MZ6-8_0型直流电磁铁的设计
第4期2004年12月
机电元件
E L ECTR OM ECHAN I CAL COM PO NENTS
Vol 124No 14
Dec 12004
研究与设计
M Z6—810型直流电磁铁的设计
邵冬阳
(中国电子科技集团公司第四十研究所, 安徽 蚌埠 233010)
摘要:按一般的分类形式, MZ6—810型直流电磁铁属于直流吸入式电磁铁, 工作状态是短时不重复, 应用于高温环境。设计研制过程中的关键点和难点是电磁系统的设计。采用了具有饱和磁分路的磁系统, 使电磁铁获得平稳的吸力特性。文章从原理分析、总体设计、设计计算等方面进行了论述。
关键词:高温; 直流; 电磁铁
中图分类号:T M574 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2004) 04-0013-04
1 引 言
随着科学技术的发展, 电磁铁作为一种动作元件得到越来越广泛的应用。电磁铁是一种将电磁能量转换为机械能量的能量转换装置。我们研制的MZ6—810型电磁铁主要应用于柴油机的排温控制
3 总体设计
311 结构选型与总体布置
在进行电磁铁产品设计时, 首先要根据设计任务书的要求, 并考虑实际使用情况, 进行结构选型与总体布置。
该电磁铁的额定行程较大, 达11mm , 且铁心在额定行程内作直线运动。为满足这些条件, 电磁铁采用吸入式且有饱和磁分路的结构形式。具体的电磁系统结构如图1。
系统。由于柴油机工作时周围空气温度较高, 而电磁铁安装在柴油机上, 所以电磁铁需具有耐较高温度的能力, 同时要求电磁铁抗振动、冲击性能好。
2 研制目标
主要技术指标如下:额定电压额定电流额定吸力环境温度冲击振动稳态湿热介质耐压绝缘电阻寿命
24Vd 1c 1;
≥80N;
-20℃~100℃;
7814m /s ±918m /s , 300次; 35Hz ±5Hz, 011mm; 96h;
500Va 1c 1, 1m in;
1———端盖; 2———铁心; 3———线圈组件; 4———外壳组件
2
2
图1 电磁系统结构图
Ω; ≥20M 5000次。
312 材料与镀层
(1) 铁心与磁导体的材料选取
收稿日期:2004-02-10
软磁材料的磁性能和加工性能是材料选取时需考虑的因素。铁心材料选用DT4C 电工纯铁, 磁导体材料选用10号钢。材料的磁性能与其成分、加工方式(特别是热处理) 有很大关系, 所有磁性材料必须进行煨磁处理。
(2) 漆包线的选取
学镀镍、电镀镍处理。313 原理分析
吸入式电磁铁的吸力由两部分组成, 即主工作气隙的主磁通所产生的端面吸力和漏磁通与线圈导线电流作用而产生的电动力(也称螺管力) , 但螺管力占的比例不大。螺管力不受磁路饱和所限, 增大I W 即可增大螺管力。
无论是吸入式还是拍合式的电磁系统, 其静态吸力特性都比较陡, 因此电磁铁通电吸合时产生较大的撞击。为了减少因撞击而造成的机构磨损, 希望吸力特性变得平坦一些。如果在吸入式电磁铁中引入一个磁分路, 其等值磁路图如图2, 则可以使吸力特性变得平坦。
由于电磁铁工作于高温环境, 漆包线选用耐温和绝缘性能好的QY —2/220。
(3) 绝缘材料的选取
所有绝缘材料的选取都要考虑耐高温的要求。(4) 镀层
所有金属材料均应耐腐蚀, 也可以经过镀层处理达到耐腐蚀要求。电磁铁零件分别采用镀锌、化
(a ) 磁系统的原理磁路图(b ) 各部分磁导的等值磁路图
图2 具有磁分路时的等值磁路图
磁分路器的作用不单是由于它从主工作气隙中分走了一部分主磁通, 更由于它减少了整个主工作气隙的磁阻和气隙磁压降U δ, 因此使吸力减少。图2中G δ为主工作气隙的磁导, G f 为非工作气隙的磁导, G t 为磁导体的磁导, G 0为主工作气隙端面间的主磁导, G 1为漏磁导, G tf 为磁分路器的铁磁导, G 2为铁心与磁分路器之间的磁导。由于在主工作气隙区域内加了一个铁质的分路器, 就会使δ增大(因为并联了G 2及气隙总磁导G δ及d G δ/d
G tf ) 。对磁分路器饱和型电磁铁, 由于磁分路器高
度饱和, 限制了分路磁通, 因此, 吸力在很大范围内保持不变。314 设计计算
δf =0105mm; h =4714mm; l a =2615mm; l k =53mm;
d 1=2919mm; d 2=30mm; δ=0~11mm; d w =65mm;
电磁铁磁系统简化图和结构参数如图3。
δr =0105mm; m =815mm; b =012mm 。图3 电磁铁磁系统简化图和结构参数
电磁铁的设计方法迄今为止仍欠完善, 对于该结构电磁铁的磁场并未能建立一套完整的数学模型进行准确的计算, 因此掌握一些经验数据和实际资料, 并能熟练加以运用, 再配合一定的试验, 将有利于电磁铁设计计算的顺利完成。
电磁铁设计计算的一般步骤是由吸力F 、行程δ、额定电压、吸力特性曲线等参数来确定电磁铁的几何尺寸与安匝。由于在设计过程中参考了一些经验数据, 经过设计初算与试验, 所以本文重点就选取的几何尺寸与安匝, 来验算行程为8mm 时的吸力F 能否满足设计要求, 合同的指标为大于80N 。
(4) : 将r 1=15mm , r w =3215mm 代入公式
g =1102×10H /m
-5
将I W =113×1700×018=1768A, l a =2615mm , l k =53mm 代入公式(3) :
F 螺管=
22-5
) ×(1768) ×(1102×10) ×253
(5)
=4(N )
当δ=8mm 时, F 端面1适用公式(1) , 此时, 磁分路器饱和, 分路磁通为:
Φ1=B S 1
2
(6)
式中, B 为磁分路器饱和磁感应强度, T; S 1为δ=8mm 时截得的磁分路器的面积, m 。此时取B =115T, S 1=2318π×10m , 则Φ1=3517π×10W b 。分路磁导为:
-6
-6
2
计算电磁吸力的公式有两种, 即适用于大气隙的能量平衡公式:
δ2d G
F =U δ
δ2d
(1)
G 2=
μ2πb 0
ln r 2/r 1
(7)
式中, U δ为气隙磁压降, A; G δ为气隙磁导, H; δ为气隙长度, m 。
和适用于小气隙的麦克斯韦公式:
Φ
F =
2μ0S
4π×10
-7
2
式中, b 为漏气隙轴向长度, m; r 1为铁心半径, m; r 2为磁分路器的内径, m 。
将b =012mm , r 1=1419mm , r 2=15105mm 代
(2)
入公式(7) :
G 2=1157×10
-7
(H /m) /1157×10
-7
式中, Φ为气隙磁通, W b; μ0为空气的磁导率,
H /m;S 为相对极面面积, m 。
2
U δ=Φ1/G 2
=3517π×10=714(A )
-6
正如前述, 吸入式电磁铁的吸力由两部分组成, 端面吸力可根据不同气隙用公式(1) 或(2) 来计算。螺管力的计算按下列公式:
F 螺管=
l 22(I W ) g ) 2l k
(3)
μd G 2πμδ0S 0
) =-2+
δd ln r 2/r 1δ
将δ=8mm 代入公式(8) :
δ=7188×10d G δ/d
(1) :
2-4
F 端面1=1/2×(714) ×(7188×10)
-4
(8)
式中, I W 为线圈磁势, A; g 为单位长度漏磁导, H /m;l a 为可动铁心伸入线圈内腔, 且与径向漏磁
-4
δ=7188× 将U δ=714A, d G 10代入公式δ/d
通相链部分的长度, m; l k 为线圈长度, m 。
根据图3所示的结构参数, 电磁铁在85℃环境温度、80%额定电压条件下进行计算。由于在整个行程上l a 的变化量相对l k 来说较小, 因此我们认为在整个行程上螺管力近似不变。根据同轴圆柱体的单位长度漏磁导公式:
g =
=20018(N )
80N 。
(9)
总的吸力F 1=F 端面1+F 螺管=20418(N ) 大于
将产品在85℃的环境温度下加额定电压, 实测行程上各点的吸力后, 绘制的产品的静态吸力特性曲线如图4, 可以看出它与负载特性的配合良好。
2πμ0
ln r w /r 1
(4)
4 结 论
按上述设计方法设计的电磁铁, 各项指标均满足设计要求。MZ6—810型电磁铁的试制成功, 满足了军事工程的急需, 还可推广应用于其它工业控制领域。参考文献:
[1]《航空电器》编写组1航空电器[M]1北京:国防
工业出版社, 19811
[2]贺湘琰1电器学[M]1北京:机械工业出版社,
图4 静态吸力特性和负载特性
20021
(上接第9页)
由此可以分析得到该双稳态含永磁继电器在掉电时完整的合力特性曲线。
铁与力传感器分离, 自动运行到另一稳态位置1,
图11 某双稳态含永磁继电器合力特性曲线a
Fig 111 Resultant f orce characteristic a of s ome magnetic latch relay with t w o steady states 图12 某双稳态含永磁继电器合力特性曲线b Fig 112 Resultant force characteristic b of s ome magnetic latch relay with t w o steady states
参考文献:
8 结 论
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[1]方鸿发, 贾继钧. 电器测试技术[M].北京:机械
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[2]梁慧敏, 张玉成, 翟国富. 电磁继电器静态吸反力特性测
栅位移传感器的电磁继电器静态吸反力特性测试装置, 填补了国内外对于航天电磁继电器静态吸反力特性实现较高精度自动化测试的空白。
(2) 通过实测几种类型的继电器, 分析发现
试方法的探讨[J]. 低压电器, 2003, (5) :50—53.
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