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=S

Φ（T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ）

3、磁场强度H=L

NI （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μ=H

B 建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 μ0=4π×10-7享/米 相对磁导率μr =

μμ 5、 磁通Φ=M R NI 磁阻R M =s

l μ 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=qv

F ，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=2

1μ0nI 。

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

A

K1=

A

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

G

K2=

A

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K J这个判据。

Q

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。

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

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℃ QQ QA QH

B：130℃ QZ 云母石棉F：155℃ QZY

H：180℃

C：＞180℃ QY QXY

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。

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