一种小型直流电磁铁的结构设计_丁玉红
第4期2008年12月机电元件
ELECTROMECHANICALCOMPONENTSVol128No14
Dec12008
研究与设计
一种小型直流电磁铁的结构设计
丁玉红
(中国电子科技集团公司第四十研究所,安徽 蚌埠 233010)
摘要:从电磁铁结构形式的选择、磁极形状的选择、铁心的设计、线圈的设计、控制部分的设计等方面介绍了一种小型直流电磁铁的结构设计方法,提出了一种电磁铁设计新思路。
关键词:小型;直流;电磁铁;设计
中图分类号:TM574 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2008)04-0034-03
1 引 言
电磁铁是一种把电磁能转换为机械能的电磁元件,在结构上主要由线圈与铁心组成,线圈通电后铁心磁路中的磁通产生吸力,将电磁能转变为机械能来操作、牵引机械装置。随着装备小型化、高可靠的需求,对各类电磁铁产品提出了更高的要求:体积小,产品的牵引力大,工作可靠等。本文通过对一种小型直流电磁铁的结构设计,提出了一种电磁铁的设计新思路。
铁结构形式的选择应从反力特性(反力特性是指电磁铁负载和行程的关系曲线)出发,一个合理的结构形式应该能使电磁铁的静态吸力特性和反力特性得到良好的配合,这是实现电磁铁可靠工作、降低动作功率、提高灵敏度、减小动作时间、提高寿命等一
系列要求的保证。
2 结构设计
本文要设计的电磁铁(以下称为@@电磁铁)在结构上主要由底座、端盖、线圈组件、铁心部分、传动轴、控制部分组成。底座和铁心是构成磁回路的主要部分。
211 电磁铁结构形式的选择
电磁铁的结构形式很多,按磁系统形式可分为拍合式或U型、盘式、E型和螺管式等,按动铁心运动方式可分为转动式和直动式,按动铁心相对于线圈位置可分为吸引式和吸入式等。
电磁铁的任务是带动负载做机械功,所以电磁
图1 负载的反力特性
经常遇到的负载反力特性有多种,如图1中直线0是不随铁心行程改变的常值负载,例如直动式电磁铁的重力负载;直线1为反力随行程的增大而减小的负载,例如有预压缩的弹簧负载等。本项目研制的电磁铁负载为一常值负载,它要求的起始吸力很大且整个吸力特性比较平坦,
收稿日期:2008-11-03
第4期丁玉红:一种小型直流电磁铁的结构设计
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以避免由于特性比较陡峭,吸力随着行程减小越来越大,在铁心闭合时,因冲击力大而降低电磁铁的寿命。另外该电磁铁为一长行程电磁铁。由于螺管式电磁铁适用于长行程牵引电磁铁和制动电磁铁,动铁心行程改变时,其漏磁所产生的螺管力变化不大,使吸力特性比较平坦,因此我们在选择电磁铁的结构形式时,选择了螺管式电磁铁结构。212 磁极形状的选择
同一类型的电磁铁,采取不同的磁极形状也可获得不同的吸力特性(吸力特性是指电磁铁产生的吸力和行程的关系曲线),图2为不同磁极形状的直流螺管式电磁铁的吸力特性,曲线1为磁极端面为平面的吸力特性,曲线2为磁极端面为圆锥面的吸力特性。圆锥形磁极在大气隙时,其气隙磁导值比平面端面的大,当线圈安匝一定时,其吸力也比较大,但气隙磁导随气隙变化的变化率小,因而吸力随气隙的变化也小,即具有较平面磁极平坦的吸力特性。为了和吸力特性达到最佳配合,我们选取了圆
锥面配合的磁极。
式中,F为电磁铁磁极表面吸力和螺管力之和,N;rc为铁心半径,m;BD为工作气隙磁通密度,T;L0为真空中的磁导率,L0=11257@10~0.6。
电磁铁产生的吸力F为一确定值,工作气隙磁通密度BD可通过查表得到,由于工作行程比较长,BD值以可以取小些,由上式可以求得铁心半径rc,通过计算及多次试验验证,最后确定铁心半径。214 线圈的设计
@@电磁铁要求体积小,初始吸力大,工作电流小。为满足用户的使用要求,我们在开始设计线圈时制定了两种设计方案:一是单线圈形式,二是串联的双线圈形式。
根据用户提出的初始吸力和工作行程的要求,忽略非工作气隙和铁心磁压所占的磁势,由公式
IN=BDD0/L0
可求得线圈总磁势,为了保证电压低至0.85UN(UN为额定工作电压)后电磁铁仍能可靠地工作,上式计算得到的磁势应为0.85UN时的磁势,这里用(IN)1表示。计算线圈温升时,还应考虑到电压可能升至1105UN,因此我们设计线圈的磁势为IN=1105/0.85(IN)1。
根据用户要求的产品体积及磁路结构,确定线圈的高度为h=60mm,线圈的外半径c最大只能为74mm,否则很容易造成线圈和外壳之间的介质耐压击穿。
若采用单线圈形式,根据以上计算出的磁势和线圈尺寸,利用公式
-6
H/m;kt
为螺管力系数,对于长行程电磁铁可取kt=0.3
图2 不同磁极形状的电磁铁吸力特性
213 铁心的设计
在电磁铁产品中,铁心的设计非常关键,铁心设计的主要依据是磁极表面的表面吸力,对于具有螺管力的螺管电磁铁,除了磁极表面的表面吸力外,还存在螺管力,其计算公式为:
πBDrc
F=(1+kt)
2
2
d=
cIN
0185UN
求得线圈的线径,根据计算值选择最邻近的标准直径。经过多次试验证明,采用以上设计的线径,其线圈磁势远远低于产品需要的磁势。这种现象主要是由于受产品体积的影响,线圈的尺寸设计不够造成的。为了在有限的体积内达到产品的技术要求,最,
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机电元件2008年
分别称为保持线圈和起动线圈。为了满足工作电流和初始吸力的要求,经过多次试验,我们把总的线圈磁势按优化的方式分配到保持线圈和起动线圈上,最后分别设计出保持线圈和起动线圈的匝数以及两线圈的线径。215 控制部分的设计
@@电磁铁的控制部分主要包括连接推杆、控制开关等部分。为了减小工作电流和线圈的温升,对电磁铁的两线圈采用控制开关来控制它们的工作状态。当电磁铁刚开始启动时,保持线圈和起动线圈同时工作,电磁铁产生了很大的初始吸力;当电磁铁启动后,只有保持线圈在工作,此时因为电磁铁的(上接第6页)
继电器内部结构复杂,由激振源至触点位置与衔铁位置处的路径存在多条支路。上述分析结果表明继电器整体的抗振性也就是内部各零件、部件的抗振性,零部件的谐振都会造成其它非共振零件的振幅放大。因此提高其内部零件的刚度和内部零件之间相关部分的连接强度,都是提高零、部件及继电器整机固有频率的重要措施,同时也可避免内部零件发生共振。理想条件下应尽可能使传递到触簧系统、衔铁系统的振幅(振动加速度)放大量约束在最低限度内。
工作间隙已经很小,保持线圈产生的电磁吸力就足够大到使电磁铁保持在工作状态。这种设计达到了减小产品体积、增大电磁铁初始吸力、降低线圈温升的目的。
3 小 结
@@电磁铁经用户使用反映良好。该电磁铁的研制成功,从根本上解决了产品体积和电磁力之间的矛盾。参考文献:
[1]贺湘炎.电器学[M].北京:机械工业出版社,1987.[2]方鸿发.低压电器[M].北京:机械工业出版社,1982.
电器整机固有频率的重要措施。参考文献:
[1]