電磁鐵與永磁體在電磁鎖應(yīng)用實(shí)例中的對(duì)比分析

李連鵬?曹榮告

摘要：由于磁鎖通過磁鐵磁力來吸引金屬件以實(shí)現(xiàn)被鎖件與鎖緊件的扣合與開啟。但是電磁鐵與永磁體在磁鎖的應(yīng)用中所起的作用有所不同，本文對(duì)電磁鐵與永磁體在電磁鎖應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：電磁鐵；永磁體；電磁鎖

一、背景介紹

在裝備制造業(yè)行業(yè)中，磁鐵以其獨(dú)特的特性被廣泛應(yīng)用在自鎖機(jī)構(gòu)中。其中磁鎖是通過磁鐵磁力來吸引金屬件以實(shí)現(xiàn)被鎖件與鎖緊件的扣合與開啟。本實(shí)例在實(shí)驗(yàn)階段采用永磁體來實(shí)現(xiàn)此功能，考慮到永磁體易被抄襲和模仿，現(xiàn)試驗(yàn)使用電磁鐵來代替永磁體實(shí)現(xiàn)此功能。

永磁體性能參數(shù)如下：

1.永磁體外形尺寸：φ14mm×15mm

2.永磁體理論吸力：3.14×0.7cm×0.7cm×100N/cm2 =153N （實(shí)際吸力與被吸物體的材質(zhì)、外形、距離等因素有關(guān)）

3.本實(shí)例中，永磁體與被吸物之間的距離為7.5mm。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該規(guī)格永磁體在上述條件下使用時(shí)吸力穩(wěn)定可靠，可以滿足使用需求。

二、電磁鐵與永磁體方案對(duì)比分析

①電磁鐵方案保密性強(qiáng)，不易被模仿和抄襲，更不易被仿造；

②電磁鐵必須使用電源才能生效，因此，一旦脫離電源，不能夠打開鎖緊機(jī)構(gòu)，電磁鐵方案使用地點(diǎn)相對(duì)固定；

③電磁鐵方案，通電與否決定了鎖緊機(jī)構(gòu)磁性有無，鎖緊機(jī)構(gòu)簡單易操作；

④電磁鐵磁力空白區(qū)域較大，而單個(gè)永磁體體積較小，兩個(gè)磁體之間磁力空白區(qū)域小。

⑤永磁體價(jià)格相對(duì)于電磁鐵較低。

⑥永磁體磁力一直存在。電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力，斷電后磁力消失。若使用黑色密封材料將永磁體包裹在保持架內(nèi)，則永磁體使用起來較為方便。

⑦頻繁通斷電，容易燒壞電磁鐵，同時(shí)也導(dǎo)致電磁鐵壽命下降。

三、電磁鐵方案分析

（一）電磁鐵相關(guān)概念

①定義：電磁鐵是通電產(chǎn)生電磁的一種裝置，通常在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電繞組，這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性，叫做電磁鐵。我們通常把它制成條形或蹄形，以使鐵芯更加容易磁化，另外，為了使電磁鐵斷電立即消磁，我們往往采用消磁較快的軟鐵或硅鋼材料來制作，這樣的電磁鐵在通電時(shí)有磁性，斷電后磁性就隨之消失；

②電磁鐵磁力計(jì)算公式：F=A*（I*W）2，F(xiàn)為吸力（單位為牛頓），I為線圈電流（單位為安培），W為線圈匝數(shù)（無單位），A為與線圈橫截面積、鐵芯材質(zhì)、氣隙等結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)。

（二）電磁鐵種類

①交流電磁鐵：一般大型吸盤式電磁鐵采用交流電控制，使用220V交流電壓。交流電磁鐵啟動(dòng)力較大，但可靠性較差，噪音大，壽命較短。

②直流電磁鐵：使用24V或者12V直流電壓，體積小，工作可靠，使用壽命較長。

經(jīng)對(duì)比分析后，本實(shí)例中采用直流電磁鐵。

（三）選型

某公司提供的目前市場上使用較普遍的電磁鐵型號(hào)：PS25、PS34、PS40、PS49

（四）實(shí)驗(yàn)

根據(jù)需要，我們選擇以下電磁鐵產(chǎn)品作為本次性能對(duì)比試驗(yàn)用電磁鐵，具體型號(hào)為：PS25、PS34、PS40、PS49各兩個(gè)來進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)所有被測試的電磁鐵替代永磁體吸引金屬件均不能達(dá)到使用需求。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所選電磁鐵吸力在間隔距離≥1mm后衰減嚴(yán)重；

（五）實(shí)驗(yàn)分析

增加電磁鐵對(duì)金屬件吸引力的幾種方式：

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，以下幾方面因素影響電磁鐵對(duì)金屬件的吸引力：

①被吸物體材質(zhì)。純鐵的吸引力最佳。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)采用金屬件為Q235材質(zhì)，含有少量的碳及硫、磷等雜質(zhì)，會(huì)一定程度的影響吸力，純鐵質(zhì)地較軟，不適宜本試驗(yàn)機(jī)構(gòu)使用。

②被吸物體表面平整度。表面越平整，吸引力越大。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)金屬件被吸表面光滑平整。

③被吸物體的吸合面面積大小。若吸合面大于電磁吸盤，效果最佳。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)金屬件被吸表面外形尺寸為10mm×30mm，最小的標(biāo)準(zhǔn)電磁吸盤直徑為25mm。因此，可以通過加大金屬件表面積來增加吸引力。

④被吸物體與電磁吸盤之間距離。電磁鐵使用時(shí)應(yīng)與被吸引物體完全貼合，即使有間距，距離不應(yīng)大于1mm。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)金屬件與電磁吸盤之間的距離為7.5mm（其中接觸面壁厚厚度為4mm，彈簧高度為3.5mm）。距離加大后，吸力成幾何級(jí)數(shù)衰減。若試驗(yàn)機(jī)構(gòu)壁厚厚度尺寸變小需調(diào)整整個(gè)機(jī)構(gòu)體積，操作起來流程較復(fù)雜，需整體更改機(jī)構(gòu)外形尺寸，實(shí)施難度較大。彈簧高度亦無相對(duì)調(diào)整空間，且彈簧若變小后影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

⑤被吸物體厚度。厚度在10mm以上最佳。

⑥提高回路電流。標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵一般選用的電壓為24V和12V，本次實(shí)例實(shí)驗(yàn)選用的為24V電壓電磁鐵。線圈的電流與電壓U和線圈電阻R相關(guān)，U=I*R，過高的電壓會(huì)產(chǎn)生較大電流，而較大電流會(huì)導(dǎo)致線圈過熱并易被燒毀，同時(shí)當(dāng)電流上升到一定數(shù)值會(huì)產(chǎn)生磁飽和，吸力不會(huì)再增加。

⑦增加匝數(shù)。提高線圈匝數(shù)需增加電磁鐵外形尺寸，需定制非標(biāo)準(zhǔn)電磁鐵，價(jià)格昂貴。且匝數(shù)增加后，電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度僅僅在較小距離內(nèi)加強(qiáng)，1mm以外并無明顯增加。對(duì)于本實(shí)例應(yīng)用工況無明顯改善。

四、永磁鐵方案分析

（一）磁鐵組件組成

磁鐵組件由磁鐵保持架和一周75個(gè)φ14×15的永磁鐵（釹鐵硼材質(zhì)）組成。磁鐵與保持架之間用膠粘接。磁鐵上部采用黑色密封材料密封，達(dá)到保密效果。

（二）成本分析

永磁體使用數(shù)量75個(gè)，單價(jià)18元。在經(jīng)濟(jì)適用性方面，永磁體價(jià)格較低廉。

五、結(jié)語

綜上所述，電磁鐵由于存在電磁衰減現(xiàn)象，因此不適用于該機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)，同時(shí)，由于該機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)需要經(jīng)常打開與扣合，因此，電磁鐵在設(shè)備穩(wěn)定性方面也不及永磁鐵。

參考文獻(xiàn)：

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