直流电磁铁设计

直流电磁铁设计

共 26 页

编写：

校对：

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=

（T） S2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A） 3、磁场强度H=

NI（A/m），建立了电流和磁场的关系。 L 该公式适用于粗细均匀的磁路 4、磁导率=

B建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 H 0=4π×10-7享/米 相对磁导率r=

 05、 磁通Φ=

NI RM磁阻RM=

l s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=

Fqv，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=12μ0nI。 8、磁效率

ψ4ψ4Ⅰ3Ⅲψ0Ⅱ1电磁铁工作循环图 20I当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按0～2的直线进行磁化，达到期初始工作点2。当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由2～3。断电后工作点由3～0。 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

K1=

A A0A：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 K2=

G A0 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KJ这个判据。

Kφ=

Q

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。 12、电磁铁工作的过渡过程 开始吸合iCAD完成吸合B吸合时间电磁铁吸合动态曲线t 接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗，另一部分用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，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 τ均匀体的发热曲线t 热平衡公式：Pdt=CGdτ+μsτdt 式中：Pdt供给以热体的功率和时间 CGdτ-提高电磁铁本身温度的热量。C-发热体比热 G-发热体质量 dτ-在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。 μsτdt-发散到周围介质中的热量。μ-散热系数。S-散热面积。 τ-电磁铁超过周围介质的温度。

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τy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。 三、一个简单电磁铁产品的结构图 四、电磁铁的结构形式 还有极化继电器

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，吸力均大于反力。一般电磁铁均选择衔铁释放位置为设计点,在该点应保证吸力可以克服反力而使衔铁动作。

F吸力特性曲线反力特性曲线δ 有时需根据电磁铁的动作时间来确定电磁铁的类型，对于快速执行要求可达到3～4ms，如极化继电器。对于慢速要求的可达300～500ms。为了获得慢速要求，可采用带短路环的拍合式和吸入式。

3、直流电磁铁的吸力

BＳ（N） 20（1）Ｆ＝

式中：Ｓ－磁极总面积（ｍ２） Ｂδ－气隙磁感应强度（T）

0S12

（2）F=（IN）2×10-6（N）

2式中：S和δ的单位为cm 和 cm2 （3）吸力和气隙的关系 IN1FIN2IN3δF=f（δ）曲线IN1＞IN2＞IN3 六、直流电磁铁的计算 （一）、电磁铁的原始数据 1、初始吸力QH（公斤） 2、衔铁的行程δH（厘米） 3、容许温升（℃）

4、工作制：长期工作制τ=1；短时工作制τ＜1；重复短时工作制τ＜1。重复短时工作制还应给出接通时间或循环时间。

5、电磁铁的工作电压。 （二）、计算

QH1、按公式Kφ=

H计算结构系数

2、根据计算出的结构系数值,按表1确定导磁体类型

表 1

电磁铁类型 Kφ 盘式，衔铁在外部 大于93 吸入式，台座为平头 90～16 拍合式 26～ 吸入式，台座为45度锥形 16～4 吸入式，台座为60度锥形 4～ 吸入式，无台座 小于 3、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度Bδ和比值

LL=（线圈的长高比） R2R1h表2

表3

表4

表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的Bδ，如果是短时工作制或反复短时工作制，应加大10～15%。

对于比值

LL=（线圈子的长高比，也叫窗口尺寸），如果吸力增

R2R1h大或行程减小，可减小此值。减小此值后，每匝线圈的平均长度增加，铜的用量增加，而导磁体的长度缩短了，钢的用量减小。最优设计的电磁铁，此值为1～7。

表5

盘式和拍合式电磁铁最优磁通密度曲线

（三）、初算

22BR根据电磁吸力公式QH=π12（公斤） （1）

5000式中Bδ-气隙中的磁通密度（高）

50002QHB2由（1）式得R1=

（cm） （2）

1、盘式和吸入式平头电磁铁的衔铁半径可直接用（2）式计算。 2、吸入式锥台座电磁铁

Qhcos2 吸力Q=

行程δ=δHcosα

2

式中α-锥度角

吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将QH换成Q再按（2）式计算。 3、拍合式电磁铁

可直接用公式（2）算出极靴的半径R1。对于铁心的半径RC

BBCTRC=R1

式中：BCT=4000～12000

根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。 σ=～3

δH　 拍合式电磁铁的铁心和衔铁 4、线圈的总磁动势方程 Bkct 0.4 F∑= kct=～ 试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的10～25%，非工作气隙中的磁动势占总磁动势的5～10%，则材料选择最经济。 F∑=Fδ+FCT+Fφ

式中：Fδ-气隙中的磁动势 FCT-导磁体中的磁动势 Fφ-非工作气隙中的磁动势 5、确定线圈的长度和高度 （1）长度

5F2104LK=32KfKY

式中：ρθ-漆包线的电阻率

F-总磁势 τ-工作制系数 K-散热系数 θy-温升 fK-填充系数 表7 fK填充系数

漆包线直径（mm） 手动绕线 自动绕线 表8 K-散热系数

LKL+R1 KR2R1K=R2-R1

R12R22

(2)R2=

h(3)R3=R36、拍合式电磁铁外形尺寸计算（曲线图上无L） h（1） 线圈的内径De！=d+2△c（m） 式中△c-线圈和铁心之间间隙。一般取～（m） (2)线圈的外径Dc2=～２)Ｄｃ１（m） Dc2Dc1（m） 2(3)线圈的厚度b=(4)线圈的长 L=βb（m） β:螺管式取β=7～８ 7、确定漆包线直径

d=

(2R1hK)FU

U-工作电压。 （四）、复算

1、修正导磁体的尺寸和漆包线的径

计算中心出的导磁体尺寸，需要对其圆整。计算出的漆包线尺寸，会和标准规定的不一样，需要按标准给出的漆包线直径。 2、确定绕组的层数、每层的匝数以及总匝数

按线圈子的窗口尺寸、漆包线怕外径（包括漆层）、层间绝缘层厚度等进行曲计算。 3、计算实际的填充系数f

qW

(R2R1)L f=

式中：q-漆包线的截面积

W-线较总匝数

4、计算线圈的电阻R

L0 q R=ρθ

式中：线圈漆包线长度L0=2πRcpW Rcp=

R1R2 25、线圈电流 I=

U R6、线圈磁势

F∑=IW 7真正温升θ

F21042KfK(R2R1)L θ=

温升τw应小于线圈所用材料的绝缘等级。如果超过允许温升,说明电流太大,应增加匝数IN。而增加IN，就要修改线圈的长度和厚度等参数。 8、确定吸力

（1） 麦克斯韦公式（适用于等效电磁铁）

Q=×Bδ2×R12×10-7(kg) (2)铁心头部为锥形

R1212 Q=×10F(2+sinα)（kg） 2cos2-7

2

七、其他问题 1、漆包线电阻的计算

漆包线+20℃时的电阻率ρ=Ω.mm2/m。 漆包线+20℃时的电阻R20=

L S2

L: 漆包线长度 m S: 漆包线截面积 mm其他温度时的电阻RT =KTR20=

L S KT =1+(t-20)

t℃ 90 95 100 105 110 115 120 125 130 KT t℃ 135 140 145 150 155 160 165 170 175 KT 2、漆包线长度的计算

（1）、用近似公式计算线圈的平均匝长。如螺管式可用线圈高度中间的匝长作为平均匝长Lp。

（2）、漆包线长度L=LpW W：匝数 3、温升计算公式

温升计算公式：T＝[（R2-R1）÷R1]×（235＋t） 式中：

R1—环境温度时直流电阻（Ω）； R2—通电一定时间后的直流电阻（Ω）； t—产品环境温度（℃）； T—产品温升值（℃）。

4、电磁铁的动作时间

tm=ts+td

式中：ts-铁心始动时间，即从线圈通电到铁心开始动作的时间。 td-铁心运动时间，即铁心开始运动到最后吸合的时间 （1）减小始动时间的方法

减小线圈的时间常数和减小电流 （2）减小铁心运动时间的方法

增大电压；增加IN； （3）动作时间与输入功率的关系

tspd td=ps

在衔铁行程、衔铁质量等参数不变的条件下，增加输入功率，可减小衔铁的动作时间。 iCADB电磁铁吸合动态曲线t

示例一、原始数据 QH=24公斤 δH=厘米

θY=70℃ τ= UH=24V θY=20℃ 二、初算

1、有效功A= QHδH=24×=12kgcm

QH24=9.8kgcm 0.52、结构系数值Kφ=

H=

按所求的值,查表1,确定电磁铁的类型为45度锥台座吸入式。 按所求的值,查表3得：Bδ=10600高，3、把吸力和衔铁行程折合为等效值

Qh24==48kg 22cosCOS45l=5 R2R1 Q=

δ=δHcos2α=×cos245o= 4、确定铁心半径

50002QHB2 R1==

50001060048=(cm) 3.145、确定总动势

B106000.25kct=×=2700(安匝) 0.40.43.14 F∑=

取磁导体中的磁势降为气隙磁势的18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的10%,则 式中KCT=

1= 0.78 =1-(10%+18%)

6、 确定线圈的长度和高度

5F2104352.41060.127002 LK=3==(cm) 32KfKY21.16100.4370 ρθ=×10-2Ωcm2/m 漆包线90℃时电阻率

K=×10-3W/cm2℃ 散热系数 Fk= 填充系数

LK5.04+R1=+= (cm) 55R2=

H=R2-R1=、确定外部半径

R3=R12R22=1.8222.832=(cm) 8、确定漆包线的直径

d=

(2R1h)FU2.41024.652700==(mm)

24