电磁铁设计
《制作电磁铁作业设计方案-2023-2024学年科学湘科版2001》
《制作电磁铁》作业设计方案第一课时一、设计目的本次实验旨在让学生了解电磁铁的基本原理和制作方法，通过亲自动手操纵材料，制作出一个能够产生磁场的电磁铁，并观察其在不同电流强度下的磁性效果。
通过本实验，学生将加深对电磁学的理解，并培养实验动手能力。
二、实验材料1. 电磁铁的铁芯：可使用铁钉或者铁条作为材料，长度约10厘米。
2. 绕线：细铜线，长度约1米。
3. 电池：干电池或者充电电池，电压为1.5伏。
4. 电线：用于连接电磁铁的电线。
三、实验步骤1. 将铁芯放置在桌子上，确保其垂直于桌面。
2. 将绕线绕在铁芯上，绕几层后，两端留出一段电线。
3. 将电线的一端连接到正极，另一端连接到负极，观察电磁铁是否产生磁场。
4. 调节电流强度，观察磁场的变化。
四、实验初步预期结果1. 当电流通过绕线时，铁芯将具有一定的磁性，能够吸引铁磁物质。
2. 随着电流强度的增加，磁场强度也会增加。
3. 当断开电流时，铁芯将失去磁性。
五、实验注意事项1. 在操作实验时，要小心绝缘处理，避免触电或短路。
2. 注意控制电流强度，以免过载或者损坏电池。
3. 在操作实验时，注意绕线的细节，确保绕线紧密并均匀。
六、实验拓展1. 学生可以尝试使用不同材料制作电磁铁，观察其磁性效果有何不同。
2. 学生可以尝试调节电流强度，观察其对磁场强度的影响。
3. 学生可以进一步探究电磁铁在不同环境下的应用，例如电磁吸盘等。
七、实验总结通过本实验，学生将对电磁学有一个初步的了解，培养了实验动手能力和观察能力。
同时，学生也掌握了制作电磁铁的基本原理和方法，为日后的学习打下基础。
希望学生能够在实践中更好地理解电磁学知识，培养科学探究精神。
第二课时一、课程背景：在学习物理课程中，电磁铁是一个非常重要的实验器材，通过制作电磁铁可以帮助学生更好地理解电磁现象的原理。
本次实验旨在让学生通过亲自动手制作电磁铁，加深对电磁学知识的理解，培养学生实验操作能力和动手能力。
二、实验目的：1. 了解电磁铁的原理和结构；2. 掌握制作电磁铁的方法和步骤；3. 熟练使用电磁铁进行实验；4. 激发学生对物理学的兴趣。
电磁铁的设计计算
电磁铁的设计计算1原始数据YDF-42 电磁铁为直流电磁铁工作制式为长期根据产品技术条件已知电磁铁的工作参数额定工作电压UH=24V额定工作电压时的工作电流IH ≤1A 2 测试数据测试参数工作行程δ=1mm 吸力F=7.5kg 电阻R=3.5Ω4 设计程序根据已测绘出的基本尺寸通过理论计算确定线圈的主要参数并验算校核所设计出的电磁铁性能4.1 确定衔铁直径dc电磁铁衔铁的工作行程比较小因此电磁吸力计算时只需考虑表面力的作用已知工作行程δ=1mm 时的吸合力F=7.5kg 则电磁铁的结构因数K =F／δ7.5／0.1=27 (1)电磁铁的结构形式应为平面柱挡板中心管式根据结构因数查参考资料，可得磁感应强度BP=10000 高斯当线圈长度比衔铁行程大的多时,可以不考虑螺管力的作用,认为全部吸力都由表面力产生由吸力公式F= （Bp/5000）2×Π／4×dc2 (2) 式中Bp磁感应强度(高斯) dc 活动铁心直径(毫米)可以求得衔铁直径为dc=5800×FBp=5800×7.510000=1.59cm=15.9mm取dc=16 mm4.2 确定外壳内径D2在螺管式电磁铁产品中它的内径D2与铁心直径dc之比值n 约为2~ 3 ,选取n=2.7 D2=n ×dc=2.76×16=28.16 毫米(3) 式中D2 外壳内径毫米 4.3 确定线圈厚度bk=D2−dc2−Δ(4)式中bk -----线圈厚度毫米Δ------线圈骨架及绝缘厚度毫米今取Δ=1.7 毫米bk=28.16−162−1.7 =4.38毫米今取bk=5 毫米 4.4 确定线圈长度线圈的高度lk与厚度bk比值为β,则线圈高度lk=β×bk (5) lk------线圈长度毫米β值根据参考资料选取经验数据为β=3.4 则线圈高度lk=β×bk=3.4×5=17毫米 4.5 确定导线直径导线直径d=4×ρ×Dcp×IWU(6)式中平均直径Dcp=dc+bk=0.016+0.005=0.021( 米) IW-----线圈磁势(安匝)IW= (IW)z + (IW) cm+ (IW)k式中(IW)z ------消耗在气隙中的磁势(IW)z=Bp×δμ0×10−8(IW) cm和(IW)k 消耗在铁心中和非工作气隙中磁势的安匝数约为总磁势的15~30% ，即(IW) cm+ (IW)k=α×(IW)式中α=0.15 ~0.3由此可得线圈的磁势为(IW)=Bp×δμ0×(1−α)×10−8 (安匝) (7)式中Bp单位为高斯，δ单位为厘米空气导磁系数μ0=1.25 ×10−8亨/厘米电磁铁在实际应用时电压可能降低至85%UH 为了保证在电压降低后电磁铁仍然能够可靠地工作上式计算所得安匝数应该是指电压降低至0.85UH时的磁势用(IW)1表示(IW)1=10000×0.11.25×10−8×(1−0.3)×10−8=1143安匝显然，电源电压为额定值时的磁势为IW=(IW)10.85=1344 安匝电磁铁容许最高工作温度240℃，由参考资料选取电阻系数ρ=0.03208 欧. 毫米2米d= 4ρ∗Dcp∗IWU= 4×0.03208×0.021×134424=0.388 毫米查线规表其最邻近的直径为d=0.41 毫米带绝缘后的直径d =0.45 毫米4.6 确定线圈匝数WW=1.28(IW)jd2(8)式中j ---容许电流密度(安毫米2) ，j=Iq=4UπRd2=4×24π×3.5×0.412=51安毫米2(9)W=1.28(IW)jd2=1.28×134451×0.412=200 匝 4.7 确定电阻线圈平均匝长lcp=π(DH+D1)2(10)DH=D1+2bk (11) D 1=dc+2Δ(12)式中DH ---线圈外直径D1 ---线圈内直径D1=dc+2Δ=16+2×1.7=19.4毫米DH=D1+2bk=19.4+2×4.38=27.4 毫米lcp=π(DH+D1)2=π(27.4+13.4)2=64 毫米=0.064 米线圈电阻下载文档到电脑，查找使用更方便1下载券1385人已下载下载还剩2页未读，继续阅读R=ρ40∗lcp∗wπ4∗d2=0.01991×0.064×1093π4×0.252=28 欧(13)现在已初步确定了电磁铁的结构尺寸绘制电磁铁结构草图如图 25 特性验算虽然根据设计要求已完成了初步设计但是由于在初步设计中作了不少简化有些参数的选择和估计是极其近似的因此为了电磁铁的工作可靠起见还需要根据初步设计的结构尺寸和数据做进一步详细的验算 5.1 吸力计算F=(Φ5000)2∗1S(1+αδ)(14)忽略铁磁阻和漏磁通这样气隙中的磁通ΦZ=IW∗GZ∗10−8 (15) 式中磁导GZ =μ0∗πdC24δ(16)式中空气导磁系数μ0=1.25 ×10−8亨/厘米GZ =μ0∗πdC24δ=1.25 ×10−8×π×1.024×0.065=15×10−8亨ΦZ=IW∗GZ∗10−8=961×15×10−8×108=14415 麦式中α-----修正系数取α=4S -------铁心截面积S=πdC24=π×1.024=0.785 厘米2(17) F=(Φ5000)2∗1S(1+αδ)=(144155000)2∗10.785×(1+4×0.065)=8.4 公斤可见吸力是满足设计要求的 5.2 线圈温升计算线圈容许温升θ=110℃，查参考资料可得散热系数为μm=12.89×10−4瓦厘米2金属骨架线圈其传导能力较强ηm≈1.7 线圈的散热表面S= πDH+ ηmD1 lk=(2.74+1.7×1.34 )×2.38=37.5 厘米 2线圈温升θ=PμmS=412.89×10−4×37.5=82.7℃(18)温升小于110℃可见是合格的。
小学《科学》六年级上册《电磁铁》教学设计及课后反思
小学（科学）六年级上册（电磁铁）教学设计及课后反思（电磁铁）教学设计及课后反思义教课标教材小学（科学）六年级上册一、教学目标1、科学概念：电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消逝的根本性质。
改变通过电磁铁中的电流方向〔电池的正负极连接和线圈绕线方向〕会改变电磁铁的南北极。
2、过程与方法：制作铁钉电磁铁。
做研究电磁铁的南北极的实验。
3、感情、态度、价值观：养成认真细致、合作进行研究的品质。
二、教学重、难点：认识电磁铁的根本性质三、教学打算1. 学生自备：大头针、透明胶2. 教师打算：绝缘导线、大铁钉、砂纸、指南针四、教学时间：一课时五、教学设计〔一〕导入：通过上节课的研究，我们了解了“电能够产生磁〞。
那么我们如果把导线绕在一枚大铁钉上，铁钉又会出现什么变化呢？〔展示媒体资源〕板书课题：电磁铁〔二〕制作铁钉电磁铁1. 阅读P50制作铁钉电磁铁的局部，按照书上的方法制作铁钉电磁铁。
〔1〕朝着同一个方向绕导线。
〔2〕要将绕在铁钉上的线圈2头固定好。
〔3〕制作完成后，要通电试一试是否制作成功。
2. 学生活动，教师巡视指导。
3. 电磁铁做好了没有？怎么了解自己制作的电磁铁是否具有磁性？〔注意学生对实验过程和现象的描述，指导正确的实验方法。
〕4. 电磁铁做好以后，在不通电的情况下具有磁性吗？为什么？〔介绍磁化现象〕〔三〕认识铁钉电磁铁的南北极1. 你们发觉电磁铁的磁性哪里比拟强？哪里比拟弱？怎么了解的？2. 组织学生商量：对于一般的磁铁来说，磁性强的地方是磁极。
电磁铁有磁极吗？我们可以验证电磁铁是否有磁极吗？怎么做？3. 学生汇报，教师小结实验方法。
4. 学生实验，教师巡视指导。
5. 汇报实验发觉：电磁铁是否有磁极？南北极各在那一端？6. 各小组电磁铁的磁极位置一样吗？为什么？〔1〕比拟磁极位置不一样的小组的电磁铁〔注意电池的接法要与汇报前一致〕，找出2者之间的差异。
〔2〕商量：电磁铁的南北极与什么因素有关？〔3〕交流发觉。
电磁铁的设计计算
电磁铁的设计计算一. 电磁铁的吸力计算1. 曳引机的静转矩T=[（1-φ）Q ·g ·D/（2i ）]×10-3式中：φ-------对重系数（0.4-0.5）g---------重力加速度 9.8m/s 2i----------曳引比Q---------额定负载 kgD--------曳引轮直径 mmT=[（1-Text1(3)）×Text1(0) ×9.8×Text1(1)/（2×Text1(2)）]×10-3 = Text1(16) Nm2. 制动力矩 取安全系数S=1.75-2 取S= Text1(5)Mz=S ·T= Text1(5)×Text1(16)= Text1(6) Nm3. 电磁铁的额定开闸力u--------摩擦系数 0.4-0.5,取0.45；Dz------制动轮直径 Dz= Text1(8)mmF N = )321(1031L L L uD L M Z Z ++⨯ = Text1(6)×Text1(11)×103/(Text1(7)×Text1(6)×Text1(9)) = Text1(12)NL1，L2，L3所示详见右图4. 电磁铁的过载能力5.11=NF F F1----电磁铁的最大吸力；5. 所需电磁铁的最大吸力F1=1.5F N =1.5×Text1(12)= Text1(13)N6. 电磁铁的额定功率1021F P == Text1(14) W7. 电磁铁的额定工作电压，设计给定U N =110 V8. 额定工作电流NN U P I == Text2(13) A 9. 导线直径的确定 （电密 J=5—6 A/mm 2 ） J= Text2(1) A/mm 2裸线 JI d N π4'0== Text2(12) mm 绝缘后导线直径 d ’ = Text2(6) mm 10. 衔铁的直径（气隙磁密 B δ=0.9-1T ）取B δ= Text2(2) Tπδ215B F d X = = Text2(3)mm取 d X = Text2(7) mm(结构调整)11. 电磁铁的最大行程计算长度1312F =δ = Text2(4)mm 12. 电磁铁线圈匝数初值（后期计算的匝数必须大于初值） W1=31020⨯Id F X πδ = Text2(5)匝二. 线圈的结构设计1. 线圈厚度b k ，高度为L k线圈结构比43-==k k b L β 取 β= Text2(8) 线圈厚度b k =β1'W d = Text2(10)mm高度 k k b L ∙=β=Text2(9)mm2. 电磁铁窗口尺寸确定b=5b k /4= Text3(4) mmL D1=5L k /4= Text3(5) mm3. 吸盘长度L2=2 L D1/5= Text3(0) mm4. 线圈中径D m = d x +2c+b= Text2(7)+2×Text3(7)+ Text3(4)= Text3(6) mm5. 根据结构确定线圈匝数Nm Z I D d U W 410320∙∙∙=ρ= Text3(1) 匝 ρ-----电阻率 取Text3(11)×10-26. 匝数初值确定误差计算%1001]12[⨯-W W W = Text3(2)% 若初值匝数与结构匝数>3% 应调整结构重新计算 1-6项，即调整中径D m （应<3%，目的是保证电磁铁的功率）7. 线圈匝数额定值221W W W N +== Text3(3)（匝） 8. 核算线圈槽满率 )21)(2(2'c L c b W d A N F --∙== Text3(9) % (应 ≤85%) 按计入填充系数1d t f L b J f W I A ∙∙∙∙== Text3(10)% （应≤75%） f t =0.5-0.57 (通过实验调整总结经验)9. 根据结构确定电磁铁的行程（或按标准确定） δN = Text3(12) （注δN < δ）10. 标准工作行程的电磁力7222104)(28.6-⨯∙∙=δπXd W I F= Text3(8) N (F 应F1)11. 结构设计具体的图纸设计12. 线圈电阻320104-⨯∙∙=d W D R m ρ= Text4(4) Ω13. 电磁铁的实际功率损耗R U P G 2= = Text4(0)W14. 电磁铁的温升计算S P G∙=ατTDS=S1+ηm ·S2α-------线圈的散热系数65°时α=12.04×10-4 W/cm 270°时α=12.25×10-4 W/cm 280°时α=12.68×10-4 W/cm 2 （通常按80度计算） S1------线圈的外表面积S1= π·D1·L d = Text4(1) cm 2 S2------线圈的内表面积S2=L D m ∙∙∙2πη= Text4(2) cm 2ηm -----散热系数，含金属骨架，ηm =1.7 无骨架， ηm =0.9-1 直接绕在铁芯上，ηm =2.4 τ------线圈温升TD---- 通电率 40%（升降电梯），自动扶梯取100% =∙=TD S P Gατ Text4(5)15. 电磁铁的最低启动电压，电磁力计算按标准最低启动电压 U 80 =80%U N = Text4(7) V 线圈电流 R U I 80== Text4(6)A16. 80%的U N 电磁吸力722280104)(28.6-⨯∙∙=δπXd W I F= Text4(9)NF 80 > F N 满足要求17. 温升变化后，电磁力计算线圈温升为90°C 时,电阻率ρ（90°C ）=2.236×10-2Ωmm 2/m 320104-⨯∙∙=d WD R m t t ρ= Text4(10)Ω 电流tt R UI == Text4(11)A7222104)(28.6-⨯∙∙=δπXt t d W I F = Text4(8)NF t > F N 满足要求。
电磁铁教学设计及教学反思
电磁铁教学内容：教科版科学六年级上册第三单元第二课P50-51。
教学目标:1、科学概念：（1）电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的基本性质。
（2）改变电池正负接法或改变线圈绕线的方向会改变电磁铁的南北极。
2、过程与方法：（1）制作铁钉电磁铁。
（2）做研究电磁铁的南北极的实验。
3、情感、态度、价值观：（）养成认真细致、合作进行探究的品质。
教学重点：通过研究电磁铁的南北极懂得电磁铁的南北极与电池正负接法或改变线圈绕线的方向有关。
教学难点：改变电池正负接法或改变线圈绕线的方向会改变电磁铁的南北极。
教学准备：学生：电池一节、电池盒一个、导线二根、铁钉一枚（8厘米）、大头针一盒、指南针一个。
教师：条形磁铁、指南针。
课前谈话：1、出示条形磁铁：这是什么？师：请同学们仔细看！（师用磁铁吸起大头针）问：为什么磁铁能吸起大头针？磁铁有什么性质特点？那你还知道关于磁铁的其他知识吗？2、出示指南针：用磁铁的一端去吸指南针会有什么现象？指南针红色一端是南极，白色一端是北极。
同极相互排斥，异极相互吸引。
教学过程：一、问题导入1、上节课通过学习我们知道通电线圈能产生磁性。
要是把线圈绕在大铁钉上（出示电磁铁装置），这个装置有没有磁性呢？二、制作电磁铁1、下面我们来做一个这样的装置。
教师演示电磁铁的做法：（1）取出大铁钉和导线，（2）先在导线的一端留出大约15厘米长的导线。
（3）用导线的一端从钉子的钉帽一端顺一个方向缠绕。
自己记住你们小组是从哪个方向绕导线的。
（4）大约绕40圈左右，缠绕的线圈要紧密一些，一圈挨着一圈。
（5）最后固定导线头，拨开最后两圈，将导线穿过拨开的两圈抽出即可，另一端同样处理。
2、师小结：刚才我们同学做的这个装置就叫做电磁铁，有两部分组成。
分别是线圈和铁芯。
（板书课题：电磁铁板书：线圈，铁芯）三、测试电磁铁：1、师：把你们的电磁铁接到电池上，观察能吸起大头针吗？断开电流，还有磁性吗？（可能出现断开电源还有磁性的现象，教师要说明，这时剩磁，只要轻轻敲一下铁钉的剩磁就没有了。
教科版科学六年级上册《电磁铁》教学设计
教科版科学六年级上册4.5《电磁铁》教学设计【教材简析】本课是六年级上册《能量》单元的第5课，意在引导学生经历完整地探究“电磁铁的磁性强弱与哪些因素有关”的过程。
利用对比实验寻找影响电磁铁磁性强弱的因素，非常适合学生的心理需要和认知水平，通过假设、设计、验证和分析等一系列过程，更有利于培养学生缜密的思维。
本课有两个活动：第一，作出我们的假设。
学生要利用已有经验，推测影响电磁铁磁性强弱的可能因素。
第二，设计实验，检验假设。
本节课主要安排学生共同检验电磁铁的磁性强弱与线圈匝数、电流大小是否有关，重点思考如何在对比实验中控制条件的问题。
【学生分析】学生在前一课的学习中已经知道了电磁铁的基本构造，电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的性质。
本课中学生通过观察电磁起重机和自制的电磁铁，发现电磁铁的磁性强弱是不同的，从而引出探究的问题：电磁铁的磁性强弱与哪些因素有关？学生具备设计对比实验的能力，也有一定的数据分析能力，为本课的开展奠定了基础。
【教学目标】科学概念目标1．电磁铁的磁性强弱是可以改变的。
2．电磁铁的磁性强弱与线圈匝数有关：线圈匝数多磁性强，线圈匝数少磁性弱。
3．电磁铁的磁性强弱与电流大小有关：电流大磁性强，电流小磁性弱。
科学探究目标1. 完整、深入地经历探究“电磁铁的磁性强弱与哪些因素有关”的实验。
2. 能够识别变量设计对比实验，会控制变量检验线圈匝数、电流大小对磁性强弱的影响。
3. 能用实验数据论证自己的观点。
科学态度目标1. 体验科学实验设计的严谨性。
2. 体会合作学习的必要性，善于借鉴他人的实验数据来支撑自己的观点。
科学、技术、社会与环境目标了解电磁铁在生产生活中的广泛应用。
【教学重难点】重点：通过实验发现电磁铁磁性强弱可以改变。
难点：会识别变量设计对比实验，会控制变量检验线圈匝数、电流大小对磁性强弱的影响。
【教学准备】为学生准备：大铁钉、导线、大头针、电池、电池盒、小空盒。
教师准备：班级记录表、教学课件、活动手册。
《电磁铁作业设计方案》
《电磁铁》作业设计方案一、设计背景：电磁铁是一种能够产生磁场的器件，广泛应用于电动机、发电机、变压器等电气设备中。
通过对电流的控制，可以调节电磁铁的磁场强度，从而实现各种功能。
本次作业旨在让学生通过实际操作，了解电磁铁的工作原理和应用。
二、设计目标：1.了解电磁铁的结构和工作原理；2.掌握电磁铁的基本应用方法；3.培养学生动手能力和实验操作技能；4.激发学生对电磁学的兴趣。
三、设计内容：1.理论进修：讲解电磁铁的基本原理和结构，介绍电磁铁在电气设备中的应用；2.实验操作：学生分组进行电磁铁的组装和调试实验，观察电磁铁的磁场变化；3.实验报告：学生根据实验结果撰写实验报告，总结电磁铁的特点和应用。
四、设计步骤：1.理论进修（1课时）：（1）介绍电磁铁的基本结构和工作原理；（2）讲解电磁铁在电气设备中的应用；（3）提出学生需要完成的实验任务和要求。
2.实验操作（2课时）：（1）将学生分组，每组配备一套电磁铁实验装置；（2）学生按照实验指导书的要求，组装电磁铁并接通电源；（3）观察电磁铁的磁场变化，调节电流大小，记录实验数据。
3.实验报告（1课时）：（1）学生根据实验结果撰写实验报告，包括实验目标、方法、结果和结论；（2）学生展示实验效果，并进行互动讨论。
五、评判方式：1.实验操作表现：包括组装过程、操作规范、实验数据记录等；2.实验报告质量：包括内容完备性、逻辑性、表达清晰度等；3.团队合作能力：评判学生在小组合作中的表现和贡献。
六、延伸拓展：1.邀请电磁学专家进行讲座，深入探讨电磁铁的应用领域和发展趋势；2.组织学生参与电磁铁相关比赛或展览，拓展学生的视野和交流机缘；3.开展电磁铁创新设计比赛，鼓励学生发挥创造力，设计出更具实用性和创新性的电磁铁产品。
七、总结：通过本次作业设计，学生不仅能够了解电磁铁的基本原理和结构，还能够通过实际操作，深入理解电磁铁的工作过程，培养动手能力和实验操作技能。
同时，通过实验报告和团队合作评判，激发学生对电磁学的兴趣，为将来的进修和钻研打下良好基础。
直流电磁铁线圈匝数设计计算表
直流电磁铁线圈匝数设计计算表摘要：一、引言1.1 背景介绍1.2 直流电磁铁的构成1.3 线圈匝数计算的重要性二、直流电磁铁线圈匝数计算方法2.1 磁场强度与导磁率的关系2.2 线圈匝数、电流和磁场强度的关系2.3 线圈材料选择2.4 线圈长度与匝数的关系2.5 线圈缠绕方向对磁性的影响三、线圈匝数设计步骤3.1 确定出力、行程、操作频率、工作电压等指标3.2 选择技术标准、铁磁材料和材料等级3.3 计算单位长度线圈匝数3.4 选择线圈缠绕层数3.5 确定线圈全长3.6 计算电磁铁长及直径四、直流电磁铁线圈匝数设计案例分析4.1 案例背景4.2 案例参数4.3 线圈匝数计算过程4.4 设计结果与分析五、结论5.1 线圈匝数计算对直流电磁铁性能的影响5.2 线圈匝数设计的注意事项5.3 对未来发展的展望正文：一、引言1.1 背景介绍直流电磁铁是一种将直流电能转化为磁场能的装置，其核心部分是线圈。
线圈匝数的设计直接影响到电磁铁的磁场强度、工作性能等方面，因此线圈匝数的计算是电磁铁设计中的重要环节。
1.2 直流电磁铁的构成直流电磁铁主要由线圈、铁芯和外壳组成。
线圈是电磁铁的核心部分，负责产生磁场；铁芯则负责承载磁场，增强磁效应；外壳主要用于保护内部元件和固定电磁铁。
1.3 线圈匝数计算的重要性线圈匝数的计算直接影响到直流电磁铁的磁场强度、工作性能等方面。
合理的线圈匝数设计可以提高电磁铁的工作效率、减小能耗、提高电磁铁的使用寿命。
二、直流电磁铁线圈匝数计算方法2.1 磁场强度与导磁率的关系磁场强度与导磁率成正比关系，即磁场强度= 导磁率× 电流。
2.2 线圈匝数、电流和磁场强度的关系线圈匝数、电流和磁场强度之间的关系可以表示为：磁场强度=匝数× 电流。
2.3 线圈材料选择线圈材料的选择会影响到线圈的电阻、导磁率等性能，因此需要根据实际需求选择合适的材料。
常见的线圈材料有铜、铝等。
2.4 线圈长度与匝数的关系线圈长度与匝数成正比关系，即线圈长度= 匝数× 单位长度。
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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=S（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=HB建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。
0=4π×10-7享/米 相对磁导率r=0
5、 磁通Φ=MRNI 磁阻RM=sl 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。 8、磁效率 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=0AA 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 K2=0AG 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 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=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。 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＝02BＳ（N） 式中：Ｓ－磁极总面积（ｍ２） Ｂδ－气隙磁感应强度（T）
（2）F=21（IN）220S×10-6（N） 式中：S和δ的单位为cm 和 cm2 （3）吸力和气隙的关系 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
1、按公式Kφ=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 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12RRL=hL（线圈的长高比） 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12RRL=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QH=π22125000RB（公斤） （1） 式中Bδ-气隙中的磁通密度（高） 由（1）式得R1=225000BQH（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=2coshQ 行程δ=δHcos2α 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
RC=R1CTBB
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 拍合式电磁铁的铁心和衔铁 4、线圈的总磁动势方程
F∑=4.0Bkct kct=～ 试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的10～25%，