低压电器-电磁铁的设计与计算课件

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1、第五章电磁铁的设计与计算第五章电磁铁的设计与计算第一节 概述电磁铁 一种将电磁能转换为机械能的电磁元件。既可作为组成开关电器的部件，亦可单独成为一类电器 电器部件：接触器、继电器的电磁系统 电器：牵引/制动/起重电磁铁、电磁离合器MW16、26、36系列吊运钢带卷用电磁铁系列吊运钢带卷用电磁铁 MW42系列吊运方坯、型钢用起重电磁铁系列吊运方坯、型钢用起重电磁铁 MW5、MW61系列吊运 废钢用起重电磁铁 第一节 概述电磁铁的设计 已知电磁铁的工作任务，要确定其结构形式、 几何尺寸和线圈参数设计已知条件1 选择设计点（反力特性及设计点的吸力和行程）l反力:作用于电磁铁衔铁上与电磁吸力相反的力l

2、反力特性:反力与电磁铁衔铁行程的关系第一节 概述l反力特性分类A 反力不随工作气隙变化的常值负载 (起重电磁铁的重力负载)B 反力随工作气隙直线变化 (反作用力弹簧、刹车电磁铁、电磁阀)C 反力随工作气隙值作折线变化 （接触器、继电器等有触头的负载）l电磁铁反力特性计算 直流接触器的反力由释放弹簧力、触头压力及运动部分的重力组成，对于转动式电磁铁，按力矩不变的原则，将这些反力都归化到铁心中心轴线上l选择设计点 将 的点作为设计点，此时的反力，再引入一个安全系数，作为设计点的吸力，即： 系数为考虑计算和制造中产生的偏差所加的安全裕度 max)*(fF000*fFkF 2 线圈的额定电压/额定电流

3、及其允许波动范围 标准规定：电压波动范围为 （1.050.85）UN3 线圈允许发热温升 线圈最高允许发热温度-404 工作制 断路器：短时，考虑吸力，可不考虑温升 接触器：长期，考虑温升，可不考虑吸合/释放时间电磁铁的设计步骤l根据负载的反力特性选择电磁铁的结构形式l初步设计确定电磁铁的结构参数l验算，按确定的尺寸和数据，验算线圈的 温升，计算电磁铁的静态吸力特性及其它 特性，评价电磁铁的经济技术指标第二节 电磁铁结构形式的选择电磁铁的结构形式第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l对不要求快速动作的电磁铁，应使吸力特性与反力特性形状尽量一致第二节 电磁铁结构形式的选择

4、从特性配合来选择电磁铁的结构形式l对不要求快速动作的电磁铁，应使吸力特性与反力特性形状尽量一致 从静态观点出发，只要动作值下的吸力特性处处高于反力特性和释放值下的吸力特性处处低于反力特性，就能保证电磁系统在吸合和释放过程中正常工作，而不致中途被卡住。但从动态观点来看，则只要吸力特性与反力特性呈现正差时的能量大于呈现负差时的能量，而且动作值下的吸力特性在 处大于反作用力，电磁系统即能正常工作，同时还能减小撞击。 min第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l直流拍合式，吸力特性陡峭A 铁心上装极靴第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l直流拍合式，吸力

5、特性陡峭B 采用磁分路第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l螺管式第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l几种直流电磁铁的吸力特性1盘式电磁铁2拍合式电磁铁3带挡铁螺管式 电磁铁4无挡铁螺管式 电磁铁第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l两种交流电磁铁的吸力特性第二节 电磁铁结构形式的选择从特性配合来选择电磁铁的结构形式l快速电磁铁的吸力特性（曲线3所示）第二节 电磁铁结构形式的选择用结构因素来选择电磁铁的结构形式l计算结构因素00FkjccjldFk00020*21SBF 0FdcIN00S00cclINlIN第二节 电磁

6、铁结构形式的选择用结构因素来选择电磁铁的结构形式l计算结构因素 各种结构形式电磁铁都有一个最适宜的结构因素值范围，在此范围内，经济重量最小l按所计算的结构因素确定电磁铁的结构形式 （见表5-1）（F（G）m*拟定功电磁铁重量第三节 直流电磁铁的设计直流电磁铁的初步设计 四个关键参数:rc h N d决定铁心半径(rc)及极靴半径(rp)SSBF020222l不带极靴的电磁铁，设计点的吸力200022020222BFrrBSBFcc：线圈电压为下限值（85%额定电压）时工作气隙磁通密度Bl带极靴的电磁铁220002220220222pBFrrpBrBFccP2prS1cprr：p 设电磁铁极靴比

7、值系数l 的选择B用铜量铁心磁密INBc)(用铜量线圈平均匝长)(pjlcrTB11 . 0B吸力特性陡峭铁心不饱和用铁量，Bcr吸力特性较平坦铁心磁路较饱和用铁量， INBc)(铁心磁密用铜量用铁量铁心长度)(il由此可知： 太大太小均不利 在线圈电压为下限值时：Bu按 值选择 较大，铁心较短粗，可以选择大的 值见图5-17jkjkjkl 的选择p INBc)(铁心磁密5 . 11 . 1:5 . 11 . 1:pp大尺寸电磁铁小尺寸电磁铁值较小失去极靴作用ppcr 用铁量用铜量用铁量铁心长度)(il吸力特性较平坦可得到较大的电磁吸力在5 . 12 . 21 . 1p，p计算线圈磁势,等于磁

8、路各部分磁压降之和l磁势计算fmUUINSB：其中UUUUU：Kfmfmi取00S)1 (iKIN计算线圈磁势,等于磁路各部分磁压降之和l线圈电压为下限值时磁势计算：位置设计点在主触头刚接触设计点在衔铁打开位置001)1 ()1 ()(BKKINii155. 055. 02 . 0iiKKl线圈电压为额定电压时磁势计算112)()(INUUINN线圈电压下限值:1U计算线圈高度及厚度l长期工作制,线圈温升可用牛顿公式计算电流线圈额定电压时的线圈:IAKRITw2l线圈电阻2244dNldlRpj线圈平均匝长:PJlcccpjrrrl22221计算线圈高度及厚度l线圈填充系数5 . 0:tck初

9、步设计时取hNdktc24l散热面积hkNrRtcc22）kk（kkAATT1221:热率之比线圈内表面与外表面散线圈内表面积线圈外表面积21AkAA计算线圈高度及厚度l散热面积crn2:设线圈厚度比值系数cccrkhhrkhrAkAA122221cccrnkhnrrkhA212212计算线圈高度及厚度l线圈高度计算 将所计算出来的参数代入牛顿公式,得1262535P：k：k：T见查表查表 cwTtcnrknkkINnh2121225 . 025. 08 . 05 . 0：n：n大尺寸小尺寸计算线圈高度及厚度l线圈厚度计算AkkRIAkRIkRIRITPTWP122122短长长短cnr211P

10、khh长短l 短时工作制时线圈高度计算计算线圈高度及厚度l反复短时工作制时线圈高度计算AkkRIAkRIkRIRITPTWP222222反复长长反复21Pkhh长反复计算线圈导线直径及匝数l直流电压线圈导线直径UINrdc2422244dNrIdNlIIRUcpj 211ININUUININUUN计算线圈导线直径及匝数l直流电压线圈匝数24dhkNtchNdktc24NhkdhNdktctc442NIINN2l直流电流线圈匝数l直流电流线圈导线直径第四节 交流电磁铁的设计交流电磁铁设计的特点l交变磁通在导磁体中产生磁滞损耗和涡流损耗 为减小损耗的减轻发热,导磁体采用硅钢片叠成 铁心截面为矩形,

11、线圈为矮胖形l为了减小交流电磁铁在闭合位置的吸力脉动 一般均在交流电磁铁的磁极面上装置分磁环第四节 交流电磁铁的设计交流电磁铁设计的特点l交流并联电磁铁为恒磁链电磁铁(电压线圈)。 线圈电流随行程减小而减小，在衔铁打开位置与衔铁闭合位置线圈电流之比，约为几倍至十几倍。在衔铁闭合位置，为防止剩磁的影响，引入一个非磁性间隙去磁间隙交流电磁铁的初步设计 四个关键参数:a(铁心宽度) h N d决定铁心尺寸l对于一个工作气隙的交流电磁铁cmcmavAABF020244代入设计点的吸力：线圈电压为下限值（85%额定电压）时工作气隙磁通密度的幅值mB20000244mccmavBFAFABF决定铁心尺寸a

12、b设: 铁心厚度比值系数: 铁心叠片占空系数ckccckaabkA228 . 0cckAa95. 09 . 0ckl 的确定,先选择 (衔铁闭合,线圈 电压为额定电压时铁心中磁通密度)mB磁势节省铁TBcm7 . 12 . 1cmBFeP用铜量线圈发热RI2cmBcmB：主要受线圈发热的限制l 的确定mB33 . 125. 11 . 1NcmNmUBkUB1NNUEk94. 075. 0NkNk：反电势系数若设计点在衔铁打开位置：若设计点在主触头刚接触位置：99. 094. 0Nk：设计点漏磁系数若设计点在衔铁打开位置：若设计点在主触头刚接触位置：决定铁心尺寸l对于有两个相同工作气隙的交流电磁

13、铁200020242mccmBFAABF决定铁心尺寸l对于有三个工作气隙的交流电磁铁2002114mcBFAccAA17 . 06 . 01cA：每个边柱铁心截面积计算线圈匝数，在线圈电压为额定电压下， 且衔铁在闭合位置CmfEN44. 4ccmNCcmcAfBUNAB44. 498. 0NUE98. 0取sII sjIII计算线圈磁势，确定线圈主要尺寸l在衔铁闭合位置，额定电压下的线圈磁势IN 线圈电流 在初步设计时取：111fffmUUUUUIN5 . 265. 1cA0fccmfcmfABU22计算线圈磁势，确定线圈主要尺寸l在衔铁闭合位置，额定电压下的线圈磁势IN fcfA0222cc

14、mcmmABU25 . 265. 1225 . 265. 1ccmfccmccmABABABINanAKpRITch2损耗线圈所包围部分的铁心:chp计算线圈厚度 设线圈厚度比值系数: ：，选择多为矮胖型交流电磁铁线圈形状大8 . 05 . 0n计算长期工作制时线圈高度铁的密度：FeahnhbaA222222单位重量的铁心损耗:cp线圈的散热表面的面积:A线圈的平均匝长:pjlanbalpj2222积线圈包围部分的铁心体V：hkhapVppcFecFecch2Fecccap，k：k2系数损耗线圈所包围部分的铁心:chpnkkanKINnhtccT222222Nhkdtc4计算长期工作制时线圈高

15、度计算线圈导线直径分磁环的设计 交流电磁铁的吸力按两倍电源频率变化为了消除衔铁在吸合位置的振动和噪声,在铁心磁极端面设置分磁短路环分磁环的设计 分磁环的设计 由图知:通过分磁环后,衔铁闭合时,磁通分为两部分分磁环内磁通与分磁环外磁通,两个磁通产生的合成吸力为: fFFmintFFFFFFFpjpjpjpjpjpj2sin2cos2212221212cos221222121minpjpjpjpjpjpjFFFFFFF合成吸力最小值为衔铁在吸合位置时,消除振动和噪声的充分条件为:85. 07 . 02btaAA21一个槽minF2111AAA42 t槽宽121l计算分磁环外面积与内面积之和btaAA221二个槽l计算分磁环外面积与内面积 设比值系数为:2122AAA为获得较大的 并考虑结构的合理性，取：tbAbld222tantan20/20pdpdARRA008060内外磁通相角差l计算分磁环的平均长度mm，p05. 004. 0工作气隙长度衔铁吸合时l计算一个分磁环的电阻m8010*44. 2120 时电阻率紫铜/dddRlAtAbddl计算分磁环的截面积并选用分磁环材料l计算一个分磁环厚度，其宽度与槽宽相等分磁环材料可用紫铜、黄铜及低碳钢m8010*41. 8120 时电阻率黄铜