电器学电磁铁设计

目录

引言 (1)

1 概述 (2)

1.1 基本公式及概念 (2)

1.2 一个简单电磁铁产品的结构图 (6)

1.3 电磁铁的结构形式 (7)

2直流电磁铁的设计要求 (9)

3 直流电磁铁的设计与计算 (10)

3.1 电磁铁设计点的选择 (10)

3.2选择电磁铁的结构形式 (11)

3.2.1用结构因数选择电磁铁的结构形式 (11)

3.3 直流电磁铁的初步设计 (12)

3.3.1 决定铁心半径和极靴半径 (12)

3.3.2 计算线圈磁通势 (13)

3.3.3 计算线圈高度及厚度 (14)

3.3.4计算线圈导线直径及匝数 (16)

3.4 计算极靴、衔铁和铁轭的尺寸 (16)

3.5 电磁铁草图 (18)

4 电磁铁性能验算 (19)

5结论 (22)

心得体会 (23)

参考文献 (24)

引言

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.

电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁。我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。

1 概述

1.1 基本公式及概念

电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁(electromagnet)。我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。

1、均匀磁场B=

S

Φ

（T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ） 3、磁场强度H=L

NI

（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=

H

B

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 =

s

l

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=

qv

F

，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=2

1

μ0nI 。 8、磁效率

ψ

电磁铁工作循环图

ψ0

ψ4

4Ⅰ

I

Ⅲ

Ⅱ

2

3

1

图1-1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

K 1=

A A

A ：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

K 2=

A G 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K φ

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 φ这个判据。 K φ=

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

B

A i

C

D

t

吸合时间

电磁铁吸合动态曲线

开始吸合

完成吸合

图1-2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

均匀体的发热曲线

τ

t

图1-3均匀体的发热曲线

热平衡公式：Pdt=CGd τ+μs τdt

式中：Pdt 供给以热体的功率和时间

CGd τ-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 τ-在dt 时间内电磁铁较以前升高的温度。

μs τdt-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+μs τdt=μs τdt ，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/mm 2。

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CGd τ（产品本身热容）是主要的方面。

短期工作制电流密度按13～30A/mm 2。

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/mm 2 14、漆包线等的耐温等级