《電器學(xué)》課程設(shè)計(jì)-原稿

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)電器學(xué)課程設(shè)計(jì)1電磁鐵的反力特性電磁系統(tǒng)的銜鐵在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服機(jī)械負(fù)載的作用力而做功，電磁系統(tǒng)的主要任務(wù)就是克服這種反作用力。機(jī)械負(fù)載性質(zhì)的反作用力與銜鐵行程之間的關(guān)系稱為反力特性。反力特性與吸力特性實(shí)質(zhì)上是矛盾的統(tǒng)一。對(duì)于一般的電磁系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，銜鐵的吸合主要靠電磁吸力，其釋放則主要靠反力作用。 常見(jiàn)的幾種反力特性，如下幾種圖：圖a瞬時(shí)脫扣機(jī)構(gòu)的反力特性、圖b起重性質(zhì)負(fù)載的反力特性、圖c彈簧性質(zhì)負(fù)載的反力特性、圖d、e具有多級(jí)彈簧負(fù)載時(shí)的反力特性、圖f永久磁鐵機(jī)構(gòu)的反力特性圖1-1電磁系統(tǒng)的反力特性 凡含電磁系統(tǒng)的電器，其靜態(tài)吸力特性與反力特性配合的適當(dāng)與否，是決定其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)

2、特性指標(biāo)以及工作性能優(yōu)劣的主要因素。吸力反力特性配合還應(yīng)保證電磁系統(tǒng)，特別是勵(lì)磁線圈在電網(wǎng)電壓的上限時(shí)不致過(guò)熱?？傊?，對(duì)于繼電特性的電氣元件，其動(dòng)作值、釋放值以及返回系數(shù)乃至其壽命和工作可靠性，無(wú)不取決于吸力反力特性的配合。對(duì)于繼電特性電器元件的要求就是：在動(dòng)作電壓（或電流）下，吸力特性應(yīng)處處高于反力特性，而在釋放電壓（或電流）下，吸力特性則應(yīng)處處低于反力特性，顯然，采取這種配合方式，在吸合和釋放過(guò)程中都不會(huì)發(fā)生中途被卡住的現(xiàn)象。如圖1-2圖1-2 吸力反力特性的配合 2 選擇設(shè)計(jì)點(diǎn) 電磁鐵反力特性曲線如圖2-1，反力特性曲線上任一點(diǎn)的反力與工作氣隙值的乘積越大，電磁鐵工作越困難，因此應(yīng)選擇值

3、最大的一點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，以和表示設(shè)計(jì)點(diǎn)的反力及工作氣隙值。 要保證電磁鐵可靠動(dòng)作，靜態(tài)吸力特性必須在反力特性的上面，如圖2-2。開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，由于吸力特性未知，故要選擇一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，一般電磁鐵都選擇銜鐵在釋放位置的點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，在該點(diǎn)應(yīng)該保證吸力可以克服反力而使銜鐵動(dòng)作，銜鐵打開(kāi)位置的吸力稱為初始吸力，以及和表示設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣隙和吸力。對(duì)于接觸器使用的電磁鐵，由于主觸頭剛接觸處，反力特性有一突跳點(diǎn)，這一點(diǎn)上電磁鐵工作最頻繁，必須取點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)點(diǎn)上的，可由已知反力特性上對(duì)應(yīng)的反力來(lái)確定。為了使電磁鐵工作可靠，往往引入一個(gè)安全系數(shù)，則吸力值為： （2-1）系數(shù)為考慮計(jì)算和制造中產(chǎn)生的偏差所加的安全欲度。

4、的值在不同情況下變化很大，它應(yīng)根據(jù)具體情況而定，一下推薦一些數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)中參考：對(duì)快速繼電器，；對(duì)小功率繼電器，；對(duì)控制繼電器和電磁閥，；對(duì)接觸器和磁力起動(dòng)器，；對(duì)牽引電磁鐵和制動(dòng)電磁鐵，。當(dāng)電器的制造工藝穩(wěn)定時(shí)， 取較小值，反之，應(yīng)該較大值。圖2-1 按電磁鐵反力特性選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)圖2-2 電磁鐵吸力與反力特性3 選擇電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式3.1從特性配合來(lái)選擇電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式 選擇電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)從電磁鐵的工作任務(wù)及反力特性，例如，對(duì)于不要求速度動(dòng)作的接觸器電磁鐵，應(yīng)使吸力特性形狀盡量與反力特性形狀一致，在銜鐵吸合過(guò)程中，吸力特性應(yīng)高于反力特性，但兩則之間所夾面積應(yīng)比較小，以減少動(dòng)作功率和材料消耗

5、，提高電器壽命。對(duì)于要求速度動(dòng)作的電磁鐵，則吸力特性應(yīng)遠(yuǎn)高于反力特性，以減少動(dòng)作時(shí)間。3.2用結(jié)構(gòu)因數(shù)來(lái)選擇電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式按電磁鐵的特性配合初選電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式之后，在計(jì)算結(jié)構(gòu)因數(shù),來(lái)減產(chǎn)所旋結(jié)構(gòu)形狀時(shí)候恰當(dāng), 按下式計(jì)算： （3-1）由已知知,對(duì)接觸器和磁力起動(dòng)器而言，安全系數(shù)，故取由（2-1）式得：由（3-1）式得： 從大量電磁鐵設(shè)計(jì)資料中的知，各種不同形式的電磁鐵，都有一個(gè)最適宜的值，見(jiàn)表3-1所示，在此范圍內(nèi)，可以使電磁鐵做單位機(jī)械功所需要材料重量最小；按所計(jì)算出的值可以從表中找出最適宜的電磁鐵結(jié)構(gòu)形式，再根據(jù)電磁鐵工作任務(wù)最后確定其結(jié)構(gòu)形式。表3-1 各種直流電磁鐵最適宜的值序號(hào)電

6、磁鐵形式/()1單U形拍合式2單E形直動(dòng)式或單U形直動(dòng)式3裝甲螺管式（鐵心平頂）4裝甲螺管式（鐵心錐頂）5裝甲螺管式（鐵心錐頂）6裝甲螺管式（無(wú)擋鐵）由3-1表得知，采用U形拍合式比較合理，電磁鐵的結(jié)構(gòu)如圖3-1圖3-1 直流拍合式電磁鐵 4直流電磁鐵的初步設(shè)計(jì)4.1計(jì)算鐵心半徑由查圖4-1得工作氣隙磁通密度，圖4-1 選取工作氣隙磁通密度的曲線aU形拍合式 b平面磁極螺管式由表4-1查得選擇比值系數(shù)表4-1 比值系數(shù)的推薦值比值系數(shù)拍合式電磁鐵螺管式電磁鐵小尺寸大尺寸短行程長(zhǎng)行程 在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以用麥克斯韋公式計(jì)算電磁鐵的吸力，即： (4-1)設(shè)計(jì)點(diǎn)吸力為,即： （4-2）本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

7、的電磁鐵帶極靴，磁極面積等于極靴面積，即： (4-3)為電磁鐵極靴的比值系數(shù)，即： （4-4）將式（4-2）（4-3）（4-4）代入（4-1）中，即： （4-5）由式（4-5）計(jì)算鐵心半徑為：4.2計(jì)算極靴尺寸 由（4-4）式得：極靴厚度公式為： （4-6）由式（4-6）計(jì)算極靴厚度為： 故取極靴厚度為4.3計(jì)算線圈磁動(dòng)勢(shì)電磁鐵的線圈磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于各部分壓降之和，即： （4-7） 在初步設(shè)計(jì)時(shí)，電磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸尚未確定，所以及無(wú)法確定設(shè)： （4-8）將式（4-8）代入（4-7）中，即： （4-9）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)點(diǎn)在銜鐵打開(kāi)位置時(shí)，；設(shè)計(jì)點(diǎn)在主觸頭剛接觸位置時(shí)。若將式（4-8）中的工作氣隙磁通

8、值用代替，而值是線圈電壓為下限值時(shí)的工作氣隙磁通密度，則磁動(dòng)勢(shì)也為線圈電壓下限時(shí)的線圈磁動(dòng)勢(shì)，用表示，即： (4-10)而 (4-11)將式（4-11）代入（4-10）得： （4-12）若要求在線圈額定電壓下的線圈磁動(dòng)勢(shì)，可按下式計(jì)算： (4-13)為線圈電壓下限，一般。 根據(jù)（4-7）式，假設(shè)非工作氣隙和鐵心部分磁壓降占總磁勢(shì)，得： 為了保證電壓降低至后，電磁鐵仍能可靠工作，上式計(jì)算得到的磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)為時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)，這里用表示。計(jì)算線圈溫升時(shí)，應(yīng)該考慮到電壓可能升至，這時(shí)線圈的磁動(dòng)勢(shì)為：4.4計(jì)算線圈尺寸絕緣耐熱等級(jí)一般分為：A級(jí)，E級(jí)，B級(jí)，F(xiàn)級(jí)，H級(jí)，C級(jí)。各級(jí)的絕緣系統(tǒng)溫度和對(duì)應(yīng)溫升如4-2

9、表表4-2 絕緣耐熱等級(jí)分布表絕緣耐熱等級(jí)絕緣系統(tǒng)溫度對(duì)應(yīng)溫升A10560E12075B13080F155100H180125C220150 由于本次設(shè)計(jì)中線圈耐熱等級(jí)為：A級(jí)絕緣，環(huán)境溫度為30 ，所以溫升,由于本次設(shè)計(jì)中工作制為反復(fù)短時(shí)工作制，所以線圈的計(jì)算公式為： （4-14）查表4-1取比值系數(shù)；線圈發(fā)熱溫度為結(jié)構(gòu)上線圈與鐵心間熱傳導(dǎo)良好，查表4-3得散熱系數(shù)；初步設(shè)計(jì)中取線圈填充系數(shù)；采用無(wú)骨架線圈，??；表4-4得發(fā)熱溫度為時(shí)銅的電阻率。反復(fù)短時(shí)工作制線圈的功率過(guò)載系數(shù)為： (4-15) 式（4-14）中的為線圈表面綜合散熱系數(shù)與線圈外表面綜合散熱系數(shù)之比值。 可按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。?/p>

10、對(duì)于用導(dǎo)熱性不好的絕緣材料作骨架的線圈，；無(wú)骨架的線圈，其內(nèi)表面散熱能力與外表面散熱能力比較接近時(shí)，；繞在金屬套上的線圈，內(nèi)表面散熱效果較好，；直接繞在鐵心上的線圈，因?yàn)榫€圈和鐵心緊密接觸，大部分的熱量從內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)散出，。表4-3 線圈表面綜合散熱系數(shù)線圈溫升/K線圈與鐵心間導(dǎo)熱良好線圈與鐵心導(dǎo)熱不良4011.069.844511.2010.015011.4110.195511.6210.376011.8010.546512.0410.727012.2510.998012.6811.35表4-4 各種溫度下銅的電阻率發(fā)熱溫度2035458090100105110120140電阻率1.751.8

11、622.22.242.32.342.372.442.58 由式（4-15）得：由式（4-14）得： 線圈的厚度公式為： （4-16） 線圈的外半徑公式為： （4-17） 由式（4-16）得線圈的厚度為： 由式（4-17）得線圈的外半徑為：4.5計(jì)算線圈的導(dǎo)線直徑和匝數(shù)直流電壓線圈，線圈的電路方程為： (4-18) 將式（4-18）整理得出導(dǎo)體直徑公式為： (4-19) 為線圈的磁通勢(shì)，與線圈電壓相對(duì)應(yīng)的磁通勢(shì)，若，則線圈導(dǎo)線直徑求出后，可利用線圈填充系數(shù)的公式，推出計(jì)算線圈匝數(shù)的公式，即： （4-20） 將式（4-20）整理后得出線圈匝數(shù)公式為： （4-21） 線圈電阻公式為： （4-22）

12、線圈內(nèi)徑為： （4-23）在時(shí)線圈的磁動(dòng)勢(shì),按式（4-19）得導(dǎo)體直徑為： 導(dǎo)體直徑應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線徑，根據(jù)計(jì)算值選擇最鄰近的標(biāo)準(zhǔn)直徑 由式（4-21）計(jì)算線圈匝數(shù)為： 按表4-4得時(shí)銅的電阻率，忽略線圈內(nèi)圓與鐵心間隙，即取，則按式（4-22）得線圈電阻為： 當(dāng)電壓為時(shí)，實(shí)際線圈磁動(dòng)勢(shì)為：4.6計(jì)算磁軛尺寸 通常取銜鐵的寬度和鐵軛的寬度相等，并等于或大于線圈外徑，可按下式計(jì)算： （4-24） 一般取 鐵軛的截面積一般大于鐵心面積，以使鐵軛的磁通密度低于鐵心，達(dá)到見(jiàn)笑線圈磁動(dòng)勢(shì)的目的，故鐵軛截面積可按下式計(jì)算： （4-25）鐵軛厚度可按下式計(jì)算： （4-26） 采用矩形截面磁軛，且忽略和，

13、即取，按式（4-24）、（4-25）、（4-26）計(jì)算磁軛截面積和尺寸分別為：4.7計(jì)算磁靴尺寸 銜鐵的截面積可以取得比鐵心截面積小，因?yàn)榕暮鲜诫姶盆F的漏磁通不經(jīng)過(guò)銜鐵，因此銜鐵面積計(jì)算公式為： （4-27） 銜鐵的厚度為： （4-28） 取銜鐵寬度與磁軛寬度相同： 銜鐵截面積為： 銜鐵厚度為：4.8繪制電磁鐵結(jié)構(gòu) 經(jīng)過(guò)上式的計(jì)算得出拍合式直流電磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖4-2圖4-2 拍合式直流電磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸5 電磁鐵的性能驗(yàn)算5.1計(jì)算線圈電阻 線圈電阻公式為： （5-1） 線圈內(nèi)徑為： （5-2） 按表4-4得時(shí)銅的電阻率，忽略線圈內(nèi)圓與鐵心間隙，即取，則按式（5-1）得線圈電阻：5.2計(jì)算

14、線圈溫升 用牛頓公式驗(yàn)算，線圈結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定，故線圈散熱面積為： （5-3） 反復(fù)短時(shí)工作制的線圈發(fā)熱功率為： (5-4)線圈外表面散熱系數(shù)可按表4-3查到，則反復(fù)工作制的線圈穩(wěn)定溫升為： (5-5) 將式（5-3）、（5-4）、（5-5）整理之后得： 驗(yàn)算得出的線圈溫升低于絕緣材料耐熱等級(jí)的極限允許溫升，并留有適當(dāng)?shù)臏厣６?，則下怒請(qǐng)安溫升合格。5.3計(jì)算線圈磁動(dòng)勢(shì)在線圈電壓為下限值時(shí)的線圈磁動(dòng)勢(shì)為: (5-6)由上述所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得：在線圈電壓為額定電壓時(shí)的線圈磁動(dòng)勢(shì)為: (5-7)由上述所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得：5.4計(jì)算吸力及等效磁路 由達(dá)拉第和麥克斯韋提出的磁力線概念：即沿磁力

15、線方向有張力，與磁力線垂直方向有壓力，推導(dǎo)出的麥克斯韋公式為： （5-8）對(duì)于鐵磁性物體，由于，磁極表現(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量均近似垂直于積分面積，即 （5-9）若磁力線面積 的磁力線分布是均勻的，則式（5-8）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： （5-10）在電磁鐵的工作氣隙，磁通,則電磁吸力為： （5-11）由于,，將其代入式（5-11）得吸力為： 在設(shè)計(jì)點(diǎn)處，能夠保證吸力克服反力而使銜鐵動(dòng)作，故本次設(shè)計(jì)中滿足吸力特性要求。由設(shè)計(jì)電磁鐵知，拍合式直流電磁鐵的等效電路如圖5-2，根據(jù)計(jì)算繪出吸力特性曲線如圖5-1圖5-1 吸力特性曲線a吸力曲線 b吸力曲線 c吸力曲線 d反力特性曲線圖5-2 拍合式直流電磁鐵的等

16、效磁路5.5計(jì)算電磁鐵的重量及經(jīng)濟(jì)重量 電磁鐵所需要材料重量是電磁鐵的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是評(píng)判電磁鐵設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，在電磁鐵性能驗(yàn)算合格后，應(yīng)計(jì)算電磁鐵的重量。 銅的重量公式為： （5-12） 銅的密度，經(jīng)計(jì)算得到線圈平均匝長(zhǎng)，導(dǎo)線直徑，將其代入式（5-12）中得銅的重量為： 導(dǎo)磁體的重量計(jì)算公式為： （5-13） 鐵的密度，經(jīng)計(jì)算得到導(dǎo)磁體的體積大概約為，將其代入式（5-13）得鐵的重量： 電磁鐵的總重量計(jì)算公式為： （5-14） 將上述計(jì)算的結(jié)果代入式（5-14）得： 電磁鐵的經(jīng)濟(jì)重量，為了便于比較，將電磁鐵總質(zhì)量除以它所做的機(jī)械功稱為經(jīng)濟(jì)重量，即電磁鐵做單位機(jī)械功所用的材料重量： (5-15

17、) 將上述計(jì)算的數(shù)據(jù)代入其式（5-15）中得： 經(jīng)濟(jì)重量的大小隨工作氣隙值變化，并有一個(gè)最小值。6 結(jié)論 電磁繼電器吸力特性和反力特性的配合好壞，可以判斷電磁鐵的工作情況。二者良好地配合，就能很好帶動(dòng)機(jī)構(gòu)，即被控對(duì)象，并且不產(chǎn)生大的撞擊。它關(guān)系到電磁繼電器工作的可靠和壽命的延長(zhǎng)。通過(guò)已知的鐵芯參數(shù)等計(jì)算并畫(huà)出該電磁鐵的反力特性，并據(jù)此確定設(shè)計(jì)點(diǎn)。初步計(jì)算出電磁鐵的具體尺寸參數(shù)，由此可得出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)草圖。最后驗(yàn)算設(shè)計(jì)的合理性，計(jì)算吸力特性并校驗(yàn)溫升，通過(guò)反復(fù)驗(yàn)算，修改參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出符合電氣設(shè)備要求的電磁鐵。通過(guò)修正等各項(xiàng)措施力求使設(shè)計(jì)誤差最小，基本條件應(yīng)當(dāng)保證電磁鐵機(jī)構(gòu)能夠滿足直流電磁鐵的各項(xiàng)特性要求，而且要安全可靠。參考文獻(xiàn)1 王智勇.電器學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)直流電磁鐵的設(shè)計(jì),內(nèi)部講義2 周茂祥.低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.3 方鴻發(fā).低壓電器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社1988.4 賀湘琰.電器學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.5 張冠生.電器理論基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.摘要電磁鐵是一種把電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電磁元件，既可以是有觸點(diǎn)開(kāi)