电磁铁设计直流电磁铁设计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=SΦ（T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ）3、磁场强度H=LNI （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=HB 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 =sl 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=qvF ，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=21μ0nI 。

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AK1=AA：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GK2=AG=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。

QKφ=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/mm214、漆包线等的耐温等级Y：90℃ A；105℃ QE：120℃ QQ QA QHB：130℃ QZ 云母石棉F：155℃ QZYH：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。

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（1）Ｆ＝2μδB Ｓ（N ） 式中：Ｓ－磁极总面积（ｍ２） Ｂδ－气隙磁感应强度（T ）（2）F=21（IN ）220δμS×10-6（N ）式中：S 和δ的单位为cm 和 cm 2 （3）吸力和气隙的关系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 1、按公式K φ=HHQ 计算结构系数2、根据计算出的结构系数值,按表1确定导磁体类型电磁铁类型K φ盘式，衔铁在外部 大于93 吸入式，台座为平头 90～16 拍合式26～2.6 吸入式，台座为45度锥形 16～4 吸入式，台座为60度锥形 4～1.8 吸入式，无台座小于0.23、按下面各表，确定长期工作制电磁铁的气隙磁通密度B δ和比值12R R L=hL （线圈的长高比） 表2表4表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的B δ，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12R R L-=hL （线圈子的长高比，也叫窗口尺寸），如果吸力增大或行程减小，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）、初算根据电磁吸力公式Q H =π22125000RB δ（公斤） （1）式中B δ-气隙中的磁通密度（高）由（1）式得R 1=πδ225000B Q H（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 吸力Q=α2cos hQ行程δ=δH cos 2α 式中α-锥度角吸入式锥台座电磁铁的衔铁半径将Q H 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R CR C =R1CTB B σδ式中：B CT =4000～12000根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。

σ=1.3～3F CT -导磁体中的磁动势 F φ-非工作气隙中的磁动势 5、确定线圈的长度和高度 （1）长度L K =3422105YK Kf F θτρθ-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 f K -填充系数表7 f K 填充系数表8 K-散热系数(2)R2=12R R L L KK-+R1 h K =R2-R1 (3)R3=2221R R +7、确定漆包线直径d=0.2UF hRK )12(+θρU-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ff=LR R qW )12(- 式中：q-漆包线的截面积W-线较总匝数4、计算线圈的电阻RR=ρθqL 0 式中：线圈漆包线长度L 0=2πR cp WR cp =221∆++R R 5、线圈电流I=R U 6、线圈磁势F ∑=IW7真正温升θθ=L R R Kf F K )12(21042--τρθ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=1.265×B δ2×R12×10-7(kg)(2)铁心头部为锥形Q=2.03×10-7F 2(αδ222cos 1R +21sin 2α)（kg ） 七、其他问题1、漆包线电阻的计算漆包线+20℃时的电阻率ρ=0.0175Ω.mm 2/m 。

漆包线+20℃时的电阻R 20=0.0175SLL: 漆包线长度 m S: 漆包线截面积 mm 2其他温度时的电阻R T =K T R 20=0.0175K T S L K T =1+0.004(t-20)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=LpWW ：匝数3、温升计算公式温升计算公式：T ＝[（R 2-R 1）÷R 1]×（235＋t ）式中：R 1—环境温度时直流电阻（Ω）；R 2—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（℃）。