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K1=
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=
G=电磁铁重量。
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-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。
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℃QQQAQH
B:
130℃QZ云母石棉
F:
155℃QZY
H:
180℃
C:
>180℃QYQXY
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=
S(N)
S-磁极总面积(m2)
Bδ-气隙磁感应强度(T)
(2)F=
(IN)2
×
10-6(N)
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=
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
26~2.6
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0.2
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
(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
(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=π
(公斤)
(1)
式中Bδ-气隙中的磁通密度(高)
由
(1)式得R1=
(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=
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=R1
BCT=4000~12000
根据电磁铁要求的灵敏度,灵敏度高的选小值。
σ=1.3~3
拍合式电磁铁的铁心和衔铁
4、线圈的总磁动势方程
F∑=
kct
kct=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∑=Fδ+FCT+Fφ
Fδ-气隙中的磁动势
FCT-导磁体中的磁动势
Fφ-非工作气隙中的磁动势
5、确定线圈的长度和高度
(1)长度
LK=
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
fK-填充系数
表7fK填充系数
漆包线直径(mm)
手动绕线
自动绕线
0.1
0.44
0.38
0.15
0.495
0.2
0.535
0.48
0.3
0.54
0.4
0.57
表8K-散热系数
(2)R2=
+R1
hK=R2-R1
(3)R3=
6、拍合式电磁铁外形尺寸计算(曲线图上无
)
(1)线圈的内径De!
=d+2△c(m)
式中△c-线圈和铁心之间间隙。
一般取0.0005~0.001(m)
(2)线圈的外径Dc2=(1.6~2)Dc1(m)
(3)线圈的厚度b=
(m)
(4)线圈的长L=βb(m)
β:
螺管式取β=7~8
7、确定漆包线直径
d=0.2
U-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f
f=
q-漆包线的截面积
W-线较总匝数
4、计算线圈的电阻R
R=ρθ
线圈漆包线长度L0=2πRcpW
Rcp=
5、线圈电流
I=
6、线圈磁势
F∑=IW
7真正温升θ
θ=
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×
Bδ2×
R12×
10-7(kg)
(2)铁心头部为锥形
Q=2.03×
10-7F2(
+
sin2α)(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.mm2/m。
漆包线+20℃时的电阻R20=0.0175
L:
漆包线长度mS:
漆包线截面积mm2
其他温度时的电阻RT=KTR20=0.0175KT
KT=1+0.004(t-20)
t℃
90
95
100
105
110
115
120
125
130
KT
1.28
1.3
1.32
1.34
1.36
1.38
1.4
1.42
1.44
135
140
145
150
155
160
165
170
175
1.46
1.48
1.5
1.52
1.54
1.56
1.58
1.6
1.62
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=LpW
W:
匝数
3、温升计算公式
温升计算公式:
T=[(R2-R1)÷
R1]×
(235+t)
R1—环境温度时直流电阻(Ω);
R2—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(℃)。
4、电磁铁的动作时间
tm=ts+td
ts-铁心始动时间,即从线圈通电到铁心开始动作的时间。
td-铁心运动时间,即铁心开始运动到最后吸合的时间
(1)减小始动时间的方法
减小线圈的时间常数和减小电流
(2)减小铁心运动时间的方法
增大电压;
增加IN;
(3)动作时间与输入功率的关系
在衔铁行程、衔铁质量等参数不变的条件下,增加输入功率,可减小衔铁的动作时间。
示例
一、原始数据
QH=24公斤
δH=0.5厘米
θY=70℃
τ=0.1
UH=24V
θY=20℃
二、初算
1、有效功A=QHδH=24×
0.5=12kgcm
2、结构系数值Kφ=
=9.8kg0.5/cm
按所求的值,查表1,确定电磁铁的类型为45度锥台座吸入式。
按所求的值,查表3得:
Bδ=10600高,
=5
3、把吸力和衔铁行程折合为等效值
Q=
=48kg
δ=δHcos2α=0.5×
cos245o=0.25cm
4、确定铁心半径
R1=
=1.82(cm)
5、确定总动势
kct=
1.28=2700(安匝)
取磁导体中的磁势降为气隙磁势的18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的10%,则
式中KCT=
=1.28
0.78=1-(10%+18%)
6、确定线圈的长度和高度
=5.04(cm)
ρθ=2.4×
10-2Ωcm2/m漆包线90℃时电阻率
K=1.16×
10-3W/cm2℃散热系数
Fk=0.43填充系数
R2=
+R1=
+1.82=2.83(cm)
H=R2-R1=2.83-1.82=1.01(cm)
7、确定外部半径
R3=
=3.35(cm)
8、确定漆包线的直径
d=
=0.696(mm)
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