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1、第二章直流电磁铁及其典型应用电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸力，引起铁磁物质机械运动，把电能转换为机械能的一种电磁元件。线圈通人直流电，称为直流电磁铁。它由衔铁（吸片）、铁芯、线圈和返回弹簧等组成（以拍合式电磁铁为例）。本章重点研究它的原理、特性及其典型应用。第二章直流电磁铁及其典型应用 22电磁铁磁系统的种类繁多，但若按产生吸力的原理分，大体上可分为三大类型，即拍合式、吸 一、拍合式 拍合式电磁铁磁系统如图 2一 1(a）所示。 二、吸入式 三、旋转式 旋转式电磁铁磁系统如图 2一 4所示。 四、极化电磁铁一、拍合式拍合式电磁铁磁系统如图 2一 1(a）所示。第二章直流电磁铁及其典型应用
2、2人式电磁铁磁系统 如图 2一 2所示。第二章直流电磁铁及其典型应用 2图 2一 3所示为飞机上用来操作扰流片的电磁铁，实际上它就是组合在一起的两个吸人式电磁铁，线圈 1通电时衔铁向左运动，线圈 2通电时衔铁向右运动，实现打开扰流片和收起扰流片的操作。第二章直流电磁铁及其典型应用 2三、旋转式 旋转式电磁铁磁系统如图 2一 4所示。第二章直流电磁铁及其典型应用 2四、极化电磁铁 除有线圈产生的 有永久磁铁产生永久磁铁磁通 一个气隙中的 另一个气隙中与铁将向合成磁通大的一边运动显然，线圈的电流方向不同，衔铁的运动方向也不同这类电磁铁是有极性的，称为极化电磁铁。 极化电磁铁的主要特点： (1)能反
3、应线圈信号的极性，如上所述。在有些变换器中还能做到使衔铁的位移（或转角）正比于信号的大小。 (2)灵敏度高：目前对一般电磁式电磁铁的吸合磁势达 (2. 5匝、吸合功率达 10已经算是很高灵敏度了但是极化电磁铁的吸合磁势只需 (匝，吸合功率只需 (5 (3）动作速度快：由于极化电磁铁的结构特点（线圈尺寸小、吸片可以做得很轻，行程也小），因此可使线圈的机电时间常数很小，其灵敏度很高。某些极化电磁铁的动作时间只有 (1目前电磁式电磁铁最快的吸合时间也要 (5所谓吸力特性是指衔铁在不同位置且保持线圈电流 I(或磁动势 F=变时，作用在衔铁上的电磁吸力工作气隙 间的关系，即( ) ；或作用在衔铁上的电磁
4、力矩 与工作转角 （ a）为力矩特性。 吸力特性按照能量转换原理进行分析确定是较为方便的，下面将从能量转换原理的思路进行简单介绍。由于电磁铁是利用磁场作媒介，将电能转换为机械能的一种电磁元件，因此它的能量转换过程首先是由电能转换为磁能，然后再由磁能转换为机械能并作功，从而确定吸力特性磁铁中的能量转换+直流拍合式电磁铁假设：(1) 铁心不饱和； ( 常数 )(2) 忽略漏磁影响；(3) 当 变化时，铁心饱合程度不变；(4) 衔铁与静止铁心之间的气隙为 1，并保持不变。电能 磁场能为线圈匝数。，线圈的磁链，线圈的自感电势；线圈回路总电阻；式中，上式两边乘以 ti dR d i d t 2 间内在电
5、阻上消耗的电能电源在 间内提供的能量， 储在磁场中关 时电路平衡方程式为：+积分，得R d i d tt t 1 1 10 0 02 量。时间内转换为磁场的能；时间内电阻消耗的电能；时间内电源提供的能量1010210111d i d 式中对直流电磁铁，当电流达到稳定后， 0， 自感电势为零， I = U / R 。直流电磁铁磁系统的等值磁路磁系统的总磁势：m = t a 铁心磁阻的磁压降 的变化由系统的局部磁化曲线 = f (决定。气隙磁压降 U = R是线性的 。气隙磁导线：0部磁化曲线气隙磁导线0t = 0， = 0 ( i = 0 )； t = = 1 ( i = I )。磁场存储的能量
6、为 ：1 1 11 1 11 1 110 0 011d d A b BW i N u u U 磁铁的静吸力特性电磁铁的静吸力特性 是指衔铁处在不同位置并且静止时，保持线圈电流 (磁势 ) 不变的情况下，作用在衔铁上的电磁吸力 或电磁力矩 和工作气隙 的关系，即 f () 或 f () 。+设时间：t = t = 1= 2电磁吸力方向：指向静铁心端面O 21 2时磁场存储的能量：在这个过程中，磁系统吸收了一部分电能，转化为磁场能量，增加的磁场能量：2112 1时磁场存储的能量：22222 11111 221121 d W 由能量守恒定律知： 21机械功现在储存的能量原来储存的能量从电源吸收的新增
7、能量机械功： ( 2112112122222211111121可以忽略很小，很小时，当 112 1112212121( t a n t a n )21()2W D B A 2121 121 由此， ，又 22221)1(21 所以， 对衔铁做旋转运动的电磁铁，用完全相同的方法可推导出作用在衔铁上的电磁力矩。电磁力公式是根据拍合式直流电磁铁推导出的，该公式具有普遍性；根据相似的性质，可推导出交流电磁铁的公式。式中的负号表示电磁力的方向始终是指向使气隙减小的方向。 如果 s, , 式 (2一 5)改写成下列形式 000)2 ( (2 或 /5000)2(1/ ( (2 这个公式通常称为麦克斯韦吸力
8、公式，应用起来很方便，因为不必求气隙磁导的导数。但是，它是在假定 此只适用于平行极端面而气隙又较小的情况第二章直流电磁铁及其典型应用 2三、典型电磁铁的吸力特性 电磁铁的吸力与其工作气隙的配置、规律 以及铁芯的饱和程度均是相关的工作气隙处磁极的几何形状、电磁铁磁通的分布，因此各种典型电磁铁的吸力计算式和特性也是不同的。下面讨论各种电磁铁的吸力特性。同结构电磁铁的静吸力特性一、拍合式电磁铁其结构特点是气隙不大，气隙内磁场分布均匀。00202202 0 12 d 2 201()2 I N 忽 略 漏 磁 ， ， ， ，则当 铁 心 不 饱 和 时 ， ， ，则实际上 U并不是常数，而是随气隙 减小
9、而减小。 因此实际的静吸力特性在 较小时，将偏离双曲线。常数，根据上式，拍合式电磁铁静吸力特性为二次双曲函数。论特性实际特性12 )()( 当 加时，曲线上移。第二章直流电磁铁及其典型应用 2线圈磁动势由 大为力特性上移，如 图 2所示。若忽略铁磁阻而假定 U 在某一气隙下， F. (2 我们知道，二次双曲线函数很陡，也就是说，拍合式电磁铁的吸力将随着气隙的增大而减小很多，所以，这种电磁铁不宜用于吸片行程要求较大的情况第二章直流电磁铁及其典型应用 22吸入式电磁铁在吸人式电磁铁中，除了主磁通如对可动铁芯端面产生吸力外，可动铁芯侧面的壳体间的漏磁通叭与线圈导线电流作用产生电动力，使可动铁芯左移，
10、见图 2一 9。此时可将作用于可动铁芯上的电磁力 式中 , 通过主工作气隙 的主磁通 中产生的端面吸力，而 与线圈导线电流作用而产生的电动力，也称螺管力图 2一9所示为吸入式电磁铁通过的轴线的一个剖面， 效果演示第二章直流电磁铁及其典型应用 2在其上半部分画了可动铁芯段分布的漏磁通。该漏磁通对线圈导线产生的电动力企图使线圈右移（左手定则），而其反作用力却使动铁芯左移。当 较小时，其吸力特性与拍合式相近； 较大时，吸人式比拍合式大，因为此时螺管力比例增大，见图 2中曲线 1为吸入式，曲线 2为拍合式。因此吸入式适用于需要铁芯行程较大第二章直流电磁铁及其典型应用 2旋转式电磁铁转动时，通常漏磁通的变化并不大，因此，可以用公式 (2一 3)来计算电磁力矩。它与拍合式电磁铁不同，其衔铁运动的方向垂直于磁力线的方向。电磁力矩的方向总是力图使衔铁运动到使整个磁路内磁阻为最小的位置，因此，在如图 2一 4所示旋转式电磁铁中，电磁力矩的方向为逆时针方向。三、旋转式电磁铁气隙截面积A=(2 ) 铁心极面中心线与转子轴线间的夹角 ( 转子极面圆弧
