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电磁铁设计

直流电磁铁设计

共26页

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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）