电磁铁设计计算书
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电磁铁设计计算书
河北科技大学电气工程学院 张刚
电磁铁设计中有许多计算方法，但有许多计算原理表达的不够清晰，本人参照“电磁铁设计手册”一书，对相关内容进行了整理补充，完成了一个直流110V拍合式电磁铁的计算。
设计一个拍合式电磁铁，它的额定工作行程为4mm，该行程时的电磁吸力为0.8公斤，用在电压110V直流电路上，线圈容许温升为65℃。
1) 初步设计
第一步：计算极靴直径
电磁铁的结构因数为：
0.82.20.4FK
查空气气隙磁感应强度与结构因数的经济表格，如下图所示：
从图中可查得，气隙磁感应强度最好取为pB=2000Gs。
极靴的表面积为：
222500050000.852000npSFcmB
极靴直径为：
4452.523.14nnSdcm
取nd=2.5cm，则24.9nScm。磁感应强度pB增加为2040Gs。
第二步，计算铁芯直径
材料采用低碳钢，其磁感应强度取cmB=11000Gs，漏磁系数取2，则： 2220404.91.1811000pncmcmBSScmB
铁芯直径为：
441.811.52cmcSdcm
取1.5cdcm，则21.77cmScm
第三步，计算线圈磁动势
线圈的磁动势NI为工作气隙磁动势、铁芯磁动势和非工作气隙磁动势的和，记为：
cmnNINININI
计算中，可取：
cmnNINIaNI
这里a=0.15~0.3,也就是铁芯磁动势和非工作气隙磁动势的和约占总磁动势的15%~30%。
因此，线圈的磁动势应为：
4207102040100.4109321141010.3ppBBNIaa安匝
系统一般要求电压降到85%Un时仍能正常工作，在额定电压Un下的磁动势为：110950.85NINI安匝
计算温升时，一般取额定电压Un的1.05~1.1倍，此时的磁动势为：
21.051150NINI安匝
第四步,计算线圈尺寸
1)推导计算线圈厚度公式
线圈的温升公式为：
mPS
这里：
：温升，单位℃；
P：功率，单位W；
m：线圈的散热系数，单位2/Wcm℃；
S：线圈的散热表面积，单位2cm。 a)线圈散热系数的经验值如下表所示。
表 线圈散热系数mu的经验值
线圈温升(℃) m(2/Wcm℃)
A类
线圈与铁芯柱间热传导良好时 B类
线圈与铁芯柱间热传导不良时
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85 11.00410
11.20410
11.41410
11.62410
11.80410
12.04410
12.25410
12.46410
12.68410
12.89410 9.84410
10.01410
10.19410
10.37410
10.54410
10.72410
10.99410
11.17410
11.35410
11.52410
b)散热表面积的计算方法
线图的散热表面种S的计算公式如下：
HmeSSS
这里：
HS：线圈的外表面面积(cm2)
eS：线圈的内表面面积(cm2)
m：表面系数，依结构确定。
线圈表面系数m的确定原则：
i)骨架为导热较差的绝缘材料时，m=0；
ii) 骨架为导热较好的金属材料时，m=1.7；
iii)无骨架时，m=0.9~1；
iv)线圈直接绕在铁芯上时，m=2.4。
2)线圈高厚比
线圈高厚比是线圈的高度kl和线圈的厚度kb之比，它与整个电磁铁的用铜量和用铁量有关，影响电磁铁的经济性。线较的结构如下图所示。
线圈高厚比选择如下表所示：
表 线圈高厚比经验取值
电磁铁型式 值
直流电磁铁 交流电磁铁
拍合式 带极靴 4~6
2 不带极靴 5~7
盘式 2~4 1~2
螺线管式 7~8 3~4
3)由温升确定线圈高度的计算公式
线圈消耗的功率可表示为：
222cpcpDDPIRINNIqqN
这里：
：电阻系数，单位2/mmm；
cpD：线圈的平均直径，1cpkDDb，单位m；
q:导线的截面积，单位2mm；
N：线圈匝数。
铜导线电阻系数的值如下表所示：
工作温度(℃) 电阻系数(2/mmm) 工作温度(℃) 电阻系数(2/mmm)
20 20=0.01754 90 90=0.02236
35 35=0.01857 105 105=0.02339
40 40=0.01991 120 120=0.02443
线圈的表面种可表示为：
112HmekkmkSSSDblDl
这里取m=1，则：
122kkcpkSDblDl
代入线圈温升公式，得： 2222cpmmcpkmkDNINIPqNSDllqN
这里：
qN表示线圈占的表面积，可用填充系数与线圈面积来表示。
填充系数kf表示线圈中导体铜截面所占面积与线圈的总面积之比，表示这：
MkkkkQqNfQbl
故：
22223222mkmkkkkmkkNININIlqNlfblfb
则：
2322kmkNIbf
但这里单位制还不统一，的单位是2/mmm，m的单位是2/Wcm℃，把统一化成2cm和mm，得：
23220kmkNIbf(mm)
本例中导线采用Q号漆包线，其最高容许温升为=65℃，查表知，其散热系数：
4212.0410/mWcm℃
选取线圈高厚比：
6
当温升=65℃，工作温度=65℃+40℃=105℃，则电阻系数：
20.02339/mmm
取填充系数：
0.45kf
则线圈厚度为：
223324210950.0233910.3202012.04100.45656kmkNIbmmf
取10kbmm，则61060klmm。 第五步，计算线圈直径
电压型线圈，有如下关系式：
cpDNIUIRNNq
这里：
24dq
则：
4cpDNIdmmU
这里：
1.51.02.50.025cpckDdbcmm
故：
440.023390.02510950.1579110cpDNIdmmU
查线规表，其邻近的直径为d=0.16mm，带绝缘漆后'0.18dmm。
第六步，计算绕圈匝数
电磁铁电流密度一般按如下取值：
a)长期工作制的电磁铁：j=2~4(A/mm2)；
b)反复短时工作制的电磁铁：j=5~12(A/mm2)；
c)短时工作制的电磁铁：j=13~30(A/mm2)；
这里取：
j=2.7A/mm2
线圈的匝数为：
2410954201003.142.70.16NINjd(匝)
