电磁铁设计

精心整理直流电磁铁设计共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1、均匀磁场B=S（T）2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A）3、磁场强度H=LNI（A/m），建立了电流和磁场的关系。该公式适用于粗细均匀的磁路4、磁导率=HB建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。0=4π×10-7享/米相对磁导率r=05、磁通Φ=MRNI精心整理磁阻RM=sl这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率μ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=qvF，磁感应强度与力的关系。7、真空中无限长螺线管B=μ0nI。对于长螺线管，端面处的B=21μ0nI。8、磁效率当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按0～2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2～3。断电后工作点由3～0。面积Ⅰ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Ⅲ为电磁铁作的功。我们的目的是使Ⅰ和Ⅱ的面积最小，Ⅲ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Ⅱ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K1=0AAA：输出的有效功A0：电磁铁可能完成的最大功。10、重量经济性系数精心整理K2=0AGG=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间保持合理的比例关系。11、结构系数Kφ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KJ这个判据。Kφ=QQ-初始吸力（kg）δ-气隙长度（cm）Q正比于电磁铁的横截面；δ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）热平衡公式热平衡公式：Pdt=CGdτ+μsτdt精心整理式中：Pdt供给以热体的功率和时间CGdτ-提高电磁铁本身温度的热量。C-发热体比热G-发热体质量dτ-在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。μsτdt-发散到周围介质中的热量。μ-散热系数。S-散热面积。τ-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+μsτdt=μsτdt，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τw。当τw小于容许温升，产品运行是可靠的。当τw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τy=发热体从τ=0发热到温升0.632τy时所需时间。4τ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τy（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2～4A/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τy。工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。短期工作制CGdτ（产品本身热容）是主要的方面。短期工作制电流密度按13～30A/mm2。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τy，停止时产品降不到周围介质温度。精心整理重复短量工作制电流密度按5～12A/mm214、漆包线等的耐温等级Y：90℃A；105℃QE：120℃QQQAQHB：130℃QZ云母石棉F：155℃QZYH：180℃C：＞180℃QYQXY辅助材料的耐热等级B级聚酯薄膜C级聚四氟乙烯薄膜二、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δ的平方成反比。2、交流磁链ψ（磁通φ与线圈的一些匝数相交链ψ=Nφ）近似常数，是恒磁链磁路，吸力F与间隙δ关系不大。只是漏磁随间隙δ的增加而增加，故间隙δ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铆而成。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精心整理四、电磁铁的结构形式还有极化继电器电磁铁的最优设计，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、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-60℃～+50℃，而耐热的结构应达到+125℃。（2）大气压的变化由790～150mmHg。（3）相对湿度达98%。精心整理（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。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。有时需根据电磁铁的动作时间来确定电磁铁的类型，对于快速执行要求可达到3～4ms，如极化继电器。对于慢速要求的可达300～500ms。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（1）Ｆ＝02BＳ（N）式中：Ｓ－磁极总面积（ｍ２）Ｂδ－气隙磁感应强度（T）（2）F=21（IN）220S×10-6（N）式中：S和δ的单位为cm和cm2（3）吸力和气隙的关系六、直流电磁铁的计算（一）、电磁铁的原始数据1、初始吸力QH（公斤）2、衔铁的行程δH（厘米）精心整理3、容许温升（℃）4、工作制：长期工作制τ=1；短时工作制τ＜1；重复短时工作制τ＜1。重复短时工作制还应给出接通时间或循环时间。5、电磁铁的工作电压。（二）、计算1、按公式Kφ=HHQ计算结构系数2、根据计算出的结构系数值,按表1确定导磁体类型表1电磁铁类型Kφ盘式，衔铁在外部大于93吸入式，台座为平头90～16拍合式26～2.6吸入式，台座为45度锥形16～4吸入式，台座为60度锥形4～1.8吸入式，无台座小于0.23、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度Bδ和比值12RRL=hL（线圈的长高比）表2表3表4表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的Bδ，如果是短时工作制或反复短时工作制，应加大10～15%。精心整理对于比值12RRL=hL（线圈子的长高比，也叫窗口尺寸），如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1～7。表5盘式和拍合式电磁铁最优磁通密度曲线（三）、初算根据电磁吸力公式QH=π22125000RB（公斤）（1）式中Bδ-气隙中的磁通密度（高）由（1）式得R1=225000BQH（cm）（2）1、盘式和吸入式平头电磁铁的衔铁半径可直接用（2）式计算。2、吸入式锥台座电磁铁吸力Q=2coshQ行程δ=δHcos2α式中α-锥度角吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将QH换成Q再按（2）式计算。3、拍合式电磁铁可直接用公式（2）算出极靴的半径R1。对于铁心的半径RCRC=R1CTBB式中：BCT=4000～12000根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。σ=1.3～3精心整理拍合式电磁铁的铁心和衔铁4、线圈的总磁动势方程F∑=4.0Bkctkct=1.2～1.55试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的10～25%，非工作气隙中的磁动势占总磁动势的5～10%，则材料选择最经济。F∑=Fδ+FCT+Fφ式中：Fδ-气隙中的磁动势FCT-导磁体中的磁动势Fφ-非工作气隙中的磁动势5、确定线圈的长度和高度（1）长度LK=3422105YKKfF式中：ρθ-漆包线的电阻率F-总磁势τ-工作制系数K-散热系数θy-温升fK-填充系数表7fK填充系数漆包线直径（mm）手动绕线自动绕线精心整理0.10.440.380.150.4950.20.5350.480.30.540.40.57表8K-散热系数(2)R2=12RRLLKK+R1hK=R2-R1(3)R3=2221RRR36、拍合式电磁铁外形尺寸计算（曲线图上无hL）（1）线圈的内径De！=d+2△c（m）式中△c-线圈和铁心之间间隙。一般取0.0005～0.001（m）(2)线圈的外径Dc2=(1.6～２)Ｄｃ１（m）精心整理(3)线圈的厚度b=212ccDD（m）(4)线圈的长L=βb（m）β:螺管式取β=7～８7、确定漆包线直径d=0.2UFhRK)12(U-工作电压。（四）、复算1、修正导磁体的尺寸和漆包线的径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ff=LRRqW)12(式中：q-漆包线的截面积W-线较总匝数4、计算线圈的电阻RR=ρθqL0式中：线圈漆包线长度L0=2πRcpWRcp=221RR精心整理5、线圈电流I=RU6、线圈磁势F∑=IW7真正温升θθ=LRRKfFK)12(21042温升τw应小于线圈所用材料的绝缘等级。如果超过允许温升,说明电流太大,应增加匝数IN。而增加IN，就要修改线圈的长度和厚度等参数。8、确定吸力（1）麦克斯韦公式（适用于等效电磁铁）Q=1.265×Bδ2×R12×10-7(kg)(2)铁心头部为锥形Q=2.03×10-7F2(222cos1R+21sin2α)（kg）七、其他问题1、漆包线电阻的计算漆包线+20℃时的电阻率ρ=0.0175Ω.mm2/m。漆包线+20℃时的电阻R20=0.0175SLL:漆包线长度mS:漆包线截面积mm2其他温度时的电阻RT=KTR20=0.0175KTSLKT=1+0.004(t-20)t℃9095100105110115120125130精心整理KT1.281.31.321.341.361.381.41.421.44t℃135140145150155160165170175KT1.461.481.51.521.541.561.581.61.622、漆包线长度