《电气控制与工程实习指南 教学课件 ppt 作者 丁学文 第四章 电磁铁与直流电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气控制与工程实习指南 教学课件 ppt 作者 丁学文 第四章 电磁铁与直流电机（117页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 电磁铁与直流电机,4.1 电磁铁,4.1 电磁铁（Solenoid）,电磁铁是利用通电线圈吸引衔铁运动，将电能转化为机械能的一种电器。电磁铁主要由铁心、衔铁和线圈三部分组成，其中衔铁是可移动部分。大型电磁铁可用于牵引设备、电磁吸盘、磁力吊等起重设备，小型电磁铁常用作接触器、电磁阀、继电器等元件的基本部件。电磁场的产生如图4-1所示。,图4-1 磁场的产生,4.1.1 电磁铁的分类,电磁铁的结构形式多样，按照衔铁运动方式的不同，可分为拍合式、曲柄式、水平动作式、垂直动作式和活塞式五种，如图42所示。 拍合式电磁铁的衔铁与转轴绞接，当线圈得电时产生电磁吸力，吸引衔铁向铁心方向运动直至与铁心
2、拍合。 曲柄式电磁铁的衔铁上附加了一个连杆机构，使电磁吸力的方向由垂直方向转变为水平方向。此种结构的优点是利用连杆吸收衔铁吸合时产生的冲击，避免冲击直接传递到触点上，常用于既要需要吸合稳定，又要减少冲击的场合。,4.1.1 电磁铁的分类,水平动作式电磁铁的衔铁受到电磁吸力的作用，沿直线运动与铁心吸合，这是最常用的一种结构形式。 垂直动作式电磁铁除了运动方向不同，其他与水平式电磁铁的运动方式类似。 活塞式电磁铁的线圈内部有一个铁质的活塞杆，当线圈得电时，活塞杆受到吸引，压缩弹簧，使常开触点闭合，常闭触点断开。当线圈失电时，弹簧使活塞杆复位。其动作示意如图43所示。,图42 电磁铁 的结构形式,衔
3、铁,衔铁,返回4,图43 活塞式 电磁铁,弹簧,活塞,常闭触点,线圈,电源,电源,活塞,常开触点,a)常闭触点,b)常开触点,返回5,4.1.2 电磁铁的结构,电磁铁由线圈、铁心和衔铁构成，当线圈得电时，吸引衔铁与铁心吸合，衔铁可以和多种机械结构连接，实现电磁控制，例如衔铁与接触器的触点相连接实现电路的通、断等等。电磁铁的动作主要受到以下几个因素的影响: 1. 涡流; 2. 气隙; 3. 短路环,4.1.2 电磁铁的结构,1.涡流 当铁心处于变化的磁场中时，在铁心中会感应出涡流，涡流会引起铁心发热。为减小涡流，交流电磁铁的铁心和衔铁由多层相互绝缘的薄硅钢片叠压而成，将涡流限制在一层内，减小涡流
4、从而减少铁心发热。如图44所示。对于直流电磁铁，因为磁场恒定，不存在涡流，所以其铁心可以由整块纯铁制成。,4.1.2 电磁铁的结构,2. 气隙 为了避免噪声，电磁铁的衔铁在吸合位置应尽量使磁路完全闭合。所以在制造电磁铁时，其铁心和衔铁的结合面应该保持平整。当线圈失电时，剩磁会使衔铁仍然保持在吸合位置，无法快速与铁心脱开，为了避免这种现象，常常在加工时衔铁和铁心之间保留很小的气隙。如图45所示。,铁心叠片,4.1.2 电磁铁的结构,返回9,3. 短路环,单相交流电磁铁产生的电磁吸力是交变的，每周期内要过零两次，过零时电磁力减小会使衔铁振动而产生噪声，所以在铁心或衔铁表面应安装短路环，其材质多为铜
5、或铝质材料。如图46所示，利用短路环可以建立一个辅助磁场，以保证主磁场和辅助磁场不同时过零，以减小振动。如果没有短路环或者短路环损坏，电磁铁的噪声和磨损都会增大，同时温度上升，其使用寿命会大大缩短。,4.1.3 技术参数,电磁铁的两个主要技术参数是线圈电压和线圈电流。电压参数分为启动电压、吸持电压和释放电压；电流参数分为启动电流和吸持电流。 1. 电磁线圈 电磁线圈用环氧树脂或玻璃丝加强的聚酯树脂封装起来，目的是为了增加机械强度和机械寿命，而且能够防潮，如图47所示。此种结构的缺点是，在线圈故障时，只能整体更换，无法维修。,4.1.3 技术参数,2. 线圈启动电流和吸持电流 线圈得电时的启动电
6、流比维持其在吸合状态时的吸持电流大。如图48所示，通常线圈的启动电流约为吸持电流的610倍。启动电流大的原因主要有两个： （1）在线圈得电一段时间后，线圈发热使内阻值增大，使得电流下降，线圈在热态的电流大约为冷态的80左右。 （2）当线圈得电的瞬间，电路中的阻抗主要为线圈的电阻（阻值很小），随着衔铁向铁心方向移动，气隙减小，磁路磁阻显著减小，线圈的电感和感抗增加，导致电路中的总阻抗显著增加，线圈电流显著减小。,线圈的启动电流和吸持电流常用启动功率和吸持功率表示。例如，某线圈额定电压110V，启动功率为550 VA，吸持功率为55 VA，则其启动电流和吸持电流分别为5 A (550/110 =
7、5 A)和0.5 A (55/110 = 0.5 A)。用伏安值表示，是为了便于得到负载在启动和运行时从电源获得的功率大小。如图48所示。,3. 线圈电压参数,在线圈两端施加电压产生磁场，磁场产生电磁力吸引衔铁。线圈电压决定了电磁吸力的大小。线圈允许的电压波动范围为线圈额定电压的10%，电压过高会使线圈过热。电压过低时产生的电磁力不足会使衔铁吸合不稳。 大部分电磁铁的能使衔铁开始移动的最小电压值称为启动电压。能维持衔铁吸合的最小电压值称为吸持电压。电压逐渐减小到能够使衔铁释放的电压值称为释放电压。通常吸持电压高于启动电压，释放电压低于启动电压和吸持电压（因为吸合所需要的力要大于释放的力）。 最
8、小启动电压是额定电压的80%85%；吸持电压略高于启动电压，但一般要低于额定电压的90%；释放电压一般为额定电压的70%左右。准确的电压值取决于衔铁所连接的负载和电磁铁的安装位置。衔铁吸合所需要的力越大，电压值越高。,4. 电压波动,电压波动常常会导致电磁铁损坏。 电压过高的影响 当线圈电压过高时，会引起电流升高而导致线圈过热，破坏线圈的绝缘。同时过高的电压会产生过大的电磁力，使衔铁在吸合时冲击过大，导致其结合面磨损严重，降低了电磁铁的使用寿命。 电压过低的影响 当线圈电压过低时，电磁力减小。尤其是当电压高于启动电压又低于吸持电压时，很大的启动电流（610倍的吸持电流）会较正常启动时持续的时间
9、更长，很快使线圈发热，甚至烧毁。同时衔铁的振动增加，导致噪音增加和机械部件过度的磨损。,4.1.4 电磁铁选型原则,了解负载情况 电磁铁及其相关部件的寿命由负载决定，当过载时，电磁铁不能正常吸合就会导致噪声增加、线圈过热甚至线圈烧毁。为避免过载发生，要准确的计算负载对电磁铁的要求，计算出在指定的吸合距离时所需要的电磁力。 允许一定范围内的低电压 随着电压的降低，电磁力呈平方倍的降低，例如，当电压为20V时所产生的电磁力为80牛顿，当电压降低至10V时，产生的电磁力只有20牛顿。通常选择电磁铁所能提供的电磁力，是按照线圈电压为额定电压的85%为依据进行选择的。,4.1.4 电磁铁选型原则,尽量减
10、小吸合距离 吸合距离越小，动作越快、功耗越小、吸力越大，能减少线圈发热，增加使用寿命。同时还具有降低成本、减小不必要的冲击力、减少磨损等优点。 不要使用尺寸过大的电磁铁 选用尺寸过大的电磁铁会使成本增加、消耗增加，而且需要更大的安装距离。过大的电磁力也会使电磁铁及其附件承受更大的冲击力，降低机械寿命。,4.1.5 电磁铁选型方法,推动式或是拉动式 电磁铁根据使用方式不同，可以产生推力或拉力。例如，门闩上使用的是拉力；而在夹具上大部分使用的是推力。 吸合距离 例如，门闩的最大吸合距离约为13mm。 电磁力或电磁转矩 查阅生产厂家的说明书，选择对应所需电磁力或电磁转矩的电磁铁型号。如图4-10所示
11、，当负载所需推动电磁力为4牛顿时，可选择型号为MQ1-0.7Z的电磁铁，它的额定推力为7牛顿。,4.1.5 电磁铁选型方法,工作周期 利用电磁铁的特性表，也可以查出其工作周期是否满足应用。例如，型号为1-100的制动电磁铁在连续工作制（TD=100%）时可以每小时操作20次，在短时工作制（TD=40%）时，可以每小时操作300次。 安装形式 生产厂家会提供安装形式代码表，安装形式通常有左边、右边、双边、顶部、底部等，可以根据要求选用合适的电磁铁。 电压等级 见制造商提供的电压等级代码表。主要的电压等级有24V、110V、220V和380V等几种。,图4-9 a) 制动电磁铁 b) MQ1牵引电
12、磁铁,图4-10 MQ1系列电磁铁,4.1.6 电磁铁的应用,电磁铁的应用范围很广，例如，家用的门铃、门闩等；电气设备中的接触器、继电器等，如图411所示；机械设备中的电磁制动、电磁牵引；工业中的电磁阀、电磁吊等，还有许多其它用途均与电磁铁有关。,图411 交直流接触器和电磁继电器,4.1.6 电磁铁的应用,1. 液压与气动系统中的应用,电磁阀 是液压和气动控制系统的典型元件。电磁阀是利用电磁铁产生的电磁力来推动阀芯运动，以改变流体（压缩空气或液压油等）流动方向的元件。电磁阀中的方向控制阀通过控制流体的流动方向来操纵执行元件的运动。方向控制阀可以按照接口数和切换位置分类，也可按照操作方式分类。
13、,1. 液压与气动系统中的应用,（1）切换位置 如图4-12所示，两位手动方向控制阀有、两个位置。三位手动方向控制阀有0、三个位置。阀内阀芯可以移动的位置数称为切换位置数，简称为“位”。一般一个方向控制阀可以有两到三个位置。 （2）接口 所谓接口，是指阀上的流体进出口，通常称之为“通”。大部分方向控制阀均为两通或三通阀。如图4-13所示，两位三通阀的一个位置使“接口1”和“接口2”接通，另一个位置使“接口2”和“接口3”接通。两位阀常用作截止阀、排气阀等。,图4-12 两位阀、三位阀,a)两位阀 b)三位阀,两位 三位,图4-13 两位三通阀/两位五通阀,手动,二位三通阀,2.在制冷系统中的应
14、用,在制冷系统中常用直动式两位阀。如图4-15所示，两位阀与入口管和出口管相连，可以组成一个常闭控制单元：当电磁铁得电时，阀门打开；失电时，阀门关闭。也可以组成一个常开控制单元：当电磁铁得电时，阀门关闭；失电时，阀门打开。,图4-15直动式二位阀常闭控制,2.在制冷系统中的应用,多种不同功能的电磁阀在制冷系统中的应用，如图4-16所示，利用两线制或三线制温控器控制液压管路上的电磁阀。比如，除霜周期开始，热蒸汽阀打开，开始给蒸发器加温除霜。温控阀根据温度传感器测量的温度值按比例的打开阀门的的开口度，起到调温的作用。,电磁阀,温控阀,冷凝器,蒸发器,压缩机,入口,出口,除霜电磁阀,温控阀,图416
15、 电磁阀在制冷系统中的应用,温度检测,旁路调节,电磁阀,温度检测,常开电磁阀,燃气源,燃烧器,常闭电磁阀,空气,常闭燃油电磁阀,常开回油电磁阀,泵,蒸汽回,蒸汽源,燃油源,重油预热器,417 电磁阀在燃烧 系统中的应用,燃烧验证 常闭电磁阀,通风,常闭电磁阀,电磁铁还用于燃烧器系统，如图4-17所示。在此系统中电磁阀是关键的通断控制元件。该系统的燃料可以是燃气，也可以是重油。使用重油作燃料时需要热蒸汽预热。,3. 在燃烧系统中的应用,电磁铁可以做成电磁吸盘，用于冶金、矿山、机械、交通运输等行业吊运钢铁等导磁性材料作业中，也可用于电磁机械手，夹持钢铁等导磁性材料，图4-18所示为轧钢厂里吊运钢卷
16、用的电磁吸盘。,图4-18 电磁吸盘,4. 在起重设备中的应用,除了工业上的应用，电磁铁还用到很多其他领域。例如汽车、照相机、绣花机和飞机上均普遍使用电磁铁作为执行元件。在传动系统中用作电磁抱闸。,5. 其他多种用途,电磁抱闸,4.1.7 电磁铁的故障诊断,1. 电压异常 电磁铁允许的电压波动范围是额定电压的10%。可以利用数字万用表测量交、直流电磁铁线圈两端的电压。如图419所示。当线圈电压过高时，会引起电流过高而导致线圈过热，破坏线圈的绝缘。当线圈电压过低时，电磁力减小。尤其是当电压高于启动电压又低于吸持电压时，很大的启动电流（610倍的吸持电流）会较正常启动时维持的时间更长，长时间的大电流很快使线圈发热，甚至烧毁。,电磁阀,允许在额定电压的10%范围内波动,额定电压 直流24V,图419 检查电压,4.1.7 电磁铁的故障诊断,2. 频率异常 常用电磁铁的额定频率为50 Hz 或 60 Hz。通常欧洲、亚洲、大部分南美国家的频率为50 Hz 。
