电器学电磁铁设计

1、目录弓I言11概述21.1基本公式及概念21.2 一个简单电磁铁产品的结构图 61.3电磁铁的结构形式72直流电磁铁的设计要求 93直流电磁铁的设计与计算 103.1电磁铁设计点的选择103.2选择电磁铁的结构形式113.2.1用结构因数选择电磁铁的结构形式 113.3 直流电磁铁的初步设计 123.3.1 决定铁心半径和极靴半径 123.3.2 计算线圈磁通势133.3.3 计算线圈高度及厚度143.3.4计算线圈导线直径及匝数 163.4计算极靴、衔铁和铁轭的尺寸163.5电磁铁草图184电磁铁性能验算 195结论22心得体会23参考文献24引言电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的

2、是机械能。电能和机械能的变换是 通过具体的电磁铁结构来实现的。合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁 设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当 复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态 过程，设计是以静态进行计算.电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组， 这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁。我们通常把它制成条形或蹄 形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较 快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁

3、就随之消失。电 磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很 大的提高。1概述1.1基本公式及概念电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁（electromagnet。我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往 往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就 随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的 功率得到了很大的提高。1、均匀磁场B二一（T）S2、磁势F=

4、NI,电流和匝数的乘积（A）3、磁场强度H=（A/m），建立了电流和磁场的关系。L该公式适用于粗细均匀的磁路B4、磁导率 =建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。H。=4" 10-7享咪相对磁导率=.5、磁通=-Rm磁阻Rm= s这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率卩不是常数， 使用磁阻计算磁路并不方便, 磁阻计算一般只用于定性。6、磁感应强度的定义式B=，磁感应强度与力的关系。qv17、 真空中无限长螺线管B=卩onI。对于长螺线管，端面处的 B=-卩onl。28磁效率42n0电磁铁工作循环图图1-1电磁铁工作循环图当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按 o2的直线

5、进行磁化，达到期初始工作点2。当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由23。断电后工作点由30。面积I为断电后剩留的能量，面积n为作功前电磁铁储存的能量，面积川为电磁铁作的功。我们的目的是使 I和n的面积最小，川的面积最大。面积I表示电磁铁作完功后的剩磁，（1）减小面积I可用矫顽力小的电铁。（2）提高 制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。面积n表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积n就大。9、机械效率Ki= A0A :输出的有效功A0 :电磁铁可能完成的最大功。10、重量经济性系数K2=AOG=电磁铁重量。A0 :电磁铁可能完成的最大功。K2不仅取

6、决于磁效率和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用，电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。11、结构系数K $每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。按最优设计方法设计的电磁铁重量最轻。 一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁 铁长，吸力大的电磁铁比吸力小的电磁铁外径 大。为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数 K '这个判据。Q-初始吸力（kg）S -气隙长度（cm）Q正比于电磁铁的横截面；S正比于电磁铁的轴向长度 结构系数可以从设计的原始数据求得。12、电磁铁工作的过渡过程开始吸合C完成吸合吸合时间电磁铁吸合动态曲线图1-2电磁铁吸合动态曲线接通电源后，电磁铁从

7、网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗，另一部分 用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，电磁铁从电源吸收的能量全部消耗于线圈子的发热上，磁场的能量用来产生吸力和作功13、工作制（1）热平衡公式图1-3均匀体的发热曲线热平衡公式：Pdt=CGdt + 11 st dt式中：Pdt供给以热体的功率和时间CGd t -提高电磁铁本身温度的热量。C-发热体比热G-发热体质量 d t -在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。1 st dt-发散到周围介质中的热量。1 -散热系数。S-散热面积。t -电磁铁超过 周围介质的温度。当输入功率=发散的功率时Pdt=0+1 st dt=i s

8、t dt,即本身温度为再升高，电磁铁本身温 度不再升高。这时就可计算产品的温升值t w。当t w小于容许温升，产品运行是可靠的。 当t w大于容许温升，产品是不可靠的。（2）发热时间常数发热时间常t y=®热体从t =0发热到温升0.632t y时所需时间。4 t达到稳定温升。 冷却时间常数和发热时间常数基本相同。（3）工作制分为：长期工作制、短期工作制和重复短期工作制。长期工作制：电器工作时间很长，一般不小于发热时间常数，工作期间，产品的温度达到或接 近温升t y （产品温度不再升高）。工作停止后，产品的温度又降到周围介质温度。长期工作 制散热是主要的。长期工作制电流密度可按24A

9、/mm2。短期工作制：电器工作时间很短，一般小于发热时间常数，工作期间，产品的温度达不到温 升t y。工作停止后，产品的温度又降到周围介质温度。短期工作制CGCt（产品本身热容）是主要的方面。短期工作制电流密度按1330A/mm 2。重复短期工作制：产品工作和停止交替进行，工作时产品温度达不到温升ty，停止时产品降不到周围介质温度。重复短量工作制电流密度按512A/mm 214、漆包线等的耐温等级Y : 90CA; 105CQE: 120CQQQAQHB: 130CQZ云母石棉F: 155CQZYH : 180CC:> 180CQY QXY辅助材料的耐热等级B级聚酯薄膜C级聚四氟乙烯薄膜

10、1.2 一个简单电磁铁产品的结构图图1-4电磁铁产品结构图1.3电磁铁的结构形式拍合式盘式图1-5电磁铁的结构形式不同型式的电磁铁适用于不同的场合，它们有不同的吸力特性。2直流电磁铁的设计要求1、电网压降小，工作持续时间长，绕组温升，最低作动电压、作动时间、释放电压和使 用期限等。重量轻、尺寸小，并有良好的工艺性，用材少以及最少资金等要求。2、要保证电磁铁可靠动作，在整个工作行程内，吸力均大于反力。一般电磁铁均选择衔 铁释放位置为设计点，在该点应保证吸力可以克服反力而使衔铁动作。F吸力特性曲线反力特性曲线3图2-1电磁铁反力特性曲线有时需根据电磁铁的动作时间来确定电磁铁的类型，对于快速执行要求

11、可达到34ms,如极化继电器。对于慢速要求的可达 300500ms。为了获得慢速要求，可采用带短 路环的拍合式和吸入式。3直流电磁铁的设计与计算3.1电磁铁设计点的选择如图所示。对于一般的电磁铁，选择衔铁在释放位置的 a点作为设计点；对于接触 器中使用的电磁铁，由于主触头刚接触处反力特性有一突跳点，该点上的电磁铁工作最为繁重，因此必须取b点作为设计点。设计点上对应的吸力称为初始吸力，用 Fo来表示，其大小可以由已知反力 特性上对应捡的反力Ff o来确定。为了使电磁铁工作可靠，往往引入一个安全系 数ko，则初始吸力Fo为：Fo = ko Ff o(3-1)因为Ff。20N所以 Fo 1.4 2O

12、 28N安全系数ko为考虑计算和制造中产生的误差所加的安全裕度。ko的值在不同情况下变化很大，它应根据具体情况而定，例如对某些继电器和接触器，当制 造工艺稳定时ko =1.35，而当制造工艺不稳定时ko = 2.4。以下推荐一些数据作为设计中参考：对快速电磁铁，ko = 3 4 ;对小功率继电器，ko = 2 3;对控制继电器和电磁阀，ko =1.52 ;对接触器和磁力启动器，ko =1.21.5 ;对牵引电磁铁 和制动电磁铁，ko =1.11.2。当电器的制造工艺稳定时，ko取较小值，反之，应取较大 值。此次设计取ko 1.43.2选择电磁铁的结构形式321用结构因数选择电磁铁的结构形式按电

13、磁铁的特性配合初选电磁铁的结构形式之后，再计算结构因数K，来检查所选结构0形式是否恰当，K按下式计算：(3-2)所以K284 10 313.23所以可知选择单U形拍合式式中 K$ 电磁铁的结构因数（N°.5/cm）;Fo 电磁铁设计点的吸力（N）;§0 磁铁设计点的工作气隙值（cm）。K所以称为结构因数，是因为.Fo正比于铁心直径，§正比于磁通势，铁心长度也正比于磁通势，故§0正比于铁心长度，K越大铁心越短粗，K越小铁心越细长，即K可 以表示电磁铁的结构特点。从大量电磁铁设计资料中得知，各种不同形式的电磁铁，都有 一个最适宜的K值，如表3-1所示，在此范

14、围内，可以使电磁铁做单位机械功所需材料 重量最小；按所计算出的K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 的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K值序号电磁铁形式K $ ( N0.5 / cm )序号电磁铁形式K (N0.5 / cm )1单U形拍合式8.4844装甲螺管式(铁芯锥顶2 a =90?12.5502单E形直动势>2805装甲螺管式(铁芯锥顶2 a =60?5.512.53装甲螺管式502806装甲螺管式V 0.633.3直流电磁铁的初步设计电磁铁的结构形式虽然很多，但它们的核心部分都是铁心和线圈，确定了铁心和线圈 的尺寸和参数，其他尺寸就容

15、易求得，故在直流电磁铁设计中把铁心半径 rc、线圈高度h、 线圈匝数N及线圈导线直径d,这四个参数作为关键参数，根据已知条件求出它们，再 按比例关系求出其他尺寸。3.3.1决定铁心半径和极靴半径在初步设计时，可以用麦克斯韦公式计算电磁铁的吸力，即FxB 2S2 o(3-3)式中Fx电磁铁吸力(N);B 8在线圈电压为下限值(85%额定电压)时的工作气隙磁通密度(T);S磁极面积(m2);真空磁导率，pP=4 nx -1H/m。(1) 、不带极靴的电磁铁磁极面积S按下式计算：S =冗詡式中rc 铁心半径(m)。设计点吸力为F0,即Fx = Fo 将式(3-5)及式(3-4)代入式(3-3)，贝U

16、；2 oF。“：B2(3-4)(3-5)(3-6)查表取B 0.282 oFo'B22*4 *10 7*28*0.28242.86*10 m(2) 、带极靴的电磁铁磁极面积S等于极靴面积，可按下式计算：2 S = npr式中 rp极靴半径(m)rpp 一设p为电磁铁极靴的比值系数，rc ,则(3-7)rp = prc选择小尺寸电磁铁，取p=1.4,所以(4-8)44rp =1 4*2 86*1°4.004* 10 m将式(4-5)、式(4-7)和式(4-8)代入式(4-3)，得2 0F0一 B2 p22*4 *10 7*28*0.282*1.420.012m3.3.2 计算线

17、圈磁通势电磁铁的线圈磁通势应等于磁路各部分磁压降之和，可列出下式:INUmUf(3-9)式中，IN线圈磁通势(A);y氏工作气隙中磁压降(A)；2Um导磁体各部分磁压降之和(A)；2Uf非工作气隙磁压降之和(A)。在初步设计时，电磁铁的结构尺寸尚未确定，所以UmUfKi将式代入式，得IN (1Ki)2Um及2Uf无法确定，因此设(3-10)(3-11)Ki根据经验统计，设计点在衔铁打开位置时，Ki =0.20.55;设计点在主触头刚接触位置时 Ki =0.551。若将式(3-11)中的工作气隙磁通值§用BsS代替，而B§值是线圈电压为下限值时的工作气隙磁通密度，则磁通势亦为

18、线圈电压下限值时的线圈磁通势，用(IN )1表示，即(IN )1(1Ki)B(3-12)0S而0将式代入式，得取k0.4B 00.28 4 10 3(IN )1(1Ki)-(10.4)71248.4A0410若要求在线圈额定电压下的线圈磁通势(IN) 2，可按下式计算:(IN )2 Un(IN)11248.4 1468.7AU193.5U185%Un 93.5V式中Un-线圈额定电压(V);(IN)2线圈额定电压下的线圈磁势(A);U1 线圈电压下限值(V)，一般U1=85%Un；(IN)1线圈电压下限值时的线圈磁通势(A)。3.3.3 计算线圈高度及厚度在反复短期工作制时，电磁铁的线圈温升w

19、 60 C式中Kt线圈外表面综合散热系 数W/(m2K)W线圈在反复短时工作制 下的温升（K）短时工作制线圈高度的计算公式，即(n 1)(in)2(3-13)2Kp2kicKT(1 2n K )nrc（IN ）2反复短时工作制线圈额 定电压下的磁动势（A）;KP2反复短时工作制线圈的功率过载系数KP2t11ti t2 TD%10.80.125式中tl一个工作周期中的通电 时间（S）t2一个工作周期中的通电时间（S）TD（%）-通电持续率。k线圈内表面综合散热系数 KT2与线圈外表面综合散热系数 KT1之比值。K可按以下经验数据选取：对于用导热性不好的绝缘材料做骨架的线圈，K 0 ;无骨架线圈，

20、其内表面散热能力与外表面散热能力比较接近时，K 0.751.05 ;绕在金属套上的线圈，内表面散热效果好，K 1.5641.75 ;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到散出，K 2.1 2.45。本设计中取K 1.6Kt按照表选取为11.8n线圈比值系数，选择小尺寸电磁铁，n0.5 0.8，本文中选择0.6所以 h2.3 10 8 1.6 1468.720.82 0.5 11.8 (1 2 0.6 1.6) 0.60.012 60 005726m在铁心半径rc已经确定的情况下，线圈厚度为2nrc 20.6 0.0120.0144m环境温度0 40 C， 可按照

21、表选取，发热温度 2查表可知KT 11.8W/(m K)334计算线圈导线直径及匝数直流电压线圈，线圈的电路方程U IR 3d2 44 2rc/INd2(3-14)将上式移项得4 2rc INU；4 2.3 10 8 (0.024 0.0144) 12484 丫93.5.42.17 10 m式中 U线圈的电压(V)；IN 线圈的磁通势(A)，与线圈电压相对应的磁通势，若 U=U1，则IN=(IN)i。线圈导线直径求出后，可利用线圈填充系数的公式，推导出计算线圈匝数的公式，即(3-15)-d2N kic上式移项得42(2.17 10 )N 吟 4 0.5 O.05726 0.014411153匝

22、d23.4计算极靴、衔铁和铁轭的尺寸(1) 、极靴尺寸极靴半径可以由选定的极靴半径比值系数p。极靴高度hp的大小与rc及rp有关，在极靴内部，取半径为rc的圆柱面，设通过这一圆柱面的磁通密度不超过铁心的磁通密度， 可得极靴高度hp的计算rc1 2hp 1 () (3-16)2p(2) 、衔铁尺寸通常取衔铁的宽度bx和铁轭的宽度be相等，并等于或大于线圈外径Dc2, bx可按下式计算：(3-17)bx = be = De 2 + 2?c2 = 2 (re +?+ 2?ci )+ 2?c2式中？ci线圈内圆与铁心间间隙(m)?c2为保护线圈而增加的尺寸(m)般取 ？ci=(0.51) 10-3m,

23、 ?c2=(05)采0-3m。本文中取 ci 0.7 10 3m, c2 3 10-3m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S可按下式计算；(3-18)0.5 0.8 rc 2.71 10 4m2则衔铁厚度可按下式计算:axSxbx0.5 0.8bX2.71*100.060240.07* 10 4m(3-19)衔铁的长度lx应按照在衔铁打开位置，能使工作气隙的边缘磁通进入衔铁所需的长度来 确定。(3) 铁轭尺寸铁轭的截面积一般大于铁心截面积,以使铁轭的磁通密度低于铁心，达到减小线圈磁通势的目的，故铁轭截面积Se可按下式计算：S 1.2 2 r；

24、6.78 10 4m2(3-20)则铁轭厚度可按下式计算：Se6.7810 44ae112.62 10 m(3-21)be0.0602c3 5 10 3m(4) 、铁心长度铁心长度主要决定于线圈高度h.,可按下式计算：|c h 2 c4 f1 0.05726 2 10 3 0.25 10 3 0.05901m(3-22)式中？c4绝缘垫圈厚度(m)，般取？c4=(03)x 10-3 m，本文取为1 10 3m由线圈绝缘及固定方式决定；S f1 极靴与铁心间非磁性垫片厚度(m)f1=(0.20.3)X 10-3 m,本文取0.25 10 3m4电磁铁性能验算通过上述初步设计计算，大体确定了磁系统

25、的尺寸和线圈数据，绘制工作气隙值为S o时的电磁铁结构草图以后，即可进行详细的验算。验算的主要项目有：吸力特性计算; 线圈温升计算；经济指标(质量，价格)的计算等。(1)计算线圈电阻ReDei N4 Dc1 N-d2484 2.3 102(0.0120.0007)0.0144 11153(4-1)2.17 10 4 2867.2式中Re在给定温升下的热电阻(？)；p e 在给定温升下的导线电阻率(? m)；Dc1线圈内经(m)，Dc1=2(rc+?d);线圈厚度(m)；N 线圈匝数;d导线直径(m)。(2)验算线圈温升T w用牛顿公式验算，线圈结构尺寸已经确定,故线圈散热面积S可按下式计算:S

26、 Dc2h K Dc1h2(0.012 0.0144 0.0007) 0.05726 1.617.04* 10 3m22(0.012 0.0007)0.05726(4-2)线圈发热功率可按下式计算:'uNR曲 13.95W，867.211.16Wkp2(4-3)线圈外表面散热系数KT，则反复短时工作制的线圈稳定温升t w可按下式计算:11.1655.5 CKtS11.8 17.04 10(4-4)验算得出的线圈温升应低于线圈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，则线圈温升合格；否则即为线圈温升不合格，应修改电磁铁结构尺寸及线圈参数，然后再进行验算，直到温升合格，再进行下

27、一步验算。验算线圈磁通势在线圈电压下为下限值U1时的线圈磁通势（IN）1按下式计算:IN在线圈电压为额定电压U1N 93.5 111531202.5AR867.2Un时的线圈磁通势(IN)2可按下式计算:(4-5)INUnN 110*111531414.7AR867.2按导磁体尺寸计算工作气隙磁导、非工作气隙磁导及漏磁导，再按已知线圈(4-6)磁通势求工作气隙磁通值的方法进行磁路计算，求出设计点在磁通势（IN）1及磁通势（IN） 2两种情况下的工作气隙磁通值，再按同样方法求出衔铁其他位置的工作气隙磁通值。衔铁，铁芯，铁轭均选择铁镍合金，其相对磁导率为2000衔铁磁阻RxIXxSxDC2 2 C

28、3 ae42.71 100.05420.010.01126410 72000 2.7110 411.08104(4-7)铁轭磁阻leReeSehplc aeDc2 24c36.78 10 4 2000 410 70.002940.059010.01126 0.0542 0.018.08(4-8)6.78 10 4 2000 410 7104铁心磁阻Rc止cSc20000.05901410 75.2 104(4-9)漏磁阻0S04 10 3474.75 104106.7 106(4-10)总磁阻R总11.081 048.081 045.21 046.71 066.961 06（3）吸力验算利用能

29、量平衡法的吸力计算公式，计算在U1及Un下设计点和衔铁其他位置的吸力，并画出吸力特性曲线；以检查吸力特性与反力特性的配合是否恰当，女口果配合恰当，则所设计电磁铁合格，否则，应再修改电磁铁的结构尺寸和线圈参数，重新进行性能验算直到合格为止。IN 11202.56R 总6.96 10517.32 10(4-11)2Fx2 oS17.32 102 410 70.012226.4N20N(4-12)（4）计算电磁铁的重量及经济重量，电磁铁所需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，还应计算电磁铁重量。铜的重量按下式计算：lav2rc2 0.012 0.0144 0.1206m（4-13）GcucuNlav d2 8.9 103 11153 0.1206 （2.17 10 4）2 0.4425kg（4-14）44式中 Gcu线圈导线铜的重量（kg）; p Cu铜的密度（kg/m3） 8.9Kg /m3N 线圈匝数；lav线圈平均匝长（m）;d导线直径（m）。 导磁体铁的重量可按下式计算：GFeFeVFe 7.86 10 1.403 10 4 1.103kg式中 GFe导磁体铁的质量（kg）;p Fe铁的密度（kg/m3）= 7.86 103kg/m3VFe导磁体的体积（m3）。 电磁铁的总质量可按下式计算：1G