直流电磁铁设计

1、直流电磁铁设计共26页编写:校对：直流电磁铁设计电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。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.一、基本公式和一般概念(TB=) 1、均匀磁场一 S2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积(A)NI (A/m), H庭立了电流和磁场的关系。3、磁场强度一 L 该 公式适用于粗细均匀的磁路B建立了磁场强度和磁感应

2、强度(磁通密度)的关系 。4、磁导率=H -7 = 10 相对磁导率享/米X =4r00NI5、 磁通=一 RmI =R磁阻M_ s这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的 磁导率w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。.F,磁感应强度与力的关系。6、磁感应强度的定义式B= qv7、真 空中无限长螺线管B=pnI。对于长螺线管，端面处的ol nI。B=pj 2 8、磁效率。44力0力032I mn1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02的直线进行磁化, 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

3、为断电后剩留的能量，面积II为作功前电磁铁储存的能量，面积田为电磁铁作的功。.我们的目的是使 I和n的面积最小，m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II就大。9、机械效率A =K1 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G = K2 A0 G=电磁铁重量。A0:电磁铁可能完成的最大功。K2不仅取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

4、间保持合理的比例关系。11、结构系数K小每一类型的电磁铁，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。jQ 二仁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iCAB吸合时间电磁铁吸合动态曲线完成吸接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，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

5、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)热平衡公式1 (.均匀 体的 发热 曲线热平衡公式：Pdt=CGdr + s t dt式中：Pdt供给以热体的功率和时间CGd一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 p-在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。ws pdt-发散到周围介质中的热量。p -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+ s t dt= s 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当r小于容许温升，产品运行是可靠的。当r

6、大于容许温开，产品是不可靠的。(2)发热时间常数发热时间常p =发热体从p =0发热到温升0.632。时所需时yy。间。4 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p （产品温度不再升高）。工作停y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。2。长期工作制电流密度可按24A/mMS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To 工作停止后，产品的温度又降到周围y介

7、质温度。短期工作制CGdr （产 品本身热容）是主要的方面。2。30A/mm§期工作制电流密度按13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停止时产品降不到周 围介质温度。*12A/mm重复短量工作制电流密度按514、漆包线等的耐温等级Y： 90 A ； 105E： 120B： 130F： 155H： 180QQ QA QH石棉QZQZYQY QXYC: >180C辅助材料的耐热等级B 级聚酯薄膜聚四氟乙烯薄膜级 C二、交、直流电磁铁比较1、直流的NI是不变的，是恒磁动势，吸力F与间隙S的平方成反比。2、交流磁链小（磁通。与线圈的一些匝数相交链少=N0

8、）近似常数, 是恒磁链磁路，吸力F与间隙5关系不大。只是漏磁随间隙5的增加 而增加，故间隙S增大F减小。3、直流螺管式电磁铁中可获得边平坦的吸力特性。4、导磁材料：直流整块软钢或工程纯铁，交流用硅钢片冲制叠钟而 成。5、铁心形状：直流为圆柱形，交流为矩形或圆形。6、铁心分磁环：直流无，交流有。7、线圈外形：直流细而高，交流短而粗。8、振动情况：直流工作平稳无振动，交流有振动和噪音。9、交流电磁铁比较重，而且它的吸力特性不如直流电磁铁。三、一个简单电磁铁产品的结构图.四、电磁铁的结构形式电磁铁的最优设计，在于合理选择电磁铁的型式。不同型式的电磁铁 有不同的吸力特性，盘式吸力大，适用于起重电磁铁、

9、电磁吸盘和电 磁离合器；拍合式特性比较陡，广泛用于接触器和继电器；螺管 式，吸力特性比较平坦，用于长行程牵引和和制动电磁铁；机床电器如接触器、中间继电器电器基本上都是E 型。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。电磁铁的线圈叫激磁线圈， 按联接方式分为串联和并联。 串联线圈称为电流线圈，匝数少电流大（也叫电流继电器）。并联线圈称为电压线圈，匝数多，电阻大、电流小，匝间电压高 （也叫电压继电器）。五、直流电磁铁的要求1、航空电磁铁应在下列条件下正常工作（1）周围的的温度从-60C+50C,而耐热的结构应达到+125C。（2）大气压的变化由790150mmHg。（ 3）相对湿度达

10、98%。（ 4）飞机起飞、滑跑和着陆时的冲击。（5） 2500Hz 以上的振动。（ 6）线加速达8g 以上。还有电网压降，工作持续时间， 绕组温升， 最低作动电压、 作动时间、释放电压和使用期限等。此外还要求重量轻、尺寸小，并有良好的工艺性，用材少以及最少资金等要求。、要保证电磁铁可靠动作，在整个工作行程内，吸力均大于反2 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IN3 6直流电磁铁的计算六、（一）、电磁铁的原始数据1、初始吸力F=f (IN1>IN2>IN35）曲线5Q （公斤）H有时需根据电磁铁的动作时间

11、来确定电磁铁的类型， 对于快速执行要 求可达到34m§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、直流电磁铁的吸力BS （N） （1） F= 20 2）式中：S 磁极总面积（mB气隙磁感应强度（T） ，SOB （N） 10） （2F= （INX,222和cmcm SS式中：和的单位为）吸力和气隙的关系3 （一IN1FIN2 5 （厘米）2、衔铁的行程H 3、容许温升（）；重复短 时1 P v P 4、工作制：长期工作制=1;短时工作制1。重复短时工作制还应给出接通时间或循环时间。工作制v 5、电磁铁的工作电压。（二）、计算Q

12、计算结构系数=K 1、按公式h。h2、根据计算出的结构系数值, 按表1确定导磁体类型电磁铁类型盘式，衔铁 在外部吸入式，台座为 平头拍合式吸入式， 台座为45度锥形度锥形 吸入式，台座为60吸入 式，无台座93 大 1692.62411.80.2小于3、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度B和比LL （线圈的长高比）=值R2 R1h表2 .表3表4表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的 B,如果是，短时 工作制或反复短时工作制，应加大 1015%。LL （线圈子的长高比，也叫窗口尺寸）=对于比值，如一1R 1R2h果吸力增大或行程减小，可减小此值。减小此值后，每匝 线圈的平均长度增

13、加，铜的用量增加，而导磁体的长度缩短了， 钢的用量减小。最优设计的电磁铁，此值为 17。表5ih财(W2双盘式和拍合式电磁铁最优磁通密度曲线（三）、初算22RB （公斤）（=根据电磁吸力公式Q1） 1H , 250 00式中B气隙中的磁通密度（高）-"2Q5000 2） （） 由（1）式得 R= （cmHi2 b 2）式计算。1、 盘式和吸入式平头电磁铁的衔铁半径可直接用（、吸入式锥台座电磁铁2Q 吸力Q= h . 2 cos2 cos a行程8=8 h - a锥度角 式中）式计再按（2吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将 Q 换成Q h算。、拍合式电磁铁3R。对于铁心的半径2）算出 极靴

14、的半径R1 可直接用公式（cB =R1RcBct 式中：B=4000 12000CT根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。3=1.3 （T拍合式电磁铁的铁心和衔、线圈的总磁动势方c0k=1.21.55ct试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的1025%,非工作气隙中的磁动势占总磁动势的510%,则材料选择最经济。F=F+F+F废*式中：f气隙中的磁动势-b.-导磁体中的磁动势F ct非工作气隙中的磁动势-F6 、确定线圈的长度和高度5 ）长度（12 4 105F =L 3K Kf2YK式中:P -漆包线的电阻率 尸-总磁势P -工作制系数K-散热系数0 -温升y填充系数-fKf填充系数

15、表7 K漆包线直径（mm）手动绕线 自动绕线0.38 0.1 0.440.15 0.4950.48 0.2 0.5350.54 0.30.570.4表8K-散热系数LR2=+R1 k lk 1 R2R h=R2-R1k(3)R3= 222R ir.(3RL ) 6、拍合式电磁铁外形尺寸计算(曲线图上无hmH)线圈的内径D=d+2 (1ce线圈和铁心之间间隙。一般取 0.00050.001式中0 m)二(1.62 ) D ( (2)线圈的外径De1c2D D ) (b=(3)线圈的厚度m)2(4)线圈的长 L= B b (mi)B ：螺管式取B =787、确定漆包线直径(2R1 h)Fd=0.2

16、KUU-工作电压。(四)、复算、修正导磁体的尺寸和漆包线的径 1.计算中心出的导磁体尺寸，需要对其圆整。计算出的漆包线尺寸，会和标准规定的不一样，需要按标准给出的漆包线直径。2、确定绕组的层数、每层的匝数以及总匝数按线圈子的窗口尺寸、漆包线怕外径(包括漆层)、层间绝缘层厚度 等进行曲计算。3、计算实际的填充系数fqW f=(R2 R1)L式中：q-漆包线的截面积W-线较总匝数4、计算线圈的电阻RL R= P 0e , q 式中：线圈漆包线长度 L=2兀RWcp0R1 R2 R=cp2 5、线圈电流U I=R6、线圈磁势F=IW或真正温升。24 10F e =L) R1(2KfR2K温升p应小于

17、线圈所用材料的绝缘等级。如果超过允许温升，说w就要修改线圈的长度和厚度,IN而增加。IN应增加匝数，明电流太大.等参数。8、确定吸力(1)麦克斯韦公式(适用于等效电磁铁)22-7(kg) 10XBXX R1Q=1.265b(2)铁心头部为锥形21R12-72 ) % )(+ Q=2.03X 10F(sinkg22 2cos七、其他问题1、漆包线电阻的计算2/m。=0.0175 Q.mm漆包线+20C时的电阻率pL =0.0175+20 C 时的电阻R漆包线20 , S2l=0.0175KR=&他温t C 9095 1.28 1.3K- C135140 tK1.461.48 t10010

18、5110 1.32 145 1.51151201251.34 1.36 1501551.38 1.4 1.42 170 1601651.52 1.54 1.561.581.61301.441751.622、漆包线长度的计算mm m S:漆包线截面积L:漆包线长度度时的电阻 R20TTTS K=1+0.004(t-20) T(1)、用近似公式计算线圈的平均匝长。如螺管式可用线圈高度中间的匝长作为平均匝长Lp。L=LpW、漆包线长度)2 (.W :匝数3、温升计算公式温升计算公式：T= （R-R） +RX （235+t） 式中：R环境温度时直流电阻（Q） ; iR通电一定时间后的直流电阻（Q）;才

19、一产 品环境温度（C）；T一产品温升值（C）。4、电磁铁的动作时间t=t+t dsmt-铁心始动时间，即从线圈通电到铁心开始动作的时间。式中：st-铁心运动时间，即铁心开始运动到最后吸合的时间di）减小始动时间的方法（减小线圈的时间常数和减小电流（2）减小铁心运动时间的方法增大电压；增加IN;（3）动作时间与输入功率的关系tpds pt = sd在衔铁行程、衔铁质量等参数不变的条件下，增加输入功 率，可减小衔铁的动作时间。.iCAD4 262 105F2700 10.1 025 .4 =5.04(cm)Bt电磁铁吸合动态曲线示例、原始数据 =24公斤 Qh厘米=0.58 h 。=70y=0.1T=24V Uh 8=20Cy 二、初算 0.5=12kgcm =24X1、有效功A= Q 8 HHQ240