低壓電器中直流電磁鐵線圈參數(shù)計(jì)算

吳建生 曾誼 朱千彬 陸勝利 李錢公 陳威挺

摘要：直流電磁鐵是低壓電器中重要執(zhí)行元件，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電器或電器部件。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況快速地計(jì)算或修正電磁鐵電磁鐵線圈尺寸、直流電阻、線圈繞線直徑等參數(shù)，使電磁吸力及電磁鐵的可靠性達(dá)到直流電磁鐵最優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：磁通勢(shì);電磁鐵結(jié)構(gòu);線圈導(dǎo)線匝數(shù);線圈導(dǎo)線直徑;線圈導(dǎo)線直流電阻

0引言

一般地，直流電磁鐵磁場(chǎng)與電流大小、線圈繞線匝數(shù)及中心的鐵磁體有關(guān)。所以設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電磁鐵時(shí)，會(huì)注重線圈繞線的分布和鐵磁體選擇。低壓電器中涉及到的各種形式電磁鐵是一種通電后對(duì)鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，將電能轉(zhuǎn)變機(jī)械能的電器或電器部件。當(dāng)在通電螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)所磁化，即磁化后的鐵芯也變成了一個(gè)磁體，則大大增強(qiáng)磁場(chǎng)，從而使動(dòng)鐵芯可靠動(dòng)作，屬非永久磁鐵，人為地將電磁鐵磁性啟動(dòng)或消除。因此在工業(yè)電器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)過程中經(jīng)常涉及到電磁鐵工作氣隙、線圈匝數(shù)、直流電阻、線圈繞線直徑及鐵芯尺寸計(jì)算，線圈繞線材質(zhì)、鐵芯材質(zhì)選擇。一般地，電磁鐵的磁路及相關(guān)理論計(jì)算十分復(fù)雜和繁瑣，通常在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，工程技術(shù)人員往往根據(jù)電磁鐵結(jié)構(gòu)、已知尺寸及參數(shù)計(jì)算待確定的技術(shù)參數(shù)。再對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)校核，使新設(shè)計(jì)的電磁鐵具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

1、電磁鐵線圈形狀選擇

應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)成圓形或矩形狀，同時(shí)應(yīng)考慮到線圈是否需要骨架及線圈骨架材質(zhì)選擇，具體選擇原則如下：

矩形線圈主要用于交流電磁鐵，交流中的導(dǎo)磁體磁通是交變的，系統(tǒng)中有渦流和磁滯損耗，方形線圈有利于散熱，如交流接觸器線圈通常設(shè)計(jì)成矩形;直流電磁鐵導(dǎo)磁體多選用電工純鐵材料進(jìn)行加工，同時(shí)圓形棒料有利于機(jī)械切削加工，故直流電磁鐵線圈及線圈骨架多采用圓形。

2、電磁線圈計(jì)算

2.1電磁鐵計(jì)算已知數(shù)據(jù)（圖1所示）

①.電磁鐵額定工作電壓Ue（V）

②.鐵芯長度LC（m）

③.鐵芯半徑rC（m）

④.鐵芯直徑DC（m）

⑤.鐵芯與線圈之間間隙ΔC1（m）

2.2外形尺寸計(jì)算

①.線圈厚度 2nrC，n-線圈厚度比值系數(shù)，小尺寸電磁鐵n=0.5～2.6?????? 線圈繞線匝數(shù)計(jì)算0.8，大尺寸電磁鐵n=0.25～0.5

②.內(nèi)徑計(jì)算DC1DC2C12rCC1，式中ΔC1-線圈和鐵芯之間間隙。一般取0.0005～0.001（m）

③.外徑計(jì)算

④.線圈高度

2.3計(jì)算電磁鐵設(shè)計(jì)點(diǎn)工作氣隙值δ0

已知數(shù)據(jù)：rc-鐵芯半徑（m）;Bδ-在線圈工作電壓下限值

（U1=0.85Ue）時(shí)的工作氣隙磁通密度（T），查詢圖2;

a-U型排合式?????? b-平面磁極螺管式

F0-電磁鐵設(shè)計(jì)點(diǎn)吸力（N）;

Kφ-電磁鐵結(jié)構(gòu)因數(shù)（N0.5/cm），查詢表一Bδ-在線圈工作電壓下限值（U1=0.85Ue）時(shí)的工作氣隙磁通密度（T）;

δ0-電磁鐵設(shè)計(jì)點(diǎn)的工作氣隙值（cm）;μ0=4π×10-7H/m;

各種直流電磁鐵最適宜的Kφ值（N0.5/cm）

2.4? 磁通勢(shì)計(jì)算

工作電壓下限值時(shí)磁通勢(shì)（IN）1計(jì)算：

額定工作電壓時(shí)磁通勢(shì)（IN）計(jì)算：1

U-線圈額定工作電壓（V）;

U1-線圈工作電壓下限值（V），一般取U1=0.85Ue;

（IN）-線圈額定工作電壓Ue時(shí)的線圈磁通勢(shì)（A）;

（IN）1-線圈工作電壓下限值（U1=0.85Ue）時(shí)的線圈磁通勢(shì)（A）;

設(shè)計(jì)點(diǎn)在銜鐵打開位置時(shí)，Ki=0.2～0.55;設(shè)計(jì)點(diǎn)在主觸頭剛接觸位置時(shí)，Ki=0.55～1;

2.5? 繞線直徑計(jì)算

已知線圈額定工作電壓Ue、電流I（A）、線圈匝數(shù)N（匝），繞線電阻率、鐵芯半徑以及線圈厚度、額定工作電壓Ue時(shí)的磁通勢(shì)（IN）情況下求線圈繞線直徑d，由直流電壓線圈的電路方程（歐姆定律）和電阻定律有

2.6 線圈繞線匝數(shù)計(jì)算

已知線圈繞線直徑d（m），線圈額定工作電壓Ue（V）、電流I（A）、線圈繞線電阻率ρ（Ω.m）、線圈厚度Δ（m），計(jì)算線圈繞線匝數(shù)N（匝），

2.7? 線圈直流電阻計(jì)算

已知線圈繞線直徑d（m）、線圈繞線匝數(shù)N（匝）、鐵芯半徑rC（m）、線圈繞線電阻率ρ（Ω.m）、線圈厚度Δ（m），

五、結(jié)束語

綜上所述，直流電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁吸力大小可以通過改變電磁鐵電流大小、線圈繞線匝數(shù)或鐵芯尺寸來實(shí)現(xiàn);其磁極可以通過改變電流方向來控制等。即：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、方向可以通過改變電磁鐵電壓進(jìn)行改變。所以電磁鐵的最優(yōu)設(shè)計(jì)在于合理選擇電磁鐵結(jié)構(gòu)型式，線圈尺寸、直流電阻、線圈繞線匝數(shù)、線圈繞線線徑等，設(shè)計(jì)人員可通過上述公式快速地計(jì)算或修正電磁鐵線圈相關(guān)參數(shù)，從而達(dá)到直流電磁鐵最優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。

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作者簡介：

吳建生，男（1981年3月），漢族，貴州遵義人，工程師，研究方向：低壓工業(yè)電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造