直流电磁铁及其典型应用

第二章直流电磁铁及其典型应用电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸力，引起铁磁物质机械运动，把电能转换为机械能的一种电磁元件。线圈通人直流电，称为直流电磁铁。它由衔铁（吸片）、铁芯、线圈和返回弹簧等组成（以拍合式电磁铁为例）。本章重点研究它的原理、特性及其典型应用。第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类•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•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、极化电磁铁一、拍合式拍合式电磁铁磁系统如图2一1(a）所示。第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类二吸人式电磁铁磁系统如图2一2所示。第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类•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。第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类效果演示•三、旋转式•旋转式电磁铁磁系统如图2一4所示。第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类•四、极化电磁铁•1.工作原理:•除有线圈产生的Φp以外，还有永久磁铁产生永久磁铁磁通Φm1和Φm2,使一个气隙中的Φp与与Φm1同向，而另一个气隙中与Φm2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.第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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δ间的关系，即Fem=∫(δ)；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2.1.1电磁铁中的能量转换+-uNeδ1Φ直流拍合式电磁铁假设：(1)铁心不饱和；(μFe为常数)(2)忽略漏磁影响；(3)当δ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δ1，并保持不变。电能磁场能iRtiReUdd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NNeR，上式两边乘以tidRdtiidUidt2dt时间内在电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：+-uNeδ1Φ积分，得RdtiidUidttt1110002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—1010210111tidtRdtitUidttt式中对直流电磁铁，当电流达到稳定后，dΨ/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=IN=Um+UδINRmRUmUΦ1tanR铁心磁阻的磁压降Um随Φ的变化由系统的局部磁化曲线Φδ=f(Um)决定。气隙磁压降U=ΦδR是线性的。气隙磁导线：Φ0ΦINCBDAUINOm0()FfΦmU局部磁化曲线气隙磁导线m0()FfΦ局部磁化曲线气隙磁导线Φ0ΦINCBDAUINOmU设t=0，Φδ=0(i=0)；t=t1，Φδ=Φδ1(i=I)。磁场存储的能量为：111111111100011ddd22ΦΦΦcmmOBΦAbBWiNΦuΦuΦΦUΦUSSΦmU1UINΦdF1Φ1B1bO1CA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δ的关系，即Fd=f(δ)或Md=f(α)。+-uNeδ1Φ设时间：t=t1→t=t2气隙：δ1↓=δ2电磁吸力方向：指向静铁心端面ΦOF气隙12mU2U2Φ2BD2b2C气隙21Φ1mU1UIN1CA1b1B当气隙为δ2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ΦΦ1mU1UINF1Φ1B1bO1CA2BD2b2C2U2mU当气隙为δ1时磁场存储的能量：22222bABΦOBcSSW11111bABΦOBcSSW221121ΦbbΦΦΦmSINdΦW由能量守恒定律知：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)(2112112122222211111121可以忽略很小，很小时，当BDBADBBDBADBBABbABΦOBΦbbΦbABΦOBcmcSSSSSSSSSSΦ1mU1UINF1Φ1B1bO1CA2mU2U2Φ2BD2b2C1121112212121(tantan)21()2WDBACUU2121UFdpddUUFdp22112121由此，RRΦU1，又ddRΦddRRRΦFdp222221)1(21所以，ddRΦddUMd222121ddRΦddUFdp2221211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Bδ的单位用Gs,Sδ的单位用cm2,Fd的单位为kg,则式(2一5)改写成下列形式•Fem=(Bδ/5000)2Sδ(Kg)(2-6)•或Fem=(Φδ/5000)2(1/Sδ)(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，它是在假定Bδ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．第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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。002022dp2020dp2d1112d2201()2mUAΦRRARΦAFΦUAUUINAFIN忽略漏磁，，，，则当铁心不饱和时，，，则实际上U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。mf理论特性实际特性12)()(ININ当IN增加时，曲线上移。第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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Uδ∝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．•第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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=Femδ＋Femª•式中,Femδ是通过主工作气隙δ的主磁通Φδ中产生的端面吸力，而Femª是漏磁通Φª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，效果演示第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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δ较小时，其吸力特性与拍合式相近；δ较大时，吸人式比拍合式大，因为此时螺管力比例增大，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•第二章直流电磁铁及其典型应用2-２直流电磁铁磁的吸力特性•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=(2θ－α)r0b其中，α——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)。NSb0角半径r0角2θ00000(2)Arb000drbd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2200m0122drbMUUd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α＝0～α1范围内，电磁力矩特性为一条水平线。mM1O第二章直流电磁铁及其典型应用2-3电磁铁的应用•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．第二章直流电磁铁及其典型应用2-3电磁铁的应用•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。效果演示第二章