电磁铁电磁力计算方法.

收稿日期:2009203220作者简介:张　齐(1984-),男,辽宁海城人,沈阳化工学院硕士研究生。

第27卷第3期2009年7月沈阳师范大学学报(自然科学版)Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science )V ol.27N o.3J ul.2009文章编号:1673-5862(2009)03-0306-04基于Ansoft 的比例电磁铁电磁力的有限元分析张　齐(沈阳化工学院信息工程学院,辽宁沈阳　110142)摘 要:在Ansoft 的Maxwe112D 有限元软件中建立模型,分析比例电磁铁固定铁芯与可动铁芯锥面形状、吸合面位置、磁性材料对电磁铁电磁力的影响。

计算表明不同的锥面形状、不同的锥面长度和厚度、吸合面位置在零点之上、选用高饱和磁感应强度的材料可获得较好电磁力,计算结果可以用于比例电磁铁的优化设计。

关　键　词:Ansoft ;比例电磁铁;固定铁芯;可动铁芯;吸合面位置;磁性材料中图分类号:TM 503 文献标志码:A0　引 言比例电磁阀具有对油质要求不高、控制性能好的优点,在电控喷油系统、流量控制系统中得到越来越广泛的应用。

比例电磁铁为比例电磁阀的关键部件,其功能是将输入的电流信号,转换成力或位移信号输出,其轴向推力与线圈电流成正比例[122]。

比例电磁铁在其工作行程内,电磁力很大程度上保持不(a )开关电磁铁;(b )比例电磁铁图1　力2位移特性曲线变,以此区别于普通开关式电磁铁。

如图1所示,这种吸力特性,是通过工作气隙的特殊造型和导磁体磁力的引导而形成。

开关式和比例式电磁铁的差别并不完全取决于电磁铁本身,比例电磁铁通最大电流时相当于开关式电磁铁,开关式电磁铁通不同的电流时也会产生不同的推力[3]。

Maxwe112D 是Ansoft 系统中设计电磁铁内容的重要组成部分,是一个功能强大、计算精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件,可用来分析电磁铁尺寸、边界条件、磁场力、磁通密度等。

第四节电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈所产生的强磁场来吸引铁磁物质（衔铁）动作的电器。

它广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。

电磁铁由励磁线圈、铁心和衔铁组成，其结构如图3-17所示。

工作时，电流通入励磁线圈产生磁场，使铁心和衔铁都被磁化，衔铁受到电磁力的作用与铁心吸合，而电磁铁的衔铁可带动其他机械零件或触点动作，实现各种控制和保护。

断电时，磁场消失，衔铁在弹性力的作用下释放。

当衔铁为被加工的工件时，则起到固定工件位置的作用，如磨床中常用的电磁吸盘。

因此电磁铁在生产上的应用非常广泛。

根据电磁铁线圈中所通过的电流不同，可分直流电磁铁和交流电磁铁两大类。

一、直流电磁铁1、直流电磁铁的吸力直流电磁铁的励磁电流是直流。

可以证明，直流电磁铁的衔铁所受吸力为式中B0——空气隙的磁感应强度（Wb/m2）；S——空气隙磁场的截面积（m2）；F——电磁铁的吸力（N）。

2、直流电磁铁特点直流电磁铁采用直流电流励磁，铁心中的磁通恒定，没有感应电动势产生，因而线圈的励磁电流由电源电压和线圈内阻决定。

如果电源电压和线圈内阻不变，则励磁电流不变，所以磁动势NI也不变。

因此直流电磁铁具有以下特点：·线圈中的直流励磁电流只取决于电源电压和线圈电阻，是不变的。

·直流电磁铁在衔铁吸合过程中气隙是逐渐变小的，磁路中磁阻也逐渐变小。

根据磁路欧姆定律（Φ=N I/Rm）可知，励磁电流不变时，磁通与磁阻成反比，在衔铁吸合过程中磁通逐渐变大，由此说明直流电磁铁的吸力F的大小与衔铁所处空间位置有关，电磁铁在起动（开始吸合）时的吸力，要比工作时（吸合后）的吸力小很多。

二、交流电磁铁当交流电磁铁的铁心线圈通入正弦交流电时，铁心中便产生交变磁通，线圈的端电压和铁心中磁通有以下关系式中f——外加励磁交流电的频率（Hz）；N——铁心线圈的匝数；Φm——铁心中磁通的最大值（Wb）；U——外加电源电压的有效值（V）。

从式中我们可看到，当电源频率和线圈匝数一定时，铁心中磁通的最大值与电源电压的有效值成正比。

电磁力定律公式电磁力定律公式可是物理学中非常重要的一部分哦！咱们先来说说电磁力定律公式到底是啥。

简单来讲，电磁力定律公式描述了电荷在电磁场中所受到的力。

就像我们在生活中，有时候风会吹动树叶，电磁场对电荷的作用就类似于风对树叶的影响。

其中，最常见的电磁力定律公式就是库仑定律和安培力定律啦。

库仑定律说的是两个静止点电荷之间的作用力，就好比两个小朋友在操场上站着，他们之间会有一种相互拉扯的力量。

而安培力定律呢，则是描述了电流在磁场中所受到的力。

记得我曾经给学生们讲电磁力定律公式的时候，有个小同学瞪着大眼睛问我：“老师，这电磁力到底能用来干啥呀？”我笑着跟他说：“你想想看啊，咱们家里的电器，像电视、冰箱、洗衣机，它们能正常工作，可都离不开电磁力的作用呢。

”比如说，咱们的手机充电的时候，电流通过电线，这里面就有电磁力在帮忙传输能量。

还有电动车，那电机的运转，也是电磁力在发挥作用。

电磁力定律公式在现代科技中的应用那可是相当广泛。

就拿磁悬浮列车来说吧，它能够悬浮在轨道上快速行驶，靠的就是电磁力的巧妙运用。

列车上的电磁铁和轨道上的电磁铁相互作用，产生了让列车悬浮起来的力，减少了摩擦力，速度就能大幅提高啦。

在工业生产中，电磁起重机也是个很好的例子。

它利用电磁力来吊起沉重的钢铁物件，省了不少人力和物力。

再回到我们的学习中，要想真正掌握电磁力定律公式，可不能光死记硬背哦。

得通过做一些实际的题目，来感受一下这些公式是怎么运用的。

就像学骑自行车，光知道理论不行，得上车去骑一骑，才能真正掌握平衡的技巧。

有一次，我给学生们布置了一道关于电磁力定律公式的题目，让他们计算一个通电导线在磁场中受到的力的大小。

结果收上来一看，有些同学的计算过程那叫一个混乱。

我就把这些同学叫到一起，一步一步地带着他们重新分析题目，找出问题所在。

看着他们恍然大悟的表情，我心里那叫一个欣慰。

总之，电磁力定律公式虽然看起来有点复杂，但只要我们用心去学，多联系实际生活中的例子，就一定能够掌握它，并且运用它去探索更多神奇的科学世界。

1.通电持续率：电磁铁的工作状态为反复短时工作制，基本型电磁铁通电持续率为50-60%，高频电磁铁通电持续率为75%，一个工作周期通常为10分钟左右。

即：TD%= tp /(tp+tn)×100%tp为工作时间； tn为休止时间。

电磁铁从通电吊起被吸物、送到目的地，到释放被吸物的整个一段时间为工作时间tp；返回原来位置的时间为休止时间tn；一个周期是工作时间与休止时间之和。

即在一个工作周期内有tp的时间通电用来吊运的，另有tn的时间用于停电放料后返回原来吸料场地。

电磁铁使用时，请按额定TD执行，若超标准长期使用，会使电磁铁温升过高，影响电磁铁使用寿命。

2.绝缘：电磁铁线圈两引出线与顶盖外壳之间的电阻称为绝缘电阻。

冷态绝缘电阻不小于10ＭΩ。

3.耐压：耐压是指在电磁铁线圈与顶盖外壳间施加工频3000V高电压，持续一分钟，无击穿、闪络等现象，即认为电磁铁对地绝缘正常。

4.电磁力：电磁铁工作时电磁力的计算依据麦克斯韦方程。

5.磁路：磁路的计算满足基尔霍夫磁路定律。

6.吸力安全系数Kr的确定根据不同的被吸物确定安全系数。

Kr=F/GF：电磁吸力； G：额定吊运重量7.电磁吸力的计算F=(B^2)S/2μ0…………………………⑵F：电磁力； B：气隙磁密；S：磁极与负载接触面积μ0：真空导磁系数8.结构设计首先需对所设计的产品进行结构确认，根据被吸物的工艺技术资料，产品的外形结构；并根据电磁铁的原理确定具体的磁路结构形态。

根据电磁场理论和经验合理地选择B值和S值，确定主磁路中铁芯的截面积具体尺寸。

具体结构设计是根据生产现场需要选定的。

并依据磁通连续性原理，铁芯内的磁通与顶板中的磁通大致相等，即Φ01=Φ02,而Φ=BS，由此可确定磁轭板的厚度结构。

9.磁路计算起重电磁铁线圈的结构确定后，磁路就对应地确定了。

根据基尔霍夫磁路第一第二定律，进行磁路的分段计算：IN=∑HiLiI：电磁线圈励磁电流；N：电磁线圈线圈匝数；Hi：分段磁路对应磁场强度；Li：分段磁路对应长度。

L O G O 本章讲授内容（其中红色内容是重点）1．磁场的能量磁场能量的计算方法。

2．能量转换与电磁力的普遍公式虚位移原理、实用的电磁吸力计算公式。

3．麦克斯韦电磁吸力公式4．恒磁势与恒磁链条件下的吸力特性恒磁势与恒磁链条件下的吸力计算公式。

5．交流电磁吸力的特点与分磁环原理交流电磁吸力的计算方法、分磁环的参数计算。

6．静态吸力特性与反力特性的配合第十章电磁系统的吸力计算和静特性第十章L O G O 教学目的与要求：1、掌握麦克斯韦电磁吸力公式，熟悉能量转换与电磁力的普遍公式，了解恒磁势与恒磁链条件下的吸力。

2、掌握交流电磁吸力与分磁环的原理，熟悉静态吸力特性与反力特性的配合。

第十章电磁系统的吸力计算和静特性第十章L O G O 教学基本内容：1、磁场的能量；2、能量转换与电磁力的普遍公式；3、麦克斯韦电磁吸力公式；4、恒磁势与恒磁链条件下的吸力；5、交流电磁吸力与分磁环的原理；6、静态吸力特性与反力特性的配合。

第十章电磁系统的吸力计算和静特性第十章L O G O 教学重点与难点：1、能量转换与电磁力的普遍公式，麦克斯韦电磁吸力公式；2、交流电磁吸力与分磁环的原理和特性配合。

通过本章节的学习，学生应掌握能量平衡电磁吸力计算公式和麦克斯韦电磁吸力计算公式各自的适用范围，从实用的观点出发，后者较前者更有意义；还应掌握交流电磁吸力的计算与分磁环所解决的问题；熟悉静态吸力特性与反力特性的配合，是决定电磁系统特性指标与工作性能优劣的重要因素。

第十章电磁系统的吸力计算和静特性第十章§10-1 磁场的能量L O G O第十章一、磁场具有能量,该能量由外界能源在磁场建立过程产生。

电磁系统磁场建立过程的电路示意图。

L O G O 图中，电路电压平衡方程为：d E iRe iR dtϕ=−=+将上式两端均乘以“idt ”，并对其积分，有左端项表示电源在过渡过程中供给电路的能量，右端的第一项表示电阻在过渡过程中的发热损耗，第二项表示储存在磁场中的能量。