1 设计目标参数
设计的电磁铁需要达到以下性能参数:
|推力|最大行程|工作电压|工作电流|
|:-😐:-😐:-😐
|195N|2.0mm|28V|3A|
2 设计流程
2.1 设计推力的确定
要求在工作时电磁铁推力不小于195N。一般电磁铁在设计时安全系数取1.2。
因此设计推力Fn=195∗1.2=234NF_n=195*1.2=234NFn=195∗1.2=234N,也就是F=Fn/9.8=23.88kgF=F_n/9.8=23.88 kgF=Fn/9.8=23.88kg。
取F=24 kg。
2.2衔铁直径的确定
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=2mmδ=2mmδ=2mm时的吸合力F=24kgF=24 kgF=24kg,则电磁铁的结构因数:
K=Fδ=240.2=24.5
K= \frac{\sqrt F}{δ}= \frac{\sqrt {24}}{0.2} =24.5
K=δF=0.224=24.5
按照资料《电磁铁结构因数与型式关系表》,电磁铁的结构形式应为平面柱挡板中心管式。


根据同一资料《电磁铁结构因数与型式关系表》里的“图6-1选取工作气隙磁感应强度的曲线”,结构因数K=24.5K=24.5K=24.5对应的磁感应强度约等于10000Gs(高斯)。即Bp=10000GsB_p=10000 GsBp=10000Gs。
当然了此文档是好多年前的了,随着材料技术的进步,现在材料的磁感应强度应该优于Bp=10000GsB_p=10000 GsBp=10000Gs。
一般电磁铁的铁芯采用DT4系列的电工纯铁材料制作,国标《GB/T 6983-2008:电磁纯铁》中第7.2.3节的表2中有DT4系列材料的特性。

从表中可以看出DT4系列材料的磁感应强度一般在(1.2~1.8)T范围呢。1T=10000Gs1T=10000Gs1T=10000Gs。
崔学琴2004年发表于《中国航空学会控制与应用学术年会》上的文章《YDF-42电磁铁的设计计算》中选择的磁感应强度$ B_p=14000 Gs$。
综合考虑三方面资料的来源,选取Bp=14000GsB_p=14000 GsBp=14000Gs。
由吸力公式
F=(Bp5000)2×π4×dc2 F=( \frac {B_p}{5000})^2×\frac {π}{4}×d_c^2 F=(5000Bp)2×4π×dc2
式中:BpB_pBp——磁感应强度(GsGsGs)dcd_cdc——活动铁芯直径(mmmmmm)
可求得衔铁直径
dc=(5800×F)Bp=(5800×24)14000=2.03cm=20.3mm d_c=\frac{(5800×\sqrt {F})}{B_p} =\frac{(5800×\sqrt {24})}{14000} =2.03cm=20.3 mm dc=Bp(5800×F)=14000(5800×24)=2.03cm=20.3mm
取dc=20mmd_c=20mmdc=20mm
注:经计算系数应为5642,此处取了5800。dcdcdc的计算值变大,相当于增加了安全系数。
2.3外壳内径的确定
在螺管式电磁铁产品中,外壳内径D2D_2D2与铁芯直径dcd_cdc之比值n约为2~3,取n=2.7
D2=n×dc=2.7×20=54mm D_2=n×d_c=2.7×20=54 mm D2=n×dc=2.7×20=54mm
式中:D2D_2D2——外壳内径,单位:mmmmmm。
2.4线圈厚度的确定
bk=(D2−dc)2−∆ b_k=\frac{(D_2-d_c)}{2}-∆ bk=2(D2−dc)−∆
式中:$ b_k——线圈厚度,单位:——线圈厚度,单位:——线圈厚度,单位:mm$ $ ∆——线圈骨架及绝缘厚度,单位:——线圈骨架及绝缘厚度,单位:——线圈骨架及绝缘厚度,单位:mm$
取∆=1.7mm∆=1.7mm∆=1.7mm
bk=(54−20)2−1.7=15.3mm b_k=\frac{(54-20)}{2}-1.7=15.3 mm bk=2(54−20)−1.7=15.3mm
取bk=16mmb_k=16 mmbk=16mm。
2.5线圈长度的确定
线圈的高度IkI_kIk与厚度bkb_kbk比值为βββ,则线圈高度
Ik=β×bk I_k=β×b_k Ik=β×bk
式中:IkI_kIk——线圈长度,单位:mmmmmm
βββ值根据参考资料选取经验数据为β=3.4β=3.4β=3.4,则线圈的高度Ik=3.4×16=54.4mmI_k=3.4×16=54.4 mmIk=3.4×16=54.4mm。
2.6导线直径的确定
导线直径d的计算公式:
d=(4×ρ×Dcp×IW)Ud=\sqrt{\frac{(4×ρ×D_{cp}×IW)}{U}}d=U(4×ρ×Dcp×IW)
式中:DcpD_{cp}Dcp——平均直径,单位:mmm
Dcp=dc+bk=0.02+0.016=0.036mD_{cp}=d_c+b_k=0.02+0.016=0.036 mDcp=dc+bk=0.02+0.016=0.036m
IWIWIW——线圈磁势(安匝)
IW=(IW)z+(IW)cm+(IW)kIW=(IW)_z+(IW)_{cm}+(IW)_kIW=(IW)z+(IW)cm+(IW)k
式中:(IW)z(IW)_z(IW)z——消耗在气隙中的磁势
(IW)z=(Bp×δ)μ0×10−8(IW)_z=\frac{(B_p×δ)}{μ_0} ×10^{-8}(IW)z=μ0(Bp×δ)×10−8
(IW)cm(IW)_{cm}(IW)cm和(IW)k(IW)_k(IW)k——消耗在铁芯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(IW)_{cm}+(IW)_k=α×IW(IW)cm+(IW)k=α×IW
式中:α=0.15−0.3α=0.15 - 0.3α=0.15−0.3
由此可得线圈的磁势为
IW=(Bp×δ)μ0×(1−α)×10−8(安匝)IW=\frac{ (B_p×δ)}{μ_0×(1-α) }×10^{-8}(安匝)IW=μ0×(1−α)(Bp×δ)×10−8(安匝)
式中:BpB_pBp单位:GsGsGs,δδδ单位:cmcmcm,空气导磁系数:μ0=1.25×10−8H/cmμ_0=1.25×10^{-8}H/cmμ0=1.25×10−8H/cm
电磁铁在实际应用时,电压可能降低至85% UHU_HUH,为了保证在电压降低后,电磁铁仍然能够可靠的工作,上式计算所得安匝数应该是指电压降低至85%$ U_H时的磁势,用时的磁势,用时的磁势,用(IW)_1$表示
(IW)1=14000×0.21.25×10−8×(1−0.3)×10−8=3200安匝(IW)_1=\frac{14000×0.2}{1.25×10^{-8}×(1-0.3)}×10^{-8}=3200 安匝(IW)1=1.25×10−8×(1−0.3)14000×0.2×10−8=3200安匝
电源电压为额定值时的磁势为
IW=(IW)10.85=3764.7安匝IW=\frac{ (IW)_1}{0.85}=3764.7 安匝IW=0.85(IW)1=3764.7安匝
电磁铁设计时一般取工作温度为150℃,由下表可知,20℃时铜的电阻率ρ20=1.678×10−8Ω•mρ_{20}=1.678×10^{-8} Ω•mρ20=1.678×10−8Ω•m,温度系数αR=0.00393℃−1α_R=0.00393 ℃^{-1}αR=0.00393℃−1。则100℃时铜的电阻率
ρ100=ρ20×(1+αR×(100−20))ρ_{100}=ρ_{20}×(1+α_R×(100-20) )ρ100=ρ20×(1+αR×(100−20))
ρ100=2.2055×10−8Ω•m=0.022056Ω×(mm)2/mρ_{100}=2.2055×10^{-8} Ω•m=0.022056 Ω×(mm)^2/mρ100=2.2055×10−8Ω•m=0.022056Ω×(mm)2/m

d=4×ρ×Dcp×IWU=4×0.022056×0.036×3764.728=0.6535mmd=\sqrt{\frac{4×ρ×D_{cp}×IW}{U}}=\sqrt{\frac{4×0.022056×0.036×3764.7}{28}}=0.6535 mmd=U4×ρ×Dcp×IW=284×0.022056×0.036×3764.7=0.6535mm
查线规表,依据国标《GB/T6109.1-2008漆包圆绕组线第1部分:一般规定》中关于漆包线直径的规定,选择最接近的线径d=0.67mmd=0.67mmd=0.67mm。带绝缘后的直径d=0.749mmd=0.749mmd=0.749mm(2级)。
2.7线圈匝数W的确定
W=1.28×IWj×d2W= \frac{1.28×IW}{j×d^2 } W=j×d21.28×IW
式中:jjj——容许电流密度(A/mm2A/mm^2A/mm2),
j=Iq=4Iπ×d2=4×3π×0.672=8.5091A/mm2j=\frac {I}{q}=\frac{4I}{π×d^2}=\frac{4×3}{π×0.67^2 }=8.5091 A/mm^2j=qI=π×d24I=π×0.6724×3=8.5091A/mm2
W=1.28×(IW)jd2=1.28×3764.78.5091×0.67×0.67=1261.5576匝≈1262匝W=\frac{1.28×(IW)}{jd^2 }=\frac{1.28×3764.7}{8.5091×0.67×0.67}=1261.5576匝≈1262匝W=jd21.28×(IW)=8.5091×0.67×0.671.28×3764.7=1261.5576匝≈1262匝
注:电流I取3A,工作参数中已给定。
2.8电阻的确定
线圈平均匝长
lcp=π×(DH+D1)2l_{cp}=\frac{π×(D_H+D_1 )}{2} lcp=2π×(DH+D1)
DH=D1+2bkD_H=D_1+2b_k DH=D1+2bk
D1=dc+2∆D_1=d_c+2∆ D1=dc+2∆
式中:DHD_HDH——线圈外直径
D1D_1D1——线圈内直径
D1=dc+2∆=20+2×1.7=23.4mmD_1=d_c+2∆ =20+2×1.7=23.4 mmD1=dc+2∆=20+2×1.7=23.4mm
DH=D1+2bk=23.4+2×16=55.4mmD_H=D_1+2b_k=23.4+2×16=55.4 mmDH=D1+2bk=23.4+2×16=55.4mm
lcp=π×(DH+D1)2=π×(55.4+23.4)2=123.78mm=0.12378ml_{cp}=\frac {π×(D_H+D_1 )}{2}=\frac{π×(55.4+23.4)}{2}=123.78 mm=0.12378 mlcp=2π×(DH+D1)=2π×(55.4+23.4)=123.78mm=0.12378m
线圈电阻
R=ρ40×lcp×Wπ4×d2=0.01991×0.12378×1262π4×0.672=8.8215ΩR=ρ_{40}×\frac {l_{cp}×W}{\frac{π}{4}×d^2 }=0.01991×\frac {0.12378×1262}{\frac{π}{4}×0.67^2 }=8.8215 ΩR=ρ40×4π×d2lcp×W=0.01991×4π×0.6720.12378×1262=8.8215Ω
3 特性验算
虽然已经完成初步设计,但是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。因此为了电磁铁工作可靠,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。
3.1吸力计算
F=(∅5000)2×1S(1+αδ)F=(\frac {∅}{5000})^2×\frac{1}{S(1+αδ)}F=(5000∅)2×S(1+αδ)1
忽略铁磁阻和漏磁通,这样气隙中的磁通
∅Z=IW×GZ×108∅_Z=IW×G_Z×10^8 ∅Z=IW×GZ×108
式中:磁导GZ=μ0×πdc24δG_Z=μ_0×\frac {πd_c^2}{4δ}GZ=μ0×4δπdc2,空气导磁系数μ0=1.25×10−8H/cmμ_0=1.25×10^{-8} H/cmμ0=1.25×10−8H/cm
GZ=μ0×πdc24δ=1.25×10−8×π×224×0.2=19.635×10−8HG_Z=μ_0×\frac {πd_c^2}{4δ}=1.25×10^{-8}×\frac {π×2^2}{4×0.2}=19.635 ×10^{-8} HGZ=μ0×4δπdc2=1.25×10−8×4×0.2π×22=19.635×10−8H
∅Z=IW×GZ×108=3764.7×19.635=73919.71Mx∅_Z=IW×G_Z×10^8=3764.7×19.635=73919.71Mx∅Z=IW×GZ×108=3764.7×19.635=73919.71Mx
式中:ααα——修正系数,一般取3~4,这里取α=4α=4α=4 SSS——铁芯截面积
S=πdc24=π×224=3.14159cm2S=\frac{πd_c^2}{4}=\frac {π×2^2}{4}=3.14159 cm^2 S=4πdc2=4π×22=3.14159cm2
F=(∅5000)2×1S(1+αδ)=(73919.715000)2×13.1416(1+4×0.2)=38.65公斤F= (\frac {∅}{5000})^2×\frac {1}{S(1+αδ)} =(\frac {73919.71}{5000})^2×\frac {1}{3.1416(1+4×0.2)} =38.65公斤F=(5000∅)2×S(1+αδ)1=(500073919.71)2×3.1416(1+4×0.2)1=38.65公斤
计算出来的推力大于设计推力,因此以上设计参数使可取的。
【参考】
(1) 论文:《YDF-42电磁铁的设计计算》 作者:崔学琴
(2) 资料:《电磁铁结构因数与型式关系表》 网址:https://wenku.baidu.com/view/ec1221909b89680202d82507.html
(3) 国标:《GB/T 6983-2008:电磁纯铁》
(4) 国标:《GB/T 6109.1-2008漆包圆绕组线第1部分:一般规定》
(5) 论文:《各种结构形式电磁铁通用的磁路计算公式和方法》作者:左全璋
(6) 论文:《电磁铁吸力计算及仿真分析研究》 作者:梅亮 等