之间的关系，即Tem= （a）为力矩特性。 吸力特性按照能量转换原理进行分 析确定是较为方便的，下面将从能 量转换原理的思路进行简单介绍。 由于电磁铁是利用磁场作媒介，将 电能转换为机械能的一种

4、电磁元件， 因此它的能量转换过程首先是由电 能转换为磁能，然后再由磁能转换 为机械能并作功，从而确定吸力特 性 2.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性电磁铁的静吸力和静吸力特性 2.1.1 电磁铁中的能量转换 + - uNe 1 直流拍合式电磁铁 假设： (1) 铁心不饱和；( Fe 为常数) (2) 忽略漏磁影响； (3) 当 变化时，铁心饱合程 度不变； (4) 衔铁与静止铁心之间的 气隙为1，并保持不变。 电能 磁场能 iR t iReU d d 为线圈匝数。，线圈的磁链， 线圈的自感电势； 线圈回路总电阻；式中 NN e R ，上式两边乘以tid RdtiidUidt 2 dt 时间内在电

5、阻上消耗的电能 电源在 dt 时间内提供的能量 ，dt时间内转换为磁势的能量，存储在磁场中diN 开关K合上瞬间，此时电路 平衡方程式为： + - uNe 1 积分，得 RdtiidUidt tt 111 000 2 量。时间内转换为磁场的能 ；时间内电阻消耗的电能 ；时间内电源提供的能量 1 0 1 0 2 1 0 1 1 1 tid tRdti tUidt t t 式中 对直流电磁铁，当电流达到稳定后，d / dt = 0，自感 电势为零，I = U / R 。 直流电磁铁磁系统的等值磁路 磁系统的总磁势： Fm=IN 整个磁路的磁压降可分解为铁心总磁压降和气隙总磁 压降两部分： Fm =

6、 IN = Um + U IN R m R U m U 1 tan R 铁心磁阻的磁压降 Um 随 的变化由系统的 局部磁化曲线 = f (Um) 决定。 气隙磁压降U = R 是线性的。 气隙磁导线： 0 IN C B D A U IN O m0 ()Ff m U 局部磁化曲线 气隙磁导线 m0 ()Ff 局部磁化曲线 气隙磁导线 0 IN C B D A U IN O m U 设t = 0，= 0 ( i = 0 )；t = t1， = 1 ( i = I )。 磁场存储的能量为： 111 111 11 1 1 000 11 ddd 22 cm m OBAb B WiN uu U U SS

7、 m U 1 U IN d F 1 1 B 1 b O 1 C A 存储于铁心内 存储于气隙内 2.1.2 电磁铁的静吸力特性 电磁铁的静吸力特性电磁铁的静吸力特性是指衔铁处在不同位置并且静 止时，保持线圈电流 (磁势) 不变的情况下，作用在衔铁 上的电磁吸力 Fd (或电磁力矩 Md ) 和工作气隙 的关系， 即 Fd= f () 或 Md= f () 。 + - uNe 1 设时间： t = t1 t = t2 气隙 ： 1= 2 电磁吸力方向： 指向静铁心端面 OF 气隙 1 2 m U 2 U 2 2 B D 2 b 2 C 气隙 2 1 1 m U 1 U IN 1 C A 1 b

8、1 B 当气隙为2时磁场存储 的能量： 在这个过程中，磁系统 吸收了一部分电能，转 化为磁场能量，增加的 磁场能量： 2 1 m U 1 U IN F 1 1 B 1 b O 1 C A 2 B D 2 b 2 C 2 U 2 m U 当气隙为1时磁场存储 的能量： 22 2 22 bABOBc SSW 11 1 11 bABOBc SSW 2 21 1 2 1 bb m SINdW 由能量守恒定律知： WWWW cmc 21 机械功 现在储存的能量 原来储存的能量 从电源吸收的新增能量 机械功： dp12dp )(FFW ) ( 21 1 211 2122 2 2 2 21 1 11 1 1

9、 21 可以忽略 很小，很小时，当 BDB ADB BDBADB BABbABOBbbbABOB cmc S S SS SSSSSS WWWW 1 m U 1 U IN F 1 1 B 1 b O 1 C A 2 m U 2 U 2 2 B D 2 b 2 C 1 121 11 2 21 2 1 2 1 (tantan) 2 1 () 2 WDBAC U U 2 1 2 1 UFdp d d UUFdp 22 11 2 1 2 1 由此， R RU 1 ， 又 d dR d dR R RFdp 2 2 22 2 1 ) 1 ( 2 1 所以， d dR d d UMd 22 2 1 2 1 d

10、 dR d d UFdp 2 2 2 1 2 1 1 对衔铁做旋转运动的电磁铁，用完全相同的方法可 推导出作用在衔铁上的电磁力矩。 电磁力公式是根据拍合式直流电磁铁推导出的，该 公式具有普遍性；根据相似的性质，可推导出交流电磁 铁的公式。 式中的负号表示电磁力的方向始终是指向使气隙减 小的方向。 如果B的单位用Gs, S的单位用cm 2 , Fd 的单位为kg,则式(2一5)改写成下列形式 Fem=(B/5000)2S (Kg) (2-6) 或 Fem=(/5000)2(1/ S) (Kg) (2-7) 这个公式通常称为麦克斯韦吸力公式，应 用起来很方便，因为不必求气隙磁导的导 数。但是，它是

11、在假定B为常数的条件下 求得的，因此只适用于平行极端面而气隙 又较小的情况 三、典型电磁铁的吸力特性 电磁铁的吸力与其工作气隙的配置、规 律 以及铁芯的饱和程度均是相关的工作气隙 处磁极的几何形状、电磁铁磁通的分布， 因此各种典型电磁铁的吸力计算式和特性 也是不同的。下面讨论各种电磁铁的吸力 特性。 1.1.3 不同结构电磁铁的静吸力特性 一、拍合式电磁铁 其结构特点是气隙不大，气隙内磁场分布均匀。 0 0 2 0 22 dp 2 0 2 0 dp 2 d111 2d22 0 1 () 2 m UA R RA RA FU A UUIN A FIN 忽略漏磁， 则 当铁心不饱和时， 则 实际上U

12、 并不是常 数，而是随气隙 减小 而减小。 因此实际的静 吸力特性在 较小时， 将偏离双曲线。 IN 为常数，根据上式，拍合式电磁铁静吸力特性 为二次双曲函数。 m f 理论特性 实际特性 12 )()(ININ 当 IN 增加时，曲 线上移。 线圈磁动势由IN1,增大为 IN2时，吸力特性上移，如 图2-8中曲线3所示。若忽 略铁磁阻而假定U IN， 则在某一气隙下，F. (IN) 2 我们知道，二次双曲线 函数很陡，也就是说，拍 合式电磁铁的吸力将随着 气隙的增大而减小很多， 所以，这种电磁铁不宜用 于吸片行程要求较大的情 况 2吸入式电磁铁 在吸人式电磁铁中，除了主 磁通如对可动铁芯端面

13、产生吸 力外，可动铁芯侧面的壳体间 的漏磁通叭与线圈导线电流作 用产生电动力，使可动铁芯左 移，见图2一9。此时可将作 用于可动铁芯上的电磁力Fem 看成是由两部分力合成，即 Fem = FemFem 式中, Fem是通过主工作气 隙的主磁通中产生的端 面吸力，而Fem是漏磁通 与线圈导线电流作用而产生的 电动力，也称螺管力图2一 9所示为吸入式电磁铁通过的 轴线的一个剖面， 在其上半部分画了可动 铁芯段分布的漏磁通。 该漏磁通对线圈导线产 生的电动力企图使线圈 右移（左手定则），而 其反作用力却使动铁芯 左移。当较小时，其 吸力特性与拍合式相近； 较大时，吸人式比拍 合式大，因为此时螺管 力

14、比例增大，见图2-10。 图中曲线1为吸入式，曲 线2为拍合式。因此吸入 式适用于需要铁芯行程 较大 3.旋转式电磁铁 旋转式电磁铁转动时，通常漏磁通的变 化并不大，因此，可以用公式(2一3)来计算 电磁力矩。它与拍合式电磁铁不同，其衔 铁运动的方向垂直于磁力线的方向。电磁 力矩的方向总是力图使衔铁运动到使整个 磁路内磁阻为最小的位置，因此，在如图2 一4所示旋转式电磁铁中，电磁力矩的方向 为逆时针方向。 三、旋转式电磁铁 气隙截面积 A=(2)r0b 其中， 铁心极面中心线与转子轴线间的夹角 (rad)； r0 转子极面圆弧半径(m)； b 衔铁厚度(m) 。 N S b 0 角 半径r0

15、角2 00 0 00 (2)Arb 0 0 0 dr b d 旋转式电磁铁的衔铁运动方向垂直于磁力线方向。 电磁力矩的方向总是力图使衔铁运动到整个磁路磁阻最 小的位置。 设电磁力矩的正方向为逆时针的方向，衔铁的转角 顺时针为正。 不考虑漏磁，气隙磁导 电磁转矩 22 0 0 m 0 1 2 2 dr b MUU d 若忽略铁心磁阻， 则当励磁磁势 IN 一定 时，U IN 也一定，那 么在 01 范围内， 电磁力矩特性为一条水 平线。 m M 1 O 电磁铁的应用可以归纳为两方面。一方面 是它作为独立电磁元件广泛应用于各种自 动装置和系统中，多是用它“牵引”其它 机构完成预定的动作，如图2一3

16、所示的操 作扰流片的电磁铁。另一方面它也是许多 电磁元件的主要组成部分。用电磁铁作为 主要组成部分的电磁元件有各种电磁继电 器、接触器、电磁阀和电磁离合器等，本 节将对后部分应用予以介绍 一、电磁继电器和接触器 1.结构和工作原理 电磁继电器是一种具有跳跃输出 特性的、传递信号的电磁器件， 图2一12为其结构原理图。它的基 本组成部分是电磁铁，其线圈接 输人电路以接收信号。其次是接 触系统，即动、静触点等。该结 构中的动触点焊在触点弹簧片上， 它们可能是一对或几对，并将它 们接人某输出电路以输出信号。 线圈不通电时，动、静触点为开 启状态的称为常开触点，动、静 触点为闭合状态的称为常闭触 点。

17、 现以图2一12所示电磁继电器为例 说明其工作原理。在线圈两端加 电压，且达一定值，线圈中流过 一定的电流I,I称吸合电流。电磁 铁就会产生足够的电磁吸力克服 返回弹簧的拉力将衔铁吸向铁芯， 于是带动常开触点闭合以输出信 号，见图2一13。继续增大线圈中 的输人电 流，输出量保持不变。如果减小 输人电流且大于另一个称为释放 电流Isf时，输出量仍然不变，只 有当输入电流达到Isf时，电磁吸 力减小到一定值，才使衔铁和动 触点在返回弹簧的作用下返回原 位。 名词 常开触点常开触点 线圈不通电时动、静触点处于断开 的状态； 常闭触点常闭触点 线圈不通电时动、静触点处于闭合 的状态。 继电器通常由多

18、对常开常闭触电组成。 1 J 此时，无信号输出。人 们把这种具有跳跃的输 人输出特性称为继电特 性。所以继电器是一种 根据外界输入的一定信 号来控制输出电路中电 流“通”与“断”的电 器，这样就可实现对被 控对象的控制、保护、 调节或传递信息的作用。 另外，由于一般输出信 号的功率都大于输入信 号的功率，因此继电器 也是一种放大装置。 。 对于一般电磁继电器，输入量可用加在线 圈上的电压或电流表示，输出量可用触点 上的电压或电流来表示。 接触器从结构、作用原理、特性方面来看 与继电器没什么不同。只是接触器是用来 远距离操纵大电流（大于10A）电路的一种 开关。因此其电磁铁多为吸入式，见图2一

19、14。习惯上把接触器的触点称为触头。与 图2一12不同的是，当线圈AB加一定电压 值时，辅助电路开关 FK断开，动铁芯克服弹簧力吸向静铁芯， 带动常开触点闭合以输出信号 2.2.2 静吸力特性和反力特性配合 继电器（或接触器）能否可靠地工作，取决于静吸 力特性与反作用力恰当地配合。 要使常开触点可靠地闭合，就必须使静吸力特性在 继电器动作过程中，在任何气隙位置上，吸力始终大于 反作用力，用数学表达式为： Fd Ff 当 min max 一、反力特性分析 反力特性反力特性是指衔铁在电磁力作用下运动时，所克服的 阻力（反力）和工作气隙的关系，即： Ff = f () 反力分配图 + u f 2 F

20、P f1 F d F 弹簧片 分析 弹簧片上为了防止触点接触时抖动，施加有预应力。 当触点尚未闭合时，只有返回弹簧受力。 当触电吸合时，这时反作用力除了返回弹簧 Ff2 外 ， 静触点弹簧片也起作用，它的特性为 Ff1。 反力特性的曲线图 直线 a b 返回弹簧的反力 Ff2 ( )；( Ff2=kx ) 直线 c d 触点弹簧片的反力 Ff1 ( )；( Ff1=kx ) 直线 ke 初始拉力，平衡重力； 直线 f g 初压力。 + u f 2 FP f1 F d F 二、静力特性和反力特性的配合 (IN)N 额定磁势，IN 额定电流； (IN)xh 吸合磁势，Ixh 吸合电流； (IN)c

21、d 触动磁势，Icd 触动电流； (IN)sf 释放磁势，Isf 释放电流。 结论 为了保证继电器可靠的工作， 在吸合时，电磁吸力必须始终 大于反力，静吸力特性曲线必 须在反力特性上面； 在释放时，电磁吸力必须始终 小于反力，即静吸力特性曲线 必须在反力特性曲线下面。 3.继电器的主要技术指标 (1)灵敏度：指继电器在规 定负载条件下的最小吸合 功率，以mw表示。 (2)触点负荷：指继电器触 点所承受的开路电压及闭 路电流值。如图2一17所 示，当继电器触点K断开 时，触点两端电压为U； 当触点闭合时，触点中流 过的电流I=U/R，这样继 电器的触点负荷为P= Ul. (3)动作时间：有吸合时

22、间txh与释放时间tsf 两种。吸合时间是指线圈通电后，从通电 瞬间至常开触点闭合时所需的时间。 释放时间是指线圈断电后，从断电的瞬间 至常开触点断开时所需 的时间。 一般继电器的动作时间（吸合或释放） 为0.05-0.15 s，动作时间小于0.05 s者称 为快速动作继电器，动作时间大于0. 05 s 者称为延时动作继电器。 (4)返回系数Kfh：Kfh,Isf/IxhUsf /Uxh。 返回系数Kfh,总是小于1。返回系数表示了继电器 的工作情况.Kfh大，表示Isf与Ixh,相差不多，说明 继电器线圈电流只要变化一点，继电器就动作， 而Kfh小则说明电流变化一点，继电器不会动作。 调节用

23、的继电器要求Kfh大，开关用的继电器要求 Kfh小，因为它们不希望电源电压的波动使继电器 发生错误动作。 (5)储备系数Kch：KchUn /Uxh。 式中，Kch一般小于15。 4.接触系统 继电器的接触系统由导电好、耐腐蚀、耐 摩擦的贵金属触点组成。触点的主要问题 是磨损，它是由电的、机械的、化学的原 因所引起。机械磨损是由触点闭合和断开 时互相撞击和摩擦造成的；化学磨损是因 周围介质中有腐蚀性的气体或蒸气造成的； 电磨损是触点在断开时产生电弧和火花而 造成的。前两种磨损比较小，主要是电磨 损比较大。 电弧是由触点断开时，电路中的电流不能 在触点分离瞬间立即下降为零，而要穿过 触点间的气隙

24、持续一段时间而形成气体导 电，它呈现出连续稳定的明亮光辉。 火花是由触点断开时，电路中电感负载感 应高电压击穿触点气隙而放电，它呈现出 忽通忽断不稳定的光辉。电弧和火花对触 点磨损是严重的，将大大降低触点的工作 寿命，使电路断开发生困难。为此，在使 用继电器（或接触器）时，要注意触点的 材料、触点的断开间隙、外电路负载性质 和环境条件（气体的成分和压力）。如果 这些条件已确定，则当电压愈高时，触点 能断开的电流就愈小。反之，电压愈低， 能断开的电流就大些。另外，为了消除触 点间的火花可以采用一些灭火花线路，在 航空上更广泛地采用了密封技术（密封继 电器和接触器）。 5.电磁继电器和接触器应用举

25、例电磁继电器和接触器应用举例 电磁继电器广泛用于生产过程自动化的控 制系统及电动机的保护系统。它们主要用 来通、断容盆较小控制电路 接触器是一种适用于远距离频繁接通和断 开交、直流电路容童较大的控制电路的电 器，主要控制对象是电动机及其它电力负 载。 下面以三相异步电动机正反转控制系统为 例说明它们的应用。 三相异步电动机需要反转时，只需将其接到电源 三相绕组连线中的任意两根对调即可。用接触器 实现异步电动机正反转控制需要两个接触器，一 个控制正转，另一个控制反转，见图2一18。图 中接触器1控制电动机正转，接触器2控制电动机 反转在按下开机按钮2时，接 触器1线圈通电，使其常开触头闭合，三相

26、绕组分 别坎人三相电源A,B,C，使电动机正转当电动机 反转时，必须先按停机按钮1，使通电接触器1线 圈断电，松开停机按钮1后，再按下启动按钮3， 接触器2线圈通电，使其常开触头闭合，三相绕组 分别接人三相电源C,B，A，使电动机转向改变。 二、控制阀（电磁阀） 当控制系统中负载惯性较大、所需功率也较大时， 一般用流体（液、气体）控制系统。 流体控制系统主要由指令元件、比较元件、控制 放大器和控制阀组成由于控制阀是它的主要组 成部分，所以下面对控制阀进行介绍。； 控制阀是一种进行电能一机械能之间转换的元件。 它有电液控制阀和气动控制周两种。 电液控制阀以液压油作为介质，它可将输入的电 信号转换

27、成液压量输出。液压量包括液体的压力、 流量及流动方向等几个方面。它的基本结构是由 电一机械转换器（一般是吸人式电磁铁）及液压 阀（阀体、阀芯和油路系统等）两部分组成。 其基本工作原理如下：当电磁铁线圈通、断电时， 衔铁吸合或释放，由于电磁铁的动铁芯与 液压阀的阀芯连接，就会直接控制阀芯位移，来 实现流体的沟通、切断和方向变换，操纵各种机 构动作，如汽缸的往返，马达的旋转，油路系统 的升压、卸荷和其它工作部件的顺序动作等。 电液控制阀可分为电液伺服阀、电液比例阀和电 液数控阀。近年来电液控制系统正日益 广泛地应 用于冶金机械、轻工机械及航空航天、舰船、军 工等部门。 气动控制阀的结构与电液控制阀

28、的结构相似，所 不同的仅是以空气代替液压油作为介质。 气动控制阀可分为气动伺服阀和气动比例阀。 下面对几种控制阀进行介绍。 1.飞机军械系统中的气动伺服阀 图2一19为飞机军械系统中气动伺服阀的结构 图它由一个吸人式电磁铁（衔铁3、静铁芯4、 线圈5、弹赞6)和阀体（内装有阀杆7，阀杆上装 有阀门1,2)组成，阀杆与衔铁连接线圈5未通电 时，阀门2在弹赞6和冷气压力的作用下，关闭冷 气进人军械部分通道，使军械部分通道与大气相 通，见图2一19(a)所示。线圈通电时，在电磁吸 力的作用下，衔铁3克服弹摘和冷气作用并带动阀 芯和阀门向上运动，从而打开阀门2并关闭阀门1, 冷气被送人军械部分通道以对

29、军械进行操作，见 图2一19(b)所示。 2-19 三、电磁离合器 电磁离合器的作用是将执行机构的力矩（或功率） 从主动轴一侧传到从动轴一侧。 它广泛用于各种机构（如机床中的传动机构和各 种电动机构等），以实现快速启动、制动、正反 转或调速等功能由于它易于实现远距离控制， 和其它机械式、液压式或气动式离合器相比，操 纵要简单得多，所以它是自动控制系统中一种重 要的元件。 按其工作原理分，电磁离合器的形式主要有摩擦 面联结、牙嵌式联结、磁粉式联结和感应 式联结等。 图2一22为电磁离合器（摩 擦面联结形式）的结构图。 其基本结构就是一个吸人 式电磁铁，它除了有线圈3、 静铁芯4、摩擦片5和动铁

30、芯6以外，还多了可以转动 的主动轴1和从动轴2,主动 轴与静铁芯联结，从动轴 通过花键与动铁芯联结。 它的工作过程如下：线圈 通电后，在电磁吸力的作 用下，动铁芯克服弹簧反 力吸向台座并与摩擦片紧 紧贴在一起。 如果电磁吸力足够大，使 动铁芯与摩擦片两端面间 的摩擦力大于负载力矩， 从动轴即和主动轴同速旋 钱使执行机构的力矩 （或功率）从主动轴一侧 传到从动轴一侧线圈断 电后，动铁芯在弹黄反力 作用下回到初始位置两个 端面又分开。因此，只要 控制线圈的通、断电，就 可很方便地实现主动轴和 从动轴之间的联结和分离， 以达到力矩（或功率）的 传递作用 2.1.4 交流电磁铁的吸力 电磁铁的激磁绕组由交流电源供电的，称 为交流电磁铁交流电磁铁。 如果电源电压是正弦交流电压，则其磁通 也是时间的正弦函数。电磁吸力也周期变化。 公式推导 设工作气隙中的磁通为 (t) = m sint， m 为磁通的最大值。 当磁路不饱和，并忽略漏磁影响，拍合式交流