ａｒｅ
ｗｅｌｌ
ａｓ
ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
ｍａｇｎｘ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ，ｔｈｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ
ｉＳ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ
ａｒｅ
ｍａｉｎｌｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅ ｇａｓ ｏｎ．ｏｆｆ
【２】
计算机定量分析［Ｊ】．沈阳航空：［业学院学报，２００８，
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８３．１３９．
【３】林春英，刘源祺．电路与磁路【Ｍ］．北京：中国电力ｊ“ 版社，２００７．２８６—３０５ 【４］钱家骊电磁铁吸力公式的讨论【Ｊ】电工技术，２００１，
（１
３基于有限元的电磁场分析
３．１电磁铁的参数设置 电磁铁基本参数如下：工作电压为１４．乒 ２８．５Ｖ；工作电流小于２Ａ；线圈耐温１８０℃；动、 静铁芯及外壳、磁轭材料都为软磁合金【５】。由此设
置仿真分析中各约束条件。
图４电磁铁磁力线分布
Ⅱ
Ｉ
图５磁感应强度分布
磁性材抖反器件 万方数据
２０１２年４月
装入直径４ｍｍ、长２９ｒａｍ的弹簧时，在１４．６Ｖ工作 电压下具有２６．４６Ｎ（２．７ｋｇ）的保持力，此保持力可使
１引言
电磁铁是一种通电以后对铁磁物质产生吸力， 把电磁能转换为机械能的电器。一般是由线圈、静 铁心和动铁心三个主要部分组成。螺管式电磁铁是 电磁铁中的一种，这种电磁铁的漏磁通在动铁心和 铁壳之间形成闭合回路。它的吸力可以分为端面吸 力和螺管力两部分。端面吸力是由主磁通所产生： 螺管力是由漏磁通所产生。螺管式电磁铁广泛应用 于各类电磁阀中，由于电磁系统磁场与温度场分布
阀用螺管式电磁铁的双线圈优化设计
周
兰１，庄圣贤１，李吴１，一，霍连文２，许永衡１，李宏强２
（１．西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１； ２．西安久和能源科技有限公司，陕西西安７１００１８）
摘要：螺管式电磁铁是电磁铁中应用最广、产量最大的一种。由于电磁系统磁场与温度场分布不均匀以 及磁性材料性能的非线性等原因，造成吸力计算及温升控制较为复杂。电磁阀设计主要解决的是密封和温升问 题，必须对电磁阀、弹簧力和气体压力进行准确计算确保气路的通断，并且保证正常工作情况下的温升。因而
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｓｏｆｔ
ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｍａｇｎｅｔ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｉｒｅ，ｄｏｕｂｌｅ．ｃｏｉｌ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ
２．Ｘｉ＇ａｎ Ｇｅｏｈｏ Ｅｎｅｒｇｙ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１。Ｃｈｉｎａ，＂
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｃｏ，Ｌｔｄ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００１８，Ｃｈｉｎａ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｔｓ ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ
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Ｌａｔｃｈｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｖａｌｖｅ【Ｃ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｏｆ
６９２．６９６．
Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
２００５．１７７３一１７７９．
［８】Ｌｉ
Ｙ Ｌ，Ｗｕ Ｃ Ｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃＭ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
不均匀以及磁性材料性能的非线性等原因，螺管式
电磁铁的吸力计算和温升控制较为复杂。传统的电
磁铁吸力计算多是采用工程经验公式，这种计算方 法误差较大，准确性很差【ｌｊ。传统的电磁铁线圈多
采用单线圈设计，这对于磁力及温升要求都较高的
情况下难以满足要求。本文采用ＡＮＳＯＦＴ软件对 电磁铁磁力进行计算，为了在磁力满足要求的情况 下控制温升，本文采用单线圈启动、串联保持的双 线圈设计。这对于电磁铁的研究是一项突破。
内层线圈电阻：Ｒｌ＝ＲｂｌＬｌ
外层线圈电阻：Ｒ２＝Ｒｂ２Ｌ２
内层线圈电流：＾＝￡口甄 外层线圈电流：１２＝ＵＩＲ２ 串联电流：
Ｉｃ＝Ｕ／（Ｒ１十Ｒ２）
其中ｒｌ、ｒ２为内和外层线圈平均半径（单位ｍ）；
上ｌ、三２为内层和外层线圈总长度（单位ｍ）：凰ｌ、足＂ 为内层和外层单位长度漆包线电阻标称值（单位为
ｆｔ．／ｍ）。
单元【６】，外围空间各方向占总模型的１０％。所选取． 的铁心材料口日曲线是非线性的，由于所选取的软 磁材料性能参数数据量不足，所以利用ＭＡＴＬＡＢ 插值拟合出占．Ⅳ曲线。
ｍｌ＿％肘ｌ
ｍ２＝Ｗ２／ｄ２
内层线圈匝数为：Ⅳｌ：ＭｌＨｌ 外层线圈匝数为５Ⅳ２＝ｍ２ｎ２
（４） （５）
其中矾和如分别为漆包线内层和外层直径（单位 为ｎｕｎ），ｍｌ和ｍ２分别为内层线圈和外层线圈纵
ＡＮＳＯＦＴ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ；ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｉｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｒｉｓｅ；ｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１２０
４仿真及实验结果比较
本实验都是在１４．６Ｖ工作电压、０．０５ｍｍ气隙 条件下进行的，表１是电磁力及温升测试结果。 从表１可以看出，综合考虑电磁力及温升，本 设计选用内外层线圈导线直径分别为Ｏ．３ｍｍ和 ０．２ｍｍ，简记为００．３＋００．２（其他类同）的双线圈。
虽然００．３＋００．１４和００．２５＋００．１４的双线圈温升也 可以达到要求，但是串联时电磁力不及００．３＋００．２ 双线圈的大。００．３＋００．２双线圈电磁铁在２８．５Ｖ的
Ｓ，Ｃｉｕｓｅｐｐｅ ｚ．Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｌａｎａｌｙｓｉｓ
ａｌｌ
ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｈｉｅｌｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｖａｌｖｅ
Ｊ Ｍａｇｎ Ｍａｔｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ
Ｖｏｌ ４３
Ｎ０２
万方数据
ｂｙ
ａｎ
ＦＥ
ｃｏｄｅ【Ｊ】．ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓ
电磁铁承受一定冲击而不会释放【９Ｊ，这一研究对航空 航天用电磁阀是一项突破。
４．１温升测试
通过各种双线圈方案的磁力及温升测试，本设
计最终选用００．３＋００，２双线圈，图７是方案温升测
图６电磁铁的三维效粜罔及实物照片
试结果。
观，绘出了电磁铁的三维效果图及本设计用于电磁 阀的实物图，如图６所示。
本实验同时测了电磁铁外壳温度和铁芯内部 温度。从图中可以看出，内部温度明显比外壳温度 高，由于采用了双线圈设计，单线圈（内层）启动 以后，立即切换成串联保持，使得在２８，５Ｖ额定工 作电压下通电１ｈ温升不会超过１００℃。
ｆｌｏｗ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｌ Ｃｏｎｆ
ｏｎ
ｖａｌｖｅ［Ａ】．ＩＥＥＥ
７ｔｈ
Ｓｙｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，
２００８：９７０．９７３．
作者简介：周兰（１９８６－－），女，硕士研究生，研究方向
为永磁同步电机的设计及控制，电磁分析。
ａ
ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｏｓｔ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｕｓｅｄ ｏｎｅ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ
ａｓ
ｕｎｅｖｅｎ
ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
向层数。
图１
电磁铁线圈骨架尺寸 （６） （７） （８） （９） （１０） （１１） （１２） （１３） （１４） 幽３气隙网格放火
ｒｌ＝Ｄｉｎ／２＋ｎｌｄｌ／２
ｒ２＝Ｄｉｎ／２＋ｎｌｄｌ＋ｎ２ｄＪ２
厶＝２ｎｒｌＮｌｘｌ０＂’
Ｌ２＝２ｎｒ２Ｎ２ｘ１０。
３．３电磁铁磁场分析结果 在求解时，模型四周采用气球边界条件，线圈 电流以电流密度方式加载，磁通收敛差取１％，最 大迭代次数为１０。进行二维静态磁场分析”’Ｌ…。 图４为电磁铁在０．０５ｍｍ间隙条件下，磁力线 分布的计算结果。从图中可以明显看出外壳磁力线 分布较密，将工作电压增大到３２Ｖ的情况下会出 现磁饱和现象。图４为磁感应强度分布；为了更直
２电磁铁双线圈的设计参数
为了保证电磁铁通电１ｈ内温升不超过１００℃， 本文采用双线圈设计，单层启动，串联保持。线圈
Ｊ Ｍａｇｎ
收稿日期：２０１１．０５．３１
修回日期：２０１１－１２．１８
通讯作者：李吴Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉｈａ００２８＠１２６．ｃｏｍ
Ｍａｔｅｒ
Ｄｅｖｉｃｅｓ
Ｖｏｌ ４３
Ｎ０２
万方数据
，＂架尺寸如图ｌ所示，由图町知，线剧骨架外直径 Ｄｅｘ＝２７ｍｍ，线圈框架内直径Ｄ．。＝１４．５ｍｍ，框架长
［９】Ｊｉｎｈｏ
Ｋ，Ｌｉｅｕ Ｄ
Ｋ．Ｄｅｓｉｇｎｓ
ｆｏｒ
ａ
Ｎｅｗ，Ｑｕｉｃｋ－Ｒｅｓｐｏｎｓｅ，
‘；‘；‘二‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘“；‘；‘二‘；‘ｉ‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘二‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘二‘“二‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘ｉ‘；‘；‘；‘；‘；‘“；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；‘；＿；
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