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4045505560657075808511.0041011.2041011.4141011.6241011.8041012.0441012.2541012.4641012.6841012.894109.8441010.0141010.1941010.3741010.5441010.7241010.9941011.1741011.3541011.52410b)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4~62不带极靴5~7盘式2~41~2螺线管式7~83~43)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：222cpcpDDPIRINNIqqNg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)2020=0.017549090=0.022363535=0.01857105105=0.023394040=0.01991120120=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)
