直流電磁鐵設(shè)計.doc

1、直流電磁鐵設(shè)計共26頁編寫：校對：直流電磁鐵設(shè)計電磁鐵是一種執(zhí)行元件，它輸入的是電能，輸出的是機械能。電能和機械能的變換是通過具體的電磁鐵結(jié)構(gòu)來實現(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)計的任務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)是一個相當復雜的任務，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動態(tài)過程 , 設(shè)計是以靜態(tài)進行計算 . 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該公式適用于粗細均勻的磁路4、磁導率= B

2、建立了磁場強度和磁感應強度（磁通密度）的關(guān)系 。H0=410-7 享/ 米相對磁導率r =05、磁通 = NIRM磁阻 RM = ls這稱為磁路的歐姆定律，由于鐵磁材料的磁導率不是常數(shù)，使用磁阻計算磁路并不方便，磁阻計算一般只用于定性。6、磁感應強度的定義式B= F ，磁感應強度與力的關(guān)系。qv7、真空中無限長螺線管B=0nI。對于長螺線管，端面處的B= 1 0nI。28、磁效率43 4 0201電磁鐵工作循環(huán)圖I當電磁鐵接上電源， 磁力還不足克服反力， 按 02 的直線進行磁化，達到期初始工作點2。當磁力克服反力使氣隙減小直至為零時，工作點由 23。斷電后工作點由30。面積為斷電后剩留的能量

3、，面積為作功前電磁鐵儲存的能量，面積為電磁鐵作的功。我們的目的是使和的面積最小，的面積最大。面積表示電磁鐵作完功后的剩磁，（1）減小面積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。面積表示作功前所儲存的能量，在銜鐵位置一定時，取決于漏磁通，漏磁通大，面積就大。9、機械效率K1=AA0A：輸出的有效功A0 ：電磁鐵可能完成的最大功。10、重量經(jīng)濟性系數(shù)K2=GA0G=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) K每一類型的電磁鐵， 都有

4、一定的吸力和行程。 按最優(yōu)設(shè)計方法設(shè)計的電磁鐵重量最輕。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)KJ 這個判據(jù)。K =QQ-初始吸力（ kg）- 氣隙長度（ cm）Q正比于電磁鐵的橫截面；正比于電磁鐵的軸向長度。結(jié)構(gòu)系數(shù)可以從設(shè)計的原始數(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，當電流達到穩(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

5、能量用來產(chǎn)生吸力和作功。13、工作制（1）熱平衡公式均勻體的發(fā)熱曲線熱平衡公式： Pdt=CGd+sdt式中： Pdt 供給以熱體的功率和時間tCGd- 提高電磁鐵本身溫度的熱量。C-發(fā)熱體比熱G-發(fā)熱體質(zhì)量d - 在 dt 時間內(nèi)電磁鐵較以前升高的溫度。 sdt- 發(fā)散到周圍介質(zhì)中的熱量。 - 散熱系數(shù)。 S-散熱面積。 - 電磁鐵超過周圍介質(zhì)的溫度。當輸入功率 =發(fā)散的功率時 Pdt=0+sdt= sdt ，即本身溫度為再升高，電磁鐵本身溫度不再升高。 這時就可計算產(chǎn)品的溫升值 w。當 w小于容許溫升，產(chǎn)品運行是可靠的。當 w大于容許溫升，產(chǎn)品是不可靠的。（2）發(fā)熱時間常數(shù)發(fā)熱時間常 y=

6、發(fā)熱體從 =0 發(fā)熱到溫升0.632 y 時所需時間。 4達到穩(wěn)定溫升。冷卻時間常數(shù)和發(fā)熱時間常數(shù)基本相同。（3） 工作制分為：長期工作制、短期工作制和重復短期工作制。長期工作制 : 電器工作時間很長 , 一般不小于發(fā)熱時間常數(shù), 工作期間，產(chǎn)品的溫度達到或接近溫升y（產(chǎn)品溫度不再升高） 。工作停止后 , 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。2長期工作制電流密度可按24A/mm。短期工作制：電器工作時間很短 , 一般小于發(fā)熱時間常數(shù) , 工作期間，產(chǎn)品的溫度達不到溫升 y。工作停止后 , 產(chǎn)品的溫度又降到周圍介質(zhì)溫度。短期工作制 CGd（產(chǎn)品本身熱容）是主要的方面。2短期工作

7、制電流密度按1330A/mm。重復短期工作制： 產(chǎn)品工作和停止交替進行， 工作時產(chǎn)品溫度達不到溫升 y，停止時產(chǎn)品降不到周圍介質(zhì)溫度。2重復短量工作制電流密度按 512A/mm 14、漆包線等的耐溫等級Y：90A；105QE：120QQ QAQHB：130QZ云母石棉F：155QZYH：180C： 180QYQXY輔助材料的耐熱等級B 級聚酯薄膜C 級聚四氟乙烯薄膜二、交、直流電磁鐵比較1、直流的 NI 是不變的，是恒磁動勢，吸力 F 與間隙 的平方成反比。2、交流磁鏈 （磁通 與線圈的一些匝數(shù)相交鏈 =N）近似常數(shù)，是恒磁鏈磁路， 吸力 F 與間隙 關(guān)系不大。 只是漏磁隨間隙 的增加而增加，

8、故間隙 增大 F 減小。3、直流螺管式電磁鐵中可獲得邊平坦的吸力特性。4、導磁材料：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。7、線圈外形：直流細而高，交流短而粗。8、振動情況：直流工作平穩(wěn)無振動，交流有振動和噪音。9、交流電磁鐵比較重，而且它的吸力特性不如直流電磁鐵。三、一個簡單電磁鐵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖四、電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式還有極化繼電器電磁鐵的最優(yōu)設(shè)計， 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

9、式，吸力特性比較平坦，用于長行程牽引和和制動電磁鐵；機床電器如接觸器、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)應達到 +125。（ 2）大氣壓的變化由 790150mmHg。（ 3）相對濕度達 98%。（ 4）飛機起飛、滑跑和著陸時的沖擊。（ 5）2

10、500Hz 以上的振動。（ 6）線加速達 8g 以上。還有電網(wǎng)壓降，工作持續(xù)時間，繞組溫升，最低作動電壓、作動時間、釋放電壓和使用期限等。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，在整個工作行程內(nèi)，吸力均大于反力。一般電磁鐵均選擇銜鐵釋放位置為設(shè)計點, 在該點應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有時需根據(jù)電磁鐵的動作時間來確定電磁鐵的類型，對于快速執(zhí)行要求可達到3 4ms，如極化繼電器。對于慢速要求的可達300500ms。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（ 1） B（ N）20

11、式中：磁極總面積（）氣隙磁感應強度（ T）0S（ 2）F=1 （IN）2210-6 （N）22式中： S和的單位為 cm 和 cmIN1FIN2IN3F=f（ ）曲線IN1IN2IN3六、直流電磁鐵的計算（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 H （厘米）3、容許溫升（）4、工作制：長期工作制 =1；短時工作制 1；重復短時工作制 1。重復短時工作制還應給出接通時間或循環(huán)時間。5、電磁鐵的工作電壓。（二）、計算1、按公式 K =QH 計算結(jié)構(gòu)系數(shù)H2、根據(jù)計算出的結(jié)構(gòu)系數(shù)值,按表 1 確定導磁體類型表 1電磁鐵類型K 盤式，銜鐵在外部大于 93吸入式，臺座為平頭9016

12、拍合式262.6吸入式，臺座為45 度錐形164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 和比值L=L（線圈的長高比）R2R1h表 2表 3表 4表 2、表 3、表 4、表 5 是電磁鐵長期工作的B，如果是短時工作制或反復短時工作制，應加大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，而導磁體的長度縮短了，鋼的用量減小。最優(yōu)設(shè)計的電磁鐵，此值為 17。表 5盤式和拍合式電磁鐵最優(yōu)磁通密度曲線（三）、初算2

13、2根據(jù)電磁吸力公式 QH = BR12 （公斤）（1）5000式中 B-氣隙中的磁通密度（高）2由（ 1）式得 R1=50002 QH （ cm）（2）B1、盤式和吸入式平頭電磁鐵的銜鐵半徑可直接用（2）式計算。2、吸入式錐臺座電磁鐵Qh吸力 Q= cos2行程 =Hcos2式中 -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）式計算。3、拍合式電磁鐵可直接用公式（ 2）算出極靴的半徑R1。對于鐵心的半徑RCRC=R1BBCT式中： B CT=400012000根據(jù)電磁鐵要求的靈敏度,靈敏度高的選小值。 =1.3 3H拍合式電磁鐵的鐵心和銜鐵4、線圈的總磁動勢方程F= Bkc

14、t0.4kct =1.2 1.55試驗表明，導磁體內(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510%，則材料選擇最經(jīng)濟。F=F+FCT+F式中： F - 氣隙中的磁動勢FCT- 導磁體中的磁動勢F - 非工作氣隙中的磁動勢5、確定線圈的長度和高度（1）長度LK=35 F 210 42Kf KY式中： -漆包線的電阻率F-總磁勢 -工作制系數(shù)K- 散熱系數(shù) y-溫升fK -填充系數(shù)表 7f K 填充系數(shù)漆包線直徑（ mm）手動繞線自動繞線0.10.440.380.150.4950.20.5350.480.30.540.40.57表 8K-散熱系數(shù)(2)R2=LK+R

15、1LKR2R1hK=R2-R1(3)R3=R12R223R6、拍合式電磁鐵外形尺寸計算（曲線圖上無L ）h（1）線圈的內(nèi)徑 De！ =d+2c（m）式中 c- 線圈和鐵心之間間隙。一般取0.0005 0.001 （m）(2) 線圈的外徑 Dc2=(1.6 ) （m）(3) 線圈的厚度 b= D c 2 D c1 （m）2(4) 線圈的長 L= b（m） : 螺管式取 =77、確定漆包線直徑d=0.2(2R1 hK )FUU- 工作電壓。（四）、復算1、修正導磁體的尺寸和漆包線的徑計算中心出的導磁體尺寸，需要對其圓整。計算出的漆包線尺寸，會和標準規(guī)定的不一樣，需要按標準給出的漆包線直徑。2、確定

16、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行曲計算。3、計算實際的填充系數(shù)fqWf=(R2R1) L式中： q-漆包線的截面積W-線較總匝數(shù)4、計算線圈的電阻RR= L0q式中：線圈漆包線長度L0=2RcpWR1R2Rcp=5、線圈電流I= UR6、線圈磁勢F=IW7 真正溫升 =F210 42Kf K (R2 R1) L溫升 w應小于線圈所用材料的絕緣等級。如果超過允許溫升 , 說明電流太大 , 應增加匝數(shù) IN。而增加 IN，就要修改線圈的長度和厚度等參數(shù)。8、確定吸力（1）麥克斯韋公式（適用于等效電磁鐵）Q=1.265B2R1210-

17、7 (kg)(2)鐵心頭部為錐形-72R1212Q=2.0310 F (2 cos2+2sin)（kg）七、其他問題1、漆包線電阻的計算2漆包線 +20時的電阻率 =0.0175 .mm/m。漆包線 +20時的電阻 R20=0.0175 LSL: 漆包線長度 m S:漆包線截面積 mm2其他溫度時的電阻RT =KTR20=0.0175KT LSKT =1+0.004(t-20)t 9095100105110115120125130K1.281.31.321.341.361.381.41.421.44Tt 135140145150155160165170175KT1.461.481.51.521

18、.541.561.581.61.622、漆包線長度的計算（ 1）、用近似公式計算線圈的平均匝長。 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=LpWW ：匝數(shù)3、溫升計算公式溫升計算公式： T （R2-R1） R1 （ 235t ）式中：R1 環(huán)境溫度時直流電阻（ ）；R2 通電一定時間后的直流電阻（）；t 產(chǎn)品環(huán)境溫度（）；T 產(chǎn)品溫升值（）。4、電磁鐵的動作時間t m=t s+t d式中： t s- 鐵心始動時間，即從線圈通電到鐵心開始動作的時間。t d- 鐵心運動時間，即鐵心開始運動到最后吸合的時間（ 1）減小始動時間的方法減小線圈的時間常數(shù)和減小電流（ 2）減小鐵心運動時間的方法增大電壓；增加 IN；（ 3）動作時間與輸入功率的關(guān)系tspdtd=p s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間。iCADBt電磁鐵吸合動態(tài)曲線示例一、原始數(shù)據(jù)QH=24 公斤 H=0.5 厘米 Y =70 =0.1UH =24V Y=20二、初算1、有效功 A= Q H H=240.5=12kgcm2、結(jié)構(gòu)系數(shù)值K =QH = 24 =9.8kg0.5/cmH 0.5