电磁铁设计

1直流电磁铁设计共26页编写：校对：2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。36、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ψ电磁铁工作循环图0ψ0ψ44ⅠIⅢⅡ231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。4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。5Kφ=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BAiCDt吸合时间电磁铁吸合动态曲线开始吸合完成吸合接通电源后，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6均匀体的发热曲线τt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。7（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/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8二、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9还有极化继电器10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11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。Fδ吸力特性曲线反力特性曲线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12FδIN1IN2IN3F=f（δ）曲线IN1＞IN2＞IN3六、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=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13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214表3表415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）16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=1.3～317δH　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18FCT-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0.10.440.380.150.4950.20.5350.480.30.540.40.57表8K-散热系数19(2)R2=12RRLLKK+R1hK=R2-R1(3)R3=2221RR20R36、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）(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21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RR5、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22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℃9095100105110115120125130KT1.281.31.321.341.361.