直流電磁鐵設(shè)計(jì)直流電磁鐵設(shè)計(jì)共26頁編寫：校對：1/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)直流電磁鐵設(shè)計(jì)電磁鐵是一種執(zhí)行元件，它輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。電能和機(jī)械能的變換是通過具體的電磁鐵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。合理的電磁鐵結(jié)構(gòu)是能量變換效率提高的保證。電磁鐵設(shè)計(jì)的任務(wù)是合理的確定電磁鐵的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定電磁鐵的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)，下面我們探討確定電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般方法。電磁鐵吸合過程是一個(gè)動態(tài)過程,設(shè)計(jì)是以靜態(tài)進(jìn)行計(jì)算.一、基本公式和一般概念1、均勻磁場B=（T）S2、磁勢F=NI,電流和匝數(shù)的乘積（A）3、磁場強(qiáng)度H=NI（A/m），建立了電流和磁場的關(guān)系。L該公式適用于粗細(xì)均勻的磁路4、磁導(dǎo)率=B建立了磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）的關(guān)系。H0=4π×10-7享/米相對磁導(dǎo)率=0r5、磁通Φ=NIRM磁阻R=lMs這稱為磁路的歐姆定律，由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，使用磁阻計(jì)算磁路并不方便，磁阻計(jì)算一般只用于定性。2/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)6、磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式B=F，磁感應(yīng)強(qiáng)度與力的關(guān)系。qv7、真空中無限長螺線管B=μnI。對于長螺線管，端面處的0B=1μnI。028、磁效率ψ43ψ4ⅠⅢ2ψ0ⅡI10電磁鐵工作循環(huán)圖當(dāng)電磁鐵接上電源，磁力還不足克服反力，按0～2的直線進(jìn)行磁化，達(dá)到期初始工作點(diǎn)2。當(dāng)磁力克服反力使氣隙減小直至為零時(shí)，工作點(diǎn)由2～3。斷電后工作點(diǎn)由3～0。面積Ⅰ為斷電后剩留的能量，面積Ⅱ?yàn)樽鞴η半姶盆F儲存的能量，面積Ⅲ為電磁鐵作的功。3/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)我們的目的是使Ⅰ和Ⅱ的面積最小，Ⅲ的面積最大。面積Ⅰ表示電磁鐵作完功后的剩磁，（1）減小面積Ⅰ可用矯頑力小的電鐵。（2）提高制造精度，使吸合后氣隙最小，但要防止銜鐵粘住。面積Ⅱ表示作功前所儲存的能量，在銜鐵位置一定時(shí)，取決于漏磁通，漏磁通大，面積Ⅱ就大。9、機(jī)械效率K=A1A0A：輸出的有效功A0：電磁鐵可能完成的最大功。10、重量經(jīng)濟(jì)性系數(shù)K=G2A0G=電磁鐵重量。A0：電磁鐵可能完成的最大功。K2不僅取決于磁效率和機(jī)械效率，而且還取決于磁性材料的正確利用，電磁鐵的類型和主要外形尺寸之間保持合理的比例關(guān)系。11、結(jié)構(gòu)系數(shù)Kφ每一類型的電磁鐵，都有一定的吸力和行程。按最優(yōu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的電磁鐵重量最輕。一般來說，長行程的電磁鐵比短行積的電磁鐵長，吸力大的電磁鐵比吸力小的電磁鐵外徑大。為了按最小材料消耗率比較電磁鐵，引入結(jié)構(gòu)系數(shù)K這個(gè)判據(jù)。J4/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)QK=φQ-初始吸力（kg）δ-氣隙長度（cm）Q正比于電磁鐵的橫截面；δ正比于電磁鐵的軸向長度。結(jié)構(gòu)系數(shù)可以從設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)求得。12、電磁鐵工作的過渡過程開始吸合iCAD完成吸合B吸合時(shí)間t電磁鐵吸合動態(tài)曲線接通電源后，電磁鐵從網(wǎng)絡(luò)吸收能量，這個(gè)能量部分變成線圈的發(fā)熱消耗，另一部分用來建立磁場，當(dāng)電流達(dá)到穩(wěn)定值后，磁場的能量不再增加，電磁鐵從電源吸收的能量全部消耗于線圈子的發(fā)熱上，磁場的能量用來產(chǎn)生吸力和作功。13、工作制（1）熱平衡公式5/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)τt均勻體的發(fā)熱曲線熱平衡公式：Pdt=CGdτ+μsτdt式中：Pdt供給以熱體的CGdτ-提高電磁鐵量。C-發(fā)熱體比熱G-發(fā)熱體質(zhì)量dτ-在dt時(shí)間內(nèi)電磁鐵較以前升高的溫度。量。μ-散熱系數(shù)。S-散功率和時(shí)間本身溫度的熱μsτdt-發(fā)散到周圍介質(zhì)中的熱熱面積。τ-電磁鐵散的功率時(shí)Pdt=0+μsτdt=μsτdt，即本身溫度為再升高，電磁鐵本身溫度不再升高。這時(shí)就可計(jì)τ。當(dāng)τ超過周圍介質(zhì)的溫度。當(dāng)輸入功率=發(fā)算產(chǎn)品的溫升值小于容許溫升，產(chǎn)品運(yùn)行是可靠的。當(dāng)τ大于容許溫升，www產(chǎn)品是不可靠的。（2）發(fā)熱時(shí)間常數(shù)發(fā)熱時(shí)間常τ=發(fā)熱體從τ=0發(fā)熱到溫升0.632τ時(shí)所需時(shí)yy間。4τ達(dá)到穩(wěn)定溫升。冷卻時(shí)間常數(shù)和發(fā)熱時(shí)間常數(shù)基本相同。6/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)（3）工作制分為：長期工作制、短期工作制和重復(fù)短期工作制。長期工作制:電器工作時(shí)間很長,一般不小于發(fā)熱時(shí)間常數(shù),工作期間，產(chǎn)品的溫度達(dá)到或接近溫升τ（產(chǎn)品溫度不高）。工作停再升y止后,產(chǎn)品的溫度又降到周圍介質(zhì)溫度。長期工作制散熱是主要的。長期工作制電流密度可按2～4A/mm2。短期工作制：電器工作時(shí)間很短,一般小于發(fā)熱時(shí)間常數(shù),工作期間，產(chǎn)品的溫度達(dá)不到溫升τ。工作停止后,產(chǎn)品的溫度又降到周圍y介質(zhì)溫度。短期工作制CGdτ（產(chǎn)品本身熱容）是主要的方面。短期工作制電流密度按13～30A/mm2。重復(fù)短期工作制：產(chǎn)品工作和停止交替進(jìn)行，工作時(shí)產(chǎn)品溫度達(dá)不到溫升τ停止時(shí)產(chǎn)品降不到周圍介質(zhì)溫度。y，重復(fù)短量工作制電流密度按5～12A/mm214、漆包線等的耐溫等級Y：90℃A；105℃QE：120℃QQQAQHQZ云母石棉QZYB：130℃F：155℃H：180℃C：＞180℃QYQXY輔助材料的耐熱等級B級聚酯薄膜C級聚四氟乙烯薄膜7/26

直流電磁鐵設(shè)計(jì)二、交、直流電磁鐵比較1、直流的NI是不變的，是恒磁動勢，吸力2、交流磁鏈ψ（磁通φ與線圈的一些匝數(shù)相交鏈ψ=Nφ）近似常數(shù)，F(xiàn)與間隙δ的平方成反比。是恒磁鏈磁路，吸力F與間隙δ關(guān)系不大。只是漏磁隨間隙δ的增加故間隙δ增大F減小。中可獲得邊平坦的吸力特性。而增加，3、直流螺管式電磁鐵4、導(dǎo)磁材料：直流整塊軟鋼或工程純鐵，交流用硅鋼片沖制疊鉚而成。5、鐵心形狀：直流為圓柱形，交流為矩形或圓形。6、鐵心分磁環(huán)：直流無，交流有。細(xì)而高，交流短而粗。有振動和噪音。如直流電磁鐵。7、線圈外形：直流8、振動9、交流電磁鐵情況：直流工作平穩(wěn)無振動，交流比較重，而且它的吸力特性不三、一個(gè)簡單電磁鐵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖四、電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式8/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)還有極化繼電器9/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)電磁鐵的最優(yōu)設(shè)計(jì)，在于合理選擇電磁鐵的型式。不同型式的電磁鐵有不同的吸力特性，盤式吸力大，適用于起重電磁鐵、電磁吸盤和電磁離合器；拍合式特性比較陡，廣泛用于接觸器和繼電器；螺管式，吸力特性比較平坦，用于長行程牽引和和制動電磁鐵；機(jī)床電器如接觸器、中間繼電器電器基本上都是E型。不同型式的電磁鐵適用于不同的場合，它們有不同的吸力特性。電磁鐵的線圈叫激磁線圈，按聯(lián)接方式分為串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)線圈稱為電流線圈，匝數(shù)少電流大(也叫電流繼電器)。并聯(lián)線圈稱為電壓線圈，匝數(shù)多，電阻大、電流小，匝間電壓高(也叫電壓繼電器)。五、直流電磁鐵的要求1、航空電磁鐵應(yīng)在下列條件下正常工作（1）周圍的的溫度從-60℃～+50℃，而耐熱的結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到+125℃。（2）大氣壓的變化由790～150mmHg。（3）相對濕度達(dá)98%。（4）飛機(jī)起飛、滑和跑著陸時(shí)的沖擊。（5）2500Hz以上的振動。（6）線還有電網(wǎng)壓降，工作持續(xù)時(shí)間，繞組溫升，最低作動電壓、作動時(shí)間、電壓和使用期限等。加速達(dá)8g以上。釋放此外還要求重量輕、尺寸小，并有良好的工藝性，用材少以及最少資金等要求。2、要保證電磁鐵可靠動作，在整個(gè)工作行程內(nèi)，吸力均大于反10/26

直流電磁鐵設(shè)計(jì)力。一般電磁鐵均選擇銜鐵釋放位置為設(shè)計(jì)點(diǎn),在該點(diǎn)應(yīng)保證吸力可以克服反力而使銜鐵動作。F吸力特性曲線反力特性曲線δ有時(shí)需根據(jù)電磁鐵的動作時(shí)間來確定電磁鐵的類型，對于快速執(zhí)行要求可達(dá)到3～4ms，如極化繼電器。對于慢速要求的可達(dá)300～500ms。為了獲得慢速要求，可采用帶短路環(huán)的拍合式和吸入式。3、直流電磁鐵的吸力B（1）Ｆ＝Ｓ（N）20式中：Ｓ－磁極總面積（ｍ）２Ｂ－氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）δS0（2）F=1（IN）×10-6（N）222式中：S和δ的單位為cm和cm2（3）吸力和氣隙的關(guān)系11/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)IN1FIN2IN3δF=f（δ）曲線IN1＞IN2＞IN3六、直流電磁鐵的計(jì)算（一）、電磁鐵的原始數(shù)據(jù)1、初始吸力QH（公斤）2、銜鐵的行程δH（厘米）3、容許溫升（℃）4、工作制：長期工作制τ=1；短時(shí)工作制τ＜1；重復(fù)短時(shí)工作制τ＜1。重復(fù)短時(shí)工作制還應(yīng)給出接通時(shí)間或循環(huán)時(shí)間。5、電磁鐵的工作電壓。（二）、計(jì)算Q1、按公式K=H計(jì)算結(jié)構(gòu)系數(shù)φH2、根據(jù)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)系數(shù)值,按表1確定導(dǎo)磁體類型12/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)表1電磁鐵類型Kφ盤式，銜鐵在外部吸入式，臺座為平頭拍合式大于9390～1626～2.6吸入式，臺座為45度錐形16～4吸入式，臺座為60度錐形4～1.8吸入式，無臺座小于0.23、按下面各表，確定長期工作制電磁鐵的氣隙磁通密度B和比δ值L=L（線圈的長高比）R2R1h表213/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)表3表414/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)表2、表3、表4、表5是電磁鐵長期工作的B，如果是δ制或反復(fù)短時(shí)工作制，應(yīng)加大短時(shí)工作10～15%。對于比值L=L（線圈子的長高比，也叫窗口尺寸），如R2R1h果吸力增大或行程減小，可減小此值。減小此值后，每匝線圈的平均長度增加，銅的用量增加，而導(dǎo)磁體的長度縮短了，鋼的用量減小。最優(yōu)設(shè)計(jì)的電磁鐵，此值為1～7。表5盤式和拍合式電磁鐵最優(yōu)磁通密度曲線（三）、初算根據(jù)電磁吸力公式QH=πB2R12（公斤）（1）50002式中B-氣隙中的磁通密度（高）δ15/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)50002Q由（1）式得R1=H（cm）（2）2B1、盤式和吸入式平頭電磁鐵的銜鐵半徑可直接用（2）式計(jì)算。2、吸入式錐臺座電磁鐵吸力Q=Qh2cos行程δ=δcos2αH式中α-錐度角吸入式錐臺座電磁鐵的銜鐵半徑將QH換成Q再按（2）式計(jì)算。3、拍合式電磁鐵2）算出極靴的半徑R1。對于鐵心的半徑RC可直接用公式（RC=R1BBCT式中：BCT=4000～12000根據(jù)電磁鐵σ=1.3～3要求的靈敏度,靈敏度高的選小值。16/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)δH拍合式電磁鐵的鐵心和銜鐵4、線圈的總磁動勢方程F=Bk0.4∑ctk=1.2～1.55ct試驗(yàn)表明，導(dǎo)磁體內(nèi)磁動勢占電磁鐵總磁動勢的10～25%，非工作氣隙中的磁動勢占總磁動勢的5～10%，則材料選擇最經(jīng)濟(jì)。F=F+F+F∑δCTφ式中：F-氣隙中的磁動勢δ17/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)F-導(dǎo)磁體中的磁動勢CTF-非工作氣隙中的磁動勢φ5、確定線圈的長度和高度（1）長度5F104LK=322KfKY式中：ρ-漆包線的電阻率θF-總磁勢τ-工作制系數(shù)K-散熱系數(shù)θ-溫升yfK-填充系數(shù)f表7K填充系數(shù)漆包線直徑（mm）手動繞線自動繞線0.440.4950.5350.380.480.540.570.30.4表8K-散熱系數(shù)18/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)L(2)R2=+R1KKLR2R1h=R2-R1K(3)R3=R12R2219/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)3RL6、拍合式電磁鐵外形尺寸計(jì)算（曲線圖上無）h（1）線圈的內(nèi)徑D=d+2△（m）e！c式中△-線圈和鐵心之間間隙。一般取0.0005～0.001（m）c(2)線圈的外徑D=(1.6～２)Ｄ（m）c2ｃ１DD(3)線圈的厚度b=c2c1（m）2(4)線圈的長L=βb（m）β:螺管式取β=7～８7、確定漆包線直徑(2R1h)Fd=0.2KUU-工作電壓。（四）、復(fù)算1、修正導(dǎo)磁體的尺寸和漆包線的徑20/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算中心出的導(dǎo)磁體尺寸，需要對其圓整。計(jì)算出的漆包線尺寸，會和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不一樣，需要按標(biāo)準(zhǔn)給出的漆包線直徑。2、確定繞組的層數(shù)、每層的匝數(shù)以及總匝數(shù)按線圈子的窗口尺寸、漆包線怕外徑（包括漆層）、層間絕緣層厚度等進(jìn)行曲計(jì)算。3、計(jì)算實(shí)際的填充系數(shù)fqW(R2R1)Lf=式中：q-漆包線的截面積W-線較總匝數(shù)4、計(jì)算線圈的電阻RLR=ρ0θq式中：線圈漆包線長度L=2πRcpW0Rcp=R1R225、線圈電流I=UR6、線圈磁勢F=IW∑7真正溫升θ2104θ=F2Kf(R2R1)LK溫升τ應(yīng)小于線圈所用材料的絕緣等級。如果超過允許溫升,說w明電流太大,應(yīng)增加匝數(shù)IN。而增加IN，就要修改線圈的長度和厚度21/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)等參數(shù)。8、確定吸力（1）麥克斯韋公式（適用于等效電磁鐵）Q=1.265×B2×R12×10-7(kg)δ(2)鐵心頭部為錐形R12+1sin2α)（kg）2Q=2.03×10-7F2(cos22七、其他問題1、漆包線電阻的計(jì)算阻率ρ=0.0175Ω.mm2/m。漆包線+20℃時(shí)的電漆包線+20℃時(shí)的電阻R=0.0175L20SL:漆包線長度mS:漆包線截面積mm2其他溫度時(shí)的電阻R=KR=0.0175KLTT20TSK=1+0.004(t-20)Tt℃9095100105110115120125130K1.281.31.321.341.361.381.41.421.44Tt℃135140145150155160165170175K1.461.481.51.521.541.561.581.61.62T2、漆包線長度的計(jì)算（1）、用近似公式計(jì)算線圈的平均匝長。如螺管式可用線圈高度中間的匝長作為平均匝長Lp。（2）、漆包線長度L=LpW22/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)W：匝數(shù)3、溫升計(jì)算公式溫升計(jì)算公式：T＝[（R-R）÷R]×（235＋t）211式中：R—環(huán)境溫度時(shí)直流電阻（Ω）；1R—通電一定時(shí)間后的直流電阻（Ω）；2t—產(chǎn)品環(huán)境溫度（℃）；T—產(chǎn)品溫升值（℃）。4、電磁鐵的動作時(shí)間t=t+tdmst-鐵心始動時(shí)間，即從線圈通電到鐵心開始動作的時(shí)間。式中：st-鐵心運(yùn)動時(shí)間，即鐵心開始運(yùn)動到最后吸合的時(shí)間d1）減小始動時(shí)間的方法（減小線圈的時(shí)間常數(shù)和減小電流（2）減小鐵心運(yùn)動時(shí)間的方法增大電壓；增加IN；（3）動作時(shí)間與輸入功率的關(guān)系tpsdst=pd在銜鐵行程、銜鐵質(zhì)量等參數(shù)不變的條件下，增加輸入功率，可減小銜鐵的動作時(shí)間。23/26直流電磁鐵設(shè)計(jì)iCADBt電磁鐵吸合動態(tài)曲線示例一、原始數(shù)據(jù)QH=24公斤δH=0.5厘米θY=70℃τ=0.1UH=24VθY=20℃二、初算1、有效功A=QHδH=24×0.5=12kgcm2、結(jié)構(gòu)系數(shù)值Kφ=H=24=9.8kg0.5/cmQ0.5H按所求的值,查表1,確定電磁鐵的類型為4