《电器学》课程设计-原稿

1 1 电磁铁的反力特性

电磁系统的衔铁在运动过程中要克服机械负载的作用力而做功，电磁系统的主要任务就是克服这种反作用力。机械负载性质的反作用力f F 与衔铁行程δ之间的关系)(δf F f =称为反力特性。反力特性与吸力特性实质上是矛盾的统一。对于一般的电磁系统来说，衔铁的吸合主要靠电磁吸力，其释放则主要靠反力作用。

常见的几种反力特性，如下几种图：图a 瞬时脱扣机构的反力特性、图b 起重性质负载的反力特性、图c 弹簧性质负载的反力特性、图d 、e 具有多级弹簧负载时的反力特性、图f 永久磁铁机构的反力特性

d

δ

δ

F F F F F F

图1-1电磁系统的反力特性

凡含电磁系统的电器，其静态吸力特性与反力特性配合的适当与否，是决定其动态、静态特性指标以及工作性能优劣的主要因素。吸力—反力特性配合还应保证电磁系统，特别是励磁线圈在电网电压的上限时不致过热。总之，对于继电特性的电气元件，其动作值、释放值以及返回系数乃至其寿命和工作可靠性，无不取决于吸力—反力特性的配合。

对于继电特性电器元件的要求就是：在动作电压（或电流）下，吸力特性应处处高于反力特性，而在释放电压（或电流）下，吸力特性则应处处低于反力特性，显然，采取这种配合方式，在吸合和释放过程中都不会发生中途被卡住的现象。如图1-2

F

图1-2 吸力反力特性的配合

3 2 选择设计点

电磁铁反力特性曲线如图2-1，反力特性曲线上任一点的反力与工作气隙值的乘积

)(δf F 越大，电磁铁工作越困难，因此应选择δf F 值最大的一点作为设计点，以0f F 和0δ表

示设计点的反力及工作气隙值。

要保证电磁铁可靠动作，静态吸力特性)(δf F x =必须在反力特性)(δf F f =的上面，如图2-2。开始设计时，由于吸力特性未知，故要选择一个设计点，一般电磁铁都选择衔铁在释放位置的a 点作为设计点，在该点应该保证吸力可以克服反力而使衔铁动作，衔铁打开位置的吸力称为初始吸力，以及0δ和0F 表示设计点的气隙和吸力。对于接触器使用的电磁铁，由于主触头刚接触处，反力特性有一突跳点，这一点上电磁铁工作最频繁，必须取b 点为设计点。

设计点上的0F ，可由已知反力特性上对应0δ的反力0f F 来确定。为了使电磁铁工作可靠，往往引入一个安全系数0k ，则吸力值0F 为：

000f F k F ⨯= （2-1）

系数0k 为考虑计算和制造中产生的偏差所加的安全欲度。0k 的值在不同情况下变化很

大，它应根据具体情况而定，一下推荐一些数据作为设计中参考：对快速继电器，

4~30=k ；对小功率继电器，3~20=k ；对控制继电器和电磁阀，2~5.10=k ；对接触器和磁力起动器，5.1~2.10=k ；对牵引电磁铁和制动电磁铁，2.1~1.10=k 。当电器的制造工艺稳定时，

0k 取较小值，反之，应该较大值。

a

b f

F

图2-1 按电磁铁反力特性选择设计点

f

X F F ,

图2-2 电磁铁吸力与反力特性

5 3 选择电磁铁的结构形式

3.1从特性配合来选择电磁铁的结构形式

选择电磁铁的结构形式应从电磁铁的工作任务及反力特性，例如，对于不要求速度动作的接触器电磁铁，应使吸力特性形状尽量与反力特性形状一致，在衔铁吸合过程中，吸力特性应高于反力特性，但两则之间所夹面积应比较小，以减少动作功率和材料消耗，提高电器寿命。对于要求速度动作的电磁铁，则吸力特性应远高于反力特性，以减少动作时间。

3.2用结构因数来选择电磁铁的结构形式

按电磁铁的特性配合初选电磁铁的结构形式之后，在计算结构因数ΦK ,来减产所旋结构形状时候恰当, ΦK 按下式计算：

00/δF K =Φ （3-1）

由已知知N F f 5.240=,m 30106-⨯=δ

对接触器和磁力起动器而言，安全系数5.1~2.10=k ，故取2.10=k 由（2-1）式得：

N

F k F f 4.295.242.1000=⨯=⨯=

由（3-1）式得：

cm N F K /04.96.0/4.29/5.000===Φδ

从大量电磁铁设计资料中的知，各种不同形式的电磁铁，都有一个最适宜的ΦK 值，见表3-1所示，在此范围内，可以使电磁铁做单位机械功所需要材料重量最小；按所计算出的ΦK 值可以从表中找出最适宜的电磁铁结构形式，再根据电磁铁工作任务最后确定其结构形式。

表3-1 各种直流电磁铁最适宜的

值

由3-1表得知，采用U 形拍合式比较合理，电磁铁的结构如图3-1

e

b x

b

图3-1 直流拍合式电磁铁

7 4直流电磁铁的初步设计

4.1计算铁心半径

由ΦK 查图4-1得工作气隙磁通密度T B 235.0=δ，

图4-1 选取工作气隙磁通密度的曲线 a —U 形拍合式 b —平面磁极螺管式

由表4-1查得选择比值系数8.1=p

在初步设计时，可以用麦克斯韦公式计算电磁铁的吸力，即：

02

2/μδS B F x = (4-1)

设计点吸力为0F ,即：

0F F x = （4-2）

本次课程设计设计的电磁铁带极靴，磁极面积S 等于极靴面积，即：

2

P

r S ⨯=π (4-3)

p 为电磁铁极靴的比值系数，c p r r p /=，即：

c p r p r ⨯= （4-4）

将式（4-2）（4-3）（4-4）代入（4-1）中，即：

2

2

002p B F r c δπμ= （4-5）

由式（4-5）计算铁心半径为：

2

2622

00235.08.14.291025.122⨯⨯⨯⨯⨯==-ππμδp B F r c

cm 14.1=

4.2计算极靴尺寸

由（4-4）式得：

cm cm r p r c p 1.2052.214.18.1≈=⨯=⨯=

极靴厚度公式为：

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-≥2

112p r h c

p （4-6） 由式（4-6）计算极靴厚度为：

cm p r h c p 394.08.111214.111222=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-≥