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丄（T）S2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A）3、磁场强度日二寻（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■二旦建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系 <H^=4 n X 10-7享/米相对磁导率r='-#05、磁通①二巴R M磁阻R M二+这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率卩不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。

真空中无限长螺线管B= — it °nl 。

2磁效率电磁铁工作循环图当电磁铁接上电源，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H 为作功前电磁铁储存的能量，面积皿为电磁铁作的功6、磁感应强度的定义式 B=—,磁感应强度与力的关系。

qv7、 B=卩o nl 。

对于长螺线管，端面处的我们的目的是使I和H的面积最小，皿的面积最大。

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）提咼制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。

面积H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H就大。

9、机械效率K i=-AA0A :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= —A0G=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K®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这个判据。

K® =—6Q-初始吸力（kg）S -气隙长度（cm）Q正比于电磁铁的横截面；S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吸合时间电磁铁吸合动态曲线接通电源后，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）热平衡公式热平衡公式：Pdt二CG T +卩S T dt式中：Pdt供给以热体的功率和时间CGd T -提高电磁铁本身温度的热量。

C-发热体比热G-发热体质量d T -在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。

卩S T dt-发散到周围介质中的热量。

卩-散热系数。

S-散热面积。

T -电磁铁超过周围介质的温度。

当输入功率二发散的功率时Pdt=0+卩S T dt=卩S T dt，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T w。

当T w小于容许温升，产品运行是可靠的。

当T w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T y=发热体从T =0发热到温升0.632 T y时所需时间。

4 T 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T y （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/mr r t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T y。

工作停止后，产品的温度又降到周围介质温度。

短期工作制CG T （产品本身热容）是主要的方面。

短期工作制电流密度按13〜30A/r r2。

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T y,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/rr214、漆包线等的耐温等级Y: 90C A;105C QE: 120C QQ QA QHB: 130C QZ云母石棉F: 155C QZYH: 180CC:> 180C 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5的平方成反比。

2、交流磁链® （磁通©与线圈的一些匝数相交链®二N© ）近似常数, 是恒磁链磁路，吸力F与间隙5关系不大。

只是漏磁随间隙5的增加而增加，故间隙5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、电磁铁的结构形式盘式E犁转动式电磁铁的最优设计，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-60C〜+50C，而耐热的结构应达到+125C。

(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亠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= g S( N)式中：S—磁极总面积(m 2)E 5—气隙磁感应强度(T)(2) F=- (IN) X 10-6( N)2式中：S和5的单位为cm和cm2(3) 吸力和气隙的关系IN2IN35F=f （5 ）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Q H（公斤）2、衔铁的行程5 H（厘米）3、容许温升「C）4、工作制：长期工作制T =1 ;短时工作制TV 1;重复短时工作制T V I。

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。

（二八计算1、按公式K ° =旦计算结构系数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K ©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 $和比值一」=L（线圈的长高比）R2 - R1 h图I 〃吸入式?| ；头台座＞iL磁饮的皿it碣沌蜜皮与綫同Rd •的血級£斤表2mi.8吸人式雜形台朋（U =45°）电磁铁的蚁优 議迪密茨9紳園尺寸的曲瀝^S T .為讯"2公疔•庶於 丄r J la 為询n 厂讥一 「•"图1・9吸入式錐JK'&jffi a=GOJ 电磁鉄的泉优;谥迫密度与嵌圍尺寸W 側綬MOA颔gww3DOOM M 逊0 沁OA Q.20J 购"0,7表2、表3、表4、表5是电磁铁长期工作的 B s ,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 一 =L（线圈子的长高比，也叫窗口尺寸），女口 R2 -R1 h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（三八初算2 2根据电磁吸力公式Q H =n 邑乌（公斤）（1）50002 式中B s -气隙中的磁通密度（高）W1U1y 5 7 6 50 ■JJ 斤公 i"■iRIlJ - +阳一二I noftv 0?{?0 8皿皿加仙佗力仏92由（1）式得 R i =5°°°2Q H（cm ）V B 盯1、 盘式和吸入式平头电磁铁的衔铁半径可直接用2、 吸入式锥台座电磁铁吸力Q=行程 8 = 8 H COS a 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 C R C =R1 B二:B CT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。

(T =1.3 〜3（2）2）式计式中a -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）式计拍合式电磁铁的铁心和衔铁4、线圈的总磁动势方程巳=-k ct0.4兀k ct =1.2 〜1.55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 z =F § +F CT +F ©式中：F s -气隙中的磁动势FCT-导磁体中的磁动势F© -非工作气隙中的磁动势5、确定线圈的长度和高度(1) 长度| =3 5 W 10 'L K= 3 ------2KJ入式中：P e -漆包线的电阻率F-总磁势T -工作制系数K-散热系数e y-温升f K-填充系数表7 命填充系数表8 K-散热系数打瓦/厘肿9S1.14敬热系数与溫升的关亲曲綫。