低壓電器中直流電磁鐵線圈參數計算

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行元件，將電能轉變為機械能的電器或電器部件。根據實際設計情況快速地計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，使電磁吸力及電磁鐵的可靠性達到直流電磁鐵最優化設計需求。

關鍵詞：磁通勢;電磁鐵結構;線圈導線匝數;線圈導線直徑;線圈導線直流電阻

0引言

一般地，直流電磁鐵磁場與電流大小、線圈繞線匝數及中心的鐵磁體有關。所以設計人員在設計電磁鐵時，會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鐵磁物質產生吸力，將電能轉變機械能的電器或電器部件。當在通電螺線管內部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管產生的磁場所磁化，即磁化后的鐵芯也變成了一個磁體，則大大增強磁場，從而使動鐵芯可靠動作，屬非永久磁鐵，人為地將電磁鐵磁性啟動或消除。因此在工業電器設計、制造、檢驗過程中經常涉及到電磁鐵工作氣隙、線圈匝數、直流電阻、線圈繞線直徑及鐵芯尺寸計算，線圈繞線材質、鐵芯材質選擇。一般地，電磁鐵的磁路及相關理論計算十分復雜和繁瑣，通常在實際設計工作中，工程技術人員往往根據電磁鐵結構、已知尺寸及參數計算待確定的技術參數。再對所得數據進行試驗驗證和數據校核，使新設計的電磁鐵具有結構簡單、經濟、可靠度高、壽命長等優點。

1、電磁鐵線圈形狀選擇

應根據實際情況設計成圓形或矩形狀，同時應考慮到線圈是否需要骨架及線圈骨架材質選擇，具體選擇原則如下：

矩形線圈主要用于交流電磁鐵，交流中的導磁體磁通是交變的，系統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計成矩形;直流電磁鐵導磁體多選用電工純鐵材料進行加工，同時圓形棒料有利于機械切削加工，故直流電磁鐵線圈及線圈骨架多采用圓形。

2、電磁線圈計算

2.1電磁鐵計算已知數據（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外形尺寸計算

①.線圈厚度 2nrC，n-線圈厚度比值系數，小尺寸電磁鐵n=0.5～2.6?????? 線圈繞線匝數計算0.8，大尺寸電磁鐵n=0.25～0.5

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

③.外徑計算

④.線圈高度

2.3計算電磁鐵設計點工作氣隙值δ0

已知數據：rc-鐵芯半徑（m）;Bδ-在線圈工作電壓下限值

（U1=0.85Ue）時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-電磁鐵設計點吸力（N）;

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

δ0-電磁鐵設計點的工作氣隙值（cm）;μ0=4π×10-7H/m;

各種直流電磁鐵最適宜的Kφ值（N0.5/cm）

2.4? 磁通勢計算

工作電壓下限值時磁通勢（IN）1計算：

額定工作電壓時磁通勢（IN）計算：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時的線圈磁通勢（A）;

（IN）1-線圈工作電壓下限值（U1=0.85Ue）時的線圈磁通勢（A）;

設計點在銜鐵打開位置時，Ki=0.2～0.55;設計點在主觸頭剛接觸位置時，Ki=0.55～1;

2.5? 繞線直徑計算

已知線圈額定工作電壓Ue、電流I（A）、線圈匝數N（匝），繞線電阻率、鐵芯半徑以及線圈厚度、額定工作電壓Ue時的磁通勢（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 線圈繞線匝數計算

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），計算線圈繞線匝數N（匝），

2.7? 線圈直流電阻計算

已知線圈繞線直徑d（m）、線圈繞線匝數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、結束語

綜上所述，直流電磁鐵磁感應強度、電磁吸力大小可以通過改變電磁鐵電流大小、線圈繞線匝數或鐵芯尺寸來實現;其磁極可以通過改變電流方向來控制等。即：磁場磁感應強度大小、方向可以通過改變電磁鐵電壓進行改變。所以電磁鐵的最優設計在于合理選擇電磁鐵結構型式，線圈尺寸、直流電阻、線圈繞線匝數、線圈繞線線徑等，設計人員可通過上述公式快速地計算或修正電磁鐵線圈相關參數，從而達到直流電磁鐵最優化設計需求。

參考文獻：

[1] 賀湘琰主編，《電器學》第2版，機械工業出版社

[2] 張冠生，陸儉國主編.電磁鐵與自動電磁元件.北京：機械工業出版社，1982

[3] 方鴻發主編.低壓電器.第2版.北京：機械工業出版社，1988[4]馬鏡澄等編.低壓電器.北京：兵器工業出版社，1993

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：低壓工業電器結構設計及制造