《电器学》课程设计-原稿

1、辽宁工程技术大学电器学课程设计1电磁铁的反力特性电磁系统的衔铁在运动过程中要克服机械负载的作用力而做功，电磁系统的主要任务就是克服这种反作用力。机械负载性质的反作用力与衔铁行程之间的关系称为反力特性。反力特性与吸力特性实质上是矛盾的统一。对于一般的电磁系统来说，衔铁的吸合主要靠电磁吸力，其释放则主要靠反力作用。 常见的几种反力特性，如下几种图：图a瞬时脱扣机构的反力特性、图b起重性质负载的反力特性、图c弹簧性质负载的反力特性、图d、e具有多级弹簧负载时的反力特性、图f永久磁铁机构的反力特性图1-1电磁系统的反力特性 凡含电磁系统的电器，其静态吸力特性与反力特性配合的适当与否，是决定其动态、静态

2、特性指标以及工作性能优劣的主要因素。吸力反力特性配合还应保证电磁系统，特别是励磁线圈在电网电压的上限时不致过热。总之，对于继电特性的电气元件，其动作值、释放值以及返回系数乃至其寿命和工作可靠性，无不取决于吸力反力特性的配合。对于继电特性电器元件的要求就是：在动作电压（或电流）下，吸力特性应处处高于反力特性，而在释放电压（或电流）下，吸力特性则应处处低于反力特性，显然，采取这种配合方式，在吸合和释放过程中都不会发生中途被卡住的现象。如图1-2图1-2 吸力反力特性的配合 2 选择设计点 电磁铁反力特性曲线如图2-1，反力特性曲线上任一点的反力与工作气隙值的乘积越大，电磁铁工作越困难，因此应选择值

3、最大的一点作为设计点，以和表示设计点的反力及工作气隙值。 要保证电磁铁可靠动作，静态吸力特性必须在反力特性的上面，如图2-2。开始设计时，由于吸力特性未知，故要选择一个设计点，一般电磁铁都选择衔铁在释放位置的点作为设计点，在该点应该保证吸力可以克服反力而使衔铁动作，衔铁打开位置的吸力称为初始吸力，以及和表示设计点的气隙和吸力。对于接触器使用的电磁铁，由于主触头刚接触处，反力特性有一突跳点，这一点上电磁铁工作最频繁，必须取点为设计点。设计点上的，可由已知反力特性上对应的反力来确定。为了使电磁铁工作可靠，往往引入一个安全系数，则吸力值为： （2-1）系数为考虑计算和制造中产生的偏差所加的安全欲度。

4、的值在不同情况下变化很大，它应根据具体情况而定，一下推荐一些数据作为设计中参考：对快速继电器，；对小功率继电器，；对控制继电器和电磁阀，；对接触器和磁力起动器，；对牵引电磁铁和制动电磁铁，。当电器的制造工艺稳定时， 取较小值，反之，应该较大值。图2-1 按电磁铁反力特性选择设计点图2-2 电磁铁吸力与反力特性3 选择电磁铁的结构形式3.1从特性配合来选择电磁铁的结构形式 选择电磁铁的结构形式应从电磁铁的工作任务及反力特性，例如，对于不要求速度动作的接触器电磁铁，应使吸力特性形状尽量与反力特性形状一致，在衔铁吸合过程中，吸力特性应高于反力特性，但两则之间所夹面积应比较小，以减少动作功率和材料消耗

5、，提高电器寿命。对于要求速度动作的电磁铁，则吸力特性应远高于反力特性，以减少动作时间。3.2用结构因数来选择电磁铁的结构形式按电磁铁的特性配合初选电磁铁的结构形式之后，在计算结构因数,来减产所旋结构形状时候恰当, 按下式计算： （3-1）由已知知,对接触器和磁力起动器而言，安全系数，故取由（2-1）式得：由（3-1）式得： 从大量电磁铁设计资料中的知，各种不同形式的电磁铁，都有一个最适宜的值，见表3-1所示，在此范围内，可以使电磁铁做单位机械功所需要材料重量最小；按所计算出的值可以从表中找出最适宜的电磁铁结构形式，再根据电磁铁工作任务最后确定其结构形式。表3-1 各种直流电磁铁最适宜的值序号电

6、磁铁形式/()1单U形拍合式2单E形直动式或单U形直动式3装甲螺管式（铁心平顶）4装甲螺管式（铁心锥顶）5装甲螺管式（铁心锥顶）6装甲螺管式（无挡铁）由3-1表得知，采用U形拍合式比较合理，电磁铁的结构如图3-1图3-1 直流拍合式电磁铁 4直流电磁铁的初步设计4.1计算铁心半径由查图4-1得工作气隙磁通密度，图4-1 选取工作气隙磁通密度的曲线aU形拍合式 b平面磁极螺管式由表4-1查得选择比值系数表4-1 比值系数的推荐值比值系数拍合式电磁铁螺管式电磁铁小尺寸大尺寸短行程长行程 在初步设计时，可以用麦克斯韦公式计算电磁铁的吸力，即： (4-1)设计点吸力为,即： （4-2）本次课程设计设计

7、的电磁铁带极靴，磁极面积等于极靴面积，即： (4-3)为电磁铁极靴的比值系数，即： （4-4）将式（4-2）（4-3）（4-4）代入（4-1）中，即： （4-5）由式（4-5）计算铁心半径为：4.2计算极靴尺寸 由（4-4）式得：极靴厚度公式为： （4-6）由式（4-6）计算极靴厚度为： 故取极靴厚度为4.3计算线圈磁动势电磁铁的线圈磁动势应等于各部分压降之和，即： （4-7） 在初步设计时，电磁铁的结构尺寸尚未确定，所以及无法确定设： （4-8）将式（4-8）代入（4-7）中，即： （4-9）根据经验统计，设计点在衔铁打开位置时，；设计点在主触头刚接触位置时。若将式（4-8）中的工作气隙磁通

8、值用代替，而值是线圈电压为下限值时的工作气隙磁通密度，则磁动势也为线圈电压下限时的线圈磁动势，用表示，即： (4-10)而 (4-11)将式（4-11）代入（4-10）得： （4-12）若要求在线圈额定电压下的线圈磁动势，可按下式计算： (4-13)为线圈电压下限，一般。 根据（4-7）式，假设非工作气隙和铁心部分磁压降占总磁势，得： 为了保证电压降低至后，电磁铁仍能可靠工作，上式计算得到的磁动势应为时的磁动势，这里用表示。计算线圈温升时，应该考虑到电压可能升至，这时线圈的磁动势为：4.4计算线圈尺寸绝缘耐热等级一般分为：A级，E级，B级，F级，H级，C级。各级的绝缘系统温度和对应温升如4-2

9、表表4-2 绝缘耐热等级分布表绝缘耐热等级绝缘系统温度对应温升A10560E12075B13080F155100H180125C220150 由于本次设计中线圈耐热等级为：A级绝缘，环境温度为30 ，所以温升,由于本次设计中工作制为反复短时工作制，所以线圈的计算公式为： （4-14）查表4-1取比值系数；线圈发热温度为结构上线圈与铁心间热传导良好，查表4-3得散热系数；初步设计中取线圈填充系数；采用无骨架线圈，取；表4-4得发热温度为时铜的电阻率。反复短时工作制线圈的功率过载系数为： (4-15) 式（4-14）中的为线圈表面综合散热系数与线圈外表面综合散热系数之比值。 可按以下经验数据选取：

10、对于用导热性不好的绝缘材料作骨架的线圈，；无骨架的线圈，其内表面散热能力与外表面散热能力比较接近时，；绕在金属套上的线圈，内表面散热效果较好，；直接绕在铁心上的线圈，因为线圈和铁心紧密接触，大部分的热量从内表面传导散出，。表4-3 线圈表面综合散热系数线圈温升/K线圈与铁心间导热良好线圈与铁心导热不良4011.069.844511.2010.015011.4110.195511.6210.376011.8010.546512.0410.727012.2510.998012.6811.35表4-4 各种温度下铜的电阻率发热温度2035458090100105110120140电阻率1.751.8

11、622.22.242.32.342.372.442.58 由式（4-15）得：由式（4-14）得： 线圈的厚度公式为： （4-16） 线圈的外半径公式为： （4-17） 由式（4-16）得线圈的厚度为： 由式（4-17）得线圈的外半径为：4.5计算线圈的导线直径和匝数直流电压线圈，线圈的电路方程为： (4-18) 将式（4-18）整理得出导体直径公式为： (4-19) 为线圈的磁通势，与线圈电压相对应的磁通势，若，则线圈导线直径求出后，可利用线圈填充系数的公式，推出计算线圈匝数的公式，即： （4-20） 将式（4-20）整理后得出线圈匝数公式为： （4-21） 线圈电阻公式为： （4-22）

12、线圈内径为： （4-23）在时线圈的磁动势,按式（4-19）得导体直径为： 导体直径应符合国家标准规定的线径，根据计算值选择最邻近的标准直径 由式（4-21）计算线圈匝数为： 按表4-4得时铜的电阻率，忽略线圈内圆与铁心间隙，即取，则按式（4-22）得线圈电阻为： 当电压为时，实际线圈磁动势为：4.6计算磁轭尺寸 通常取衔铁的宽度和铁轭的宽度相等，并等于或大于线圈外径，可按下式计算： （4-24） 一般取 铁轭的截面积一般大于铁心面积，以使铁轭的磁通密度低于铁心，达到见笑线圈磁动势的目的，故铁轭截面积可按下式计算： （4-25）铁轭厚度可按下式计算： （4-26） 采用矩形截面磁轭，且忽略和，

13、即取，按式（4-24）、（4-25）、（4-26）计算磁轭截面积和尺寸分别为：4.7计算磁靴尺寸 衔铁的截面积可以取得比铁心截面积小，因为拍合式电磁铁的漏磁通不经过衔铁，因此衔铁面积计算公式为： （4-27） 衔铁的厚度为： （4-28） 取衔铁宽度与磁轭宽度相同： 衔铁截面积为： 衔铁厚度为：4.8绘制电磁铁结构 经过上式的计算得出拍合式直流电磁铁的结构尺寸，如图4-2图4-2 拍合式直流电磁铁的结构尺寸5 电磁铁的性能验算5.1计算线圈电阻 线圈电阻公式为： （5-1） 线圈内径为： （5-2） 按表4-4得时铜的电阻率，忽略线圈内圆与铁心间隙，即取，则按式（5-1）得线圈电阻：5.2计算

14、线圈温升 用牛顿公式验算，线圈结构尺寸已经确定，故线圈散热面积为： （5-3） 反复短时工作制的线圈发热功率为： (5-4)线圈外表面散热系数可按表4-3查到，则反复工作制的线圈稳定温升为： (5-5) 将式（5-3）、（5-4）、（5-5）整理之后得： 验算得出的线圈温升低于绝缘材料耐热等级的极限允许温升，并留有适当的温升裕度，则下怒请安温升合格。5.3计算线圈磁动势在线圈电压为下限值时的线圈磁动势为: (5-6)由上述所计算的结果进行计算得：在线圈电压为额定电压时的线圈磁动势为: (5-7)由上述所计算的结果进行计算得：5.4计算吸力及等效磁路 由达拉第和麦克斯韦提出的磁力线概念：即沿磁力

15、线方向有张力，与磁力线垂直方向有压力，推导出的麦克斯韦公式为： （5-8）对于铁磁性物体，由于，磁极表现的磁感应强度矢量均近似垂直于积分面积，即 （5-9）若磁力线面积 的磁力线分布是均匀的，则式（5-8）可以进一步简化为： （5-10）在电磁铁的工作气隙，磁通,则电磁吸力为： （5-11）由于,，将其代入式（5-11）得吸力为： 在设计点处，能够保证吸力克服反力而使衔铁动作，故本次设计中满足吸力特性要求。由设计电磁铁知，拍合式直流电磁铁的等效电路如图5-2，根据计算绘出吸力特性曲线如图5-1图5-1 吸力特性曲线a吸力曲线 b吸力曲线 c吸力曲线 d反力特性曲线图5-2 拍合式直流电磁铁的等

16、效磁路5.5计算电磁铁的重量及经济重量 电磁铁所需要材料重量是电磁铁的经济指标，是评判电磁铁设计优劣的重要指标，在电磁铁性能验算合格后，应计算电磁铁的重量。 铜的重量公式为： （5-12） 铜的密度，经计算得到线圈平均匝长，导线直径，将其代入式（5-12）中得铜的重量为： 导磁体的重量计算公式为： （5-13） 铁的密度，经计算得到导磁体的体积大概约为，将其代入式（5-13）得铁的重量： 电磁铁的总重量计算公式为： （5-14） 将上述计算的结果代入式（5-14）得： 电磁铁的经济重量，为了便于比较，将电磁铁总质量除以它所做的机械功称为经济重量，即电磁铁做单位机械功所用的材料重量： (5-15

17、) 将上述计算的数据代入其式（5-15）中得： 经济重量的大小随工作气隙值变化，并有一个最小值。6 结论 电磁继电器吸力特性和反力特性的配合好坏，可以判断电磁铁的工作情况。二者良好地配合，就能很好带动机构，即被控对象，并且不产生大的撞击。它关系到电磁继电器工作的可靠和寿命的延长。通过已知的铁芯参数等计算并画出该电磁铁的反力特性，并据此确定设计点。初步计算出电磁铁的具体尺寸参数，由此可得出系统的结构草图。最后验算设计的合理性，计算吸力特性并校验温升，通过反复验算，修改参数，最终设计出符合电气设备要求的电磁铁。通过修正等各项措施力求使设计误差最小，基本条件应当保证电磁铁机构能够满足直流电磁铁的各项特性要求，而且要安全可靠。参考文献1 王智勇.电器学课程设计指导书直流电磁铁的设计,内部讲义2 周茂祥.低压电器设计手册M.北京：机械工业出版社.3 方鸿发.低压电器M.北京：机械工业出版社1988.4 贺湘琰.电器学M.北京：机械工业出版社，2000.5 张冠生.电器理论基础M.北京：机械工业出版社，1997.摘要电磁铁是一种把电磁能转换成机械能的电磁元件，既可以是有触点开