电磁铁的设计与计算

第五章电磁铁的设计与计算第一节概述电磁铁一种将电磁能转换为机械能的电磁元件。既可作为组成开关电器的部件，亦可单独成为一类电器电器部件：接触器、继电器的电磁系统电器：牵引/制动/起重电磁铁、电磁离合器MW16、26、36系列吊运钢带卷用电磁铁MW42系列吊运方坯、型钢用起重电磁铁MW5、MW61系列吊运废钢用起重电磁铁第一节概述电磁铁的设计已知电磁铁的工作任务，要确定其结构形式、几何尺寸和线圈参数设计已知条件1选择设计点（反力特性及设计点的吸力和行程）反力:作用于电磁铁衔铁上与电磁吸力相反的力反力特性:反力与电磁铁衔铁行程的关系第一节概述反力特性分类A反力不随工作气隙变化的常值负载(起重电磁铁的重力负载)B反力随工作气隙直线变化(反作用力弹簧、刹车电磁铁、电磁阀)C反力随工作气隙值作折线变化（接触器、继电器等有触头的负载）电磁铁反力特性计算直流接触器的反力由释放弹簧力、触头压力及运动部分的重力组成，对于转动式电磁铁，按力矩不变的原则，将这些反力都归化到铁心中心轴线上选择设计点将的点作为设计点，此时的反力，再引入一个安全系数，作为设计点的吸力，即：系数为考虑计算和制造中产生的偏差所加的安全裕度max)*(fF000*fFkF2线圈的额定电压/额定电流及其允许波动范围标准规定：电压波动范围为（1.05—0.85）UN3线圈允许发热温升线圈最高允许发热温度-40℃4工作制断路器：短时，考虑吸力，可不考虑温升接触器：长期，考虑温升，可不考虑吸合/释放时间电磁铁的设计步骤根据负载的反力特性选择电磁铁的结构形式初步设计确定电磁铁的结构参数验算，按确定的尺寸和数据，验算线圈的温升，计算电磁铁的静态吸力特性及其它特性，评价电磁铁的经济技术指标第二节电磁铁结构形式的选择电磁铁的结构形式第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式对不要求快速动作的电磁铁，应使吸力特性与反力特性形状尽量一致第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式对不要求快速动作的电磁铁，应使吸力特性与反力特性形状尽量一致从静态观点出发，只要动作值下的吸力特性处处高于反力特性和释放值下的吸力特性处处低于反力特性，就能保证电磁系统在吸合和释放过程中正常工作，而不致中途被卡住。但从动态观点来看，则只要吸力特性与反力特性呈现正差时的能量大于呈现负差时的能量，而且动作值下的吸力特性在处大于反作用力，电磁系统即能正常工作，同时还能减小撞击。min第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式直流拍合式，吸力特性陡峭A铁心上装极靴第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式直流拍合式，吸力特性陡峭B采用磁分路第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式螺管式第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式几种直流电磁铁的吸力特性1—盘式电磁铁2—拍合式电磁铁3—带挡铁螺管式电磁铁4—无挡铁螺管式电磁铁第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式两种交流电磁铁的吸力特性第二节电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式快速电磁铁的吸力特性（曲线3所示）第二节电磁铁结构形式的选择用结构因素来选择电磁铁的结构形式计算结构因素00FkjccjldFk00020*21SBF0FdcIN00S00cclINlIN第二节电磁铁结构形式的选择用结构因素来选择电磁铁的结构形式计算结构因素各种结构形式电磁铁都有一个最适宜的结构因素值范围，在此范围内，经济重量最小按所计算的结构因素确定电磁铁的结构形式（见表5--1））（F（G）m*拟定功电磁铁重量第三节直流电磁铁的设计直流电磁铁的初步设计四个关键参数:rchNd决定铁心半径(rc)及极靴半径(rp)SSBF020222不带极靴的电磁铁，设计点的吸力200022020222BFrrBSBFcc：线圈电压为下限值（85%额定电压）时工作气隙磁通密度B带极靴的电磁铁220002220220222pBFrrpBrBFccP2prS1cprr：p设电磁铁极靴比值系数的选择B用铜量铁心磁密INBc)(用铜量线圈平均匝长)(pjlcrTB1~1.0B吸力特性陡峭铁心不饱和用铁量，Bcr吸力特性较平坦铁心磁路较饱和用铁量，INBc)(铁心磁密用铜量用铁量铁心长度)(il由此可知：太大太小均不利在线圈电压为下限值时：B按值选择较大，铁心较短粗，可以选择大的值见图5-17jkjkjk的选择pINBc)(铁心磁密5.1~1.1:5.1~1.1:pp大尺寸电磁铁小尺寸电磁铁值较小失去极靴作用ppcr用铁量用铜量用铁量铁心长度)(il吸力特性较平坦可得到较大的电磁吸力在5.12.2~1.1p，p计算线圈磁势,等于磁路各部分磁压降之和磁势计算fmUUINSB：其中UUUUU：Kfmfmi取00S)1(iKIN计算线圈磁势,等于磁路各部分磁压降之和线圈电压为下限值时磁势计算：：位置设计点在主触头刚接触设计点在衔铁打开位置001)1()1()(BKKINii1~55.055.0~2.0iiKK线圈电压为额定电压时磁势计算112)()(INUUINN线圈电压下限值:1U计算线圈高度及厚度长期工作制,线圈温升可用牛顿公式计算电流线圈额定电压时的线圈:IAKRITw2线圈电阻2244dNldlRpj线圈平均匝长:PJlcccpjrrrl22221计算线圈高度及厚度线圈填充系数5.0:tck初步设计时取hNdktc24散热面积hkNrRtcc22）kk（kkAATT1221:::热率之比线圈内表面与外表面散线圈内表面积线圈外表面积21AkAA计算线圈高度及厚度散热面积crn2:设线圈厚度比值系数cccrkhhrkhrAkAA122221cccrnkhnrrkhA212212计算线圈高度及厚度线圈高度计算将所计算出来的参数代入牛顿公式,得1262535P：k：k：T见查表查表cwTtcnrknkkINnh2121225.0~25.08.0~5.0：n：n大尺寸小尺寸计算线圈高度及厚度线圈厚度计算AkkRIAkRIkRIRITPTWP122122短长长短cnr211Pkhh长短短时工作制时线圈高度计算计算线圈高度及厚度反复短时工作制时线圈高度计算AkkRIAkRIkRIRITPTWP222222反复长长反复21Pkhh长反复计算线圈导线直径及匝数直流电压线圈导线直径UINrdc2422244dNrIdNlIIRUcpj211ININUUININUUN计算线圈导线直径及匝数直流电压线圈匝数24dhkNtchNdktc24NhkdhNdktctc442NIINN2直流电流线圈匝数直流电流线圈导线直径第四节交流电磁铁的设计交流电磁铁设计的特点交变磁通在导磁体中产生磁滞损耗和涡流损耗为减小损耗的减轻发热,导磁体采用硅钢片叠成铁心截面为矩形,线圈为矮胖形为了减小交流电磁铁在闭合位置的吸力脉动一般均在交流电磁铁的磁极面上装置分磁环第四节交流电磁铁的设计交流电磁铁设计的特点交流并联电磁铁为恒磁链电磁铁(电压线圈)。线圈电流随行程减小而减小，在衔铁打开位置与衔铁闭合位置线圈电流之比，约为几倍至十几倍。在衔铁闭合位置，为防止剩磁的影响，引入一个非磁性间隙—去磁间隙交流电磁铁的初步设计四个关键参数:a(铁心宽度)hNd决定铁心尺寸对于一个工作气隙的交流电磁铁cmcmavAABF020244代入设计点的吸力：线圈电压为下限值（85%额定电压）时工作气隙磁通密度的幅值mB20000244mccmavBFAFABF决定铁心尺寸ab设:铁心厚度比值系数:铁心叠片占空系数ckccckaabkA22~8.0cckAa95.0~9.0ck的确定,先选择(衔铁闭合,线圈电压为额定电压时铁心中磁通密度)mB磁势节省铁TBcm7.1~2.1cmBFeP用铜量线圈发热RI2cmBcmB：主要受线圈发热的限制的确定mB3~3.125.1~1.1NcmNmUBkUB1NNUEk94.0~75.0NkNk：反电势系数若设计点在衔铁打开位置：若设计点在主触头刚接触位置：99.0~94.0Nk：设计点漏磁系数若设计点在衔铁打开位置：若设计点在主触头刚接触位置：决定铁心尺寸对于有两个相同工作气隙的交流电磁铁200020242mccmBFAABF决定铁心尺寸对于有三个工作气隙的交流电磁铁2002114mcBFAccAA17.0~6.01cA：每个边柱铁心截面积计算线圈匝数，在线圈电压为额定电压下，且衔铁在闭合位置CmfEN44.4ccmNCcmcAfBUNAB44.498.0NUE98.0取sIIsjIII计算线圈磁势，确定线圈主要尺寸在衔铁闭合位置，额定电压下的线圈磁势IN线圈电流在初步设计时取：111fffmUUUUUIN5.2~65.1cA0fccmfcmfABU22计算线圈磁势，确定线圈主要尺寸在衔铁闭合位置，额定电压下的线圈磁势INfcfA0222ccmcmmABU25.2~65.1225.2~65.1ccmfccmccmABABABINanAKpRITch2损耗线圈所包围部分的铁心:chp计算线圈厚度设线圈厚度比值系数:：，选择多为矮胖型交流电磁铁线圈形状大8.0~5.0n计算长期工作制时线圈高度铁的密度：FeahnhbaA222222单位重量的铁心损耗:cp线圈的散热表面的面积:A线圈的平均匝长:pjlanbalpj2222积线圈包围部分的铁心体V：hkhapVppcFecFecch2Fecccap，k：k2系数损耗线圈所包围部分的铁心:chpnkkanKINnhtccT222222Nhkdtc4计算长期工作制时线圈高度计算线圈导线直径分磁环的设计交流电磁铁的吸力按两倍电源频率变化为了消除衔铁在吸合位置的振动和噪声,在铁心磁极端面设置分磁短路环分磁环的设计分磁环的设计由图知:通过分磁环后,衔铁闭合时,磁通分为两部分—分磁环内磁通与分磁环外磁通,两个磁通产生的合成吸力为:fFFmintFFFFFFFpjpjpjpjpjpj2sin2cos2212221212cos221222121minpjpjpjpjpjpjFFFFFFF合成吸力最小值为衔铁在吸合位置时,消除振动和噪声的充分条件为:85.0~7.02btaAA21一个槽minF2111AAA4~2t槽宽121计算分磁环外面积与内面积之和btaAA221二