电磁铁设计.docx
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电磁铁设计
直流电磁铁设计
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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=
(T)
2、磁势F=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。
该公式适用于粗细均匀的磁路
4、磁导率
=
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=
5、磁通Φ=
磁阻RM=
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=
,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=
μ0nI。
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=
A:
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=
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=
Q-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
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。
重复短量工作制电流密度按5~12A/mm2
14、漆包线等的耐温等级
Y:
90℃A;105℃Q
E:
120℃QQQAQH
B:
130℃QZ云母石棉
F:
155℃QZY
H:
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
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%。
(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=
S(N)
式中:
S-磁极总面积(m2)
Bδ-气隙磁感应强度(T)
(2)F=
(IN)2
×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)
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=
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0.2
3、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
=
(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%。
对于比值
=
(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=π
(公斤)
(1)
式中Bδ-气隙中的磁通密度(高)
由
(1)式得R1=
(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=
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RC
RC=R1
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
拍合式电磁铁的铁心和衔铁
4、线圈的总磁动势方程
F∑=
kct
kct=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=
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
0.1
0.44
0.38
0.15
0.495
0.2
0.535
0.48
0.3
0.54
0.4
0.57
表8K-散热系数
(2)R2=
+R1
hK=R2-R1
(3)R3=
6、拍合式电磁铁外形尺寸计算(曲线图上无
)
(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)
(3)线圈的厚度b=
(m)
(4)线圈的长L=βb(m)
β:
螺管式取β=7~8
7、确定漆包线直径
d=0.2
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f
f=
式中:
q-漆包线的截面积
W-线较总匝数
4、计算线圈的电阻R
R=ρθ
式中:
线圈漆包线长度L0=2πRcpW
Rcp=
5、线圈电流
I=
6、线圈磁势
F∑=IW
7真正温升θ
θ=
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(
+
sin2α)(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=0.0175
L:
漆包线长度mS:
漆包线截面积mm2
其他温度时的电阻RT=KTR20=0.0175KT
KT=1+0.004(t-20)
t℃
90
95
100
105
110
115
120
125
130
KT
1.28
1.3
1.32
1.34
1.36
1.38
1.4
1.42
1.44
t℃
135
140
145
150
155
160
165
170
175
KT
1.46
1.48
1.5
1.52
1.54
1.56
1.58
1.6
1.62
2、漆包线长度的计算
(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。
(2)、漆包线长度L=LpW
W:
匝数
3、温升计算公式
温升计算公式:
T=[(R2-R1)÷R1]×(235+t)
式中:
R1—环境温度时直流电阻(Ω);
R2—通电一定时间后的直流电阻(Ω);
t—产品环境温度(℃);
T—产品温升值(℃)。
4、电磁铁的动作时间
tm=ts+td
式中:
ts-铁心始动时间,即从线圈通电到铁心开始动作的时间。
td-铁心运动时间,即铁心开始运动到最后吸合的时间
(1)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
=
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。
示例
一、原始数据
QH=24公斤
δH=0.5厘米
θY=70℃
τ=0.1
UH=24V
θY=20℃
二、初算
1、有效功A=QHδH=24×0.5=12kgcm
2、结构系数值Kφ=
=
=9.8kg0.5/cm
按所求的值,查表1,确定电磁铁的类型为45度锥台座吸入式。
按所求的值,查表3得:
Bδ=10600高,
=5
3、把吸力和衔铁行程折合为等效值
Q=
=
=48kg
δ=δHcos2α=0.5×cos245o=0.25cm
4、确定铁心半径
R1=
=
=1.82(cm)
5、确定总动势
F∑=
kct=
×1.28=2700(安匝)
取磁导体中的磁势降为气隙磁势的18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的10%,则
式中KCT=
=1.28
0.78=1-(10%+18%)
6、确定线圈的长度和高度
LK=
=
=5.04(cm)
ρθ=2.4×10-2Ωcm2/m漆包线90℃时电阻率
K=1.16×10-3W/cm2℃散热系数
Fk=0.43填充系数
R2=
+R1=
+1.82=2.83(cm)
H=R2-R1=2.83-1.82=1.01(cm)
7、确定外部半径
R3=
=
=3.35(cm)
8、确定漆包线的直径
d=
=
=0.696(mm)
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