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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2-1电磁铁磁系统的种类,2-1电磁铁磁系统的种类 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、吸人式和旋转式。 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
2、图2一1(a）所示。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-1电磁铁磁系统的种类,二吸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2-1电磁铁磁系统的种类,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 2-1电磁铁磁系统的种类,效果演示,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 2-1电磁铁磁系统的种类,四、极化电磁铁1.工作原理:除有线圈产生的p以外，还有永久磁铁产生永久磁铁磁通m1和m2
3、,使一个气隙中的p与与m1同向，而另一个气隙中与m2反向，衔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. 5-3)安匝、吸合功率达10mw，这已经算是很高灵敏度了但是极化电磁铁的吸合磁势只需(0.5-1)安匝，吸合功率只需(5-10) 10-6W.可见极化电磁铁的灵敏度是相当高的。 (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
4、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(1-2) ms,而目前电磁式电磁铁最快的吸合时间也要(5-10) ms.,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,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=IN)不变时，作用在衔铁上的电磁吸力Fem,与工作气隙间的关系，即Fem=() ；或作用在衔铁上的电磁力矩Tem与工作转角a之间的关系，即Tem= （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
5、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,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,一、电磁铁中能量的转换 当电磁铁的线圈接入电源后，衔铁上便有磁通，并产生吸力，使衔铁移动而作机械功。 显然，机械功来源于电源，是电源输出能量的一部分下面分析电源能量和机械功的关系，从而确定机电能量转换的关系。图2-6是一个拍合式直流电磁铁原理结构图。当合上开关K并保持衔铁不动时，由于电路里有电感，,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,电流不能立即达到稳定值u/R (u为电源电压,R为回路总电阻），而是逐渐增长，并使线圈产生
6、一个自感电势e，它们的相互关系如下 u=-eiR=ddtiR 其中， = N 为磁链。 当电流增长趋于稳定状态时，磁链也停止增长，自感电势为零，电能转换为磁能结束。,将上式两边乘以idt,得到在dt时间内的能量平衡方程式，即 ui dtid i2Rdt式中：uidt为电源供给的能量；id 必为储藏在磁系统内的能量；i2Rdt为线圈电阻发热损耗，故储藏在磁系统内的能量为 We =0 id =0 iNd,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,二、吸力计算公式上面讨论了当电磁铁的衔铁保持不动时，电能和磁能的关系下面进一步讨论衔铁在电磁吸力作用下移动一个距离而做机械功时，电能、磁能和
7、机械之间的转换关系，从而确定吸力。,当气隙为1，而线圈磁动势为i1N1时，储藏与磁系统内的磁能为Wc1,而 Wc1 =1 0 iNd由于 iN=Um+U所以 Wc1 = 1 0 Umd + 1 0 UdWc1也可以用磁路计算中的图解法所作的局部磁化曲线和气隙磁导线与纵坐标所包围的面积来表示，如图2一7所示。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,Wc1 S0B11+SAB1b1 当吸片由1移动到2时，磁系统又从电源中吸取了一部分能量Wm，而 Wm=21 iN d Sb1b22 同理，当气隙为2时，磁系统内储能为wc2 而 W C2 S0B22+SAB2b2,因此，机械功 WW
8、c1+Wm-Wc2S0B11+SAB1b1+Sb1b222SoB22SAB2b2即 WSAB1B2另外由图7可见： SAB1B2=SB1DA -SB1DB2而当=2一1很小时，面积B1 DB2相对于面积B1 DA来说为二次无穷小，所以机械功W就能近似用三角形B1 DA的面积来表示，即,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,WSB1DA =1/2B1DAc1,B1DC1D一C1 B1AC1 tg a2一AC1 tgal U12U11U1 W=1/2 U1 上式表示储藏在磁系统内的磁能减少了W，这是因为衔铁在电磁吸力的作用下移动一个距离作了机械功，,也就是说该机械功是由储藏在磁系
9、统内磁能的变化量W转换来的。根据Fd=W/即可确定电磁铁的吸力计算公式。 当趋向于无限小时，则电磁吸力的计算式为Fcm=-1/2U2(d/d) (N) (2-1)式中负号表示向减小的方向。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,上式也可以用和dR/d来表示。因为U= R，而A =1/R，d/d=-1/R dR/d,将这些关系代人上式，即得Fcm=-1/22(dR/d) (N) (2-2)对于旋转式电磁铁，往往要求的是电磁力矩值Tcm，,此时，当吸片旋转a弧度时所作的机械功W=T.ava,式中Tw为a弧度内电磁力矩的平均值，所以Tav=-W/a同理可求得电磁力矩的计算公式Tem
10、=-1/2 U2(d/d) (N.m) (2-3)或Tem=1/2 U2(d/da) (N.m) (2-4)式中a用弧度来表示。在应用式(2一3)和式(2一4)时, 及R应表示为a的函数关系。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,如果工作气隙不大，可以忽略散磁通，并假定气隙内的磁通分布是均匀的，即假定气隙内的磁通密度B为常数，则吸力计算公式就能进一步简化。因为这时R=/0S，而dR/d=1/0S,式中S为气隙截面积，代人式（2-2）即得Fem=2/20S=B2S/20 (N) (2-5)式中：B的单位为T ; S的单位为m2；01. 25 X 10-6 H/mo,如果B的单
11、位用Gs, S的单位用cm 2 , Fd的单位为kg,则式(2一5)改写成下列形式Fem=(B/5000)2S (Kg) (2-6)或 Fem=(/5000)2(1/ S) (Kg) (2-7) 这个公式通常称为麦克斯韦吸力公式，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B为常数的条件下求得的，因此只适用于平行极端面而气隙又较小的情况,效果演示,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,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
12、。下面讨论各种电磁铁的吸力特性。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,1.拍合式电磁铁 对于如图2一1(a）所示的吸片绕棱角旋转的U形拍合式电磁铁，其工作气隙中的主磁通对吸片产生吸力。吸片转动时，漏磁通变化不大，因此可以用公式（2一1）计算吸力。又由于吸片转角a和气隙一般很小，可以近似认为气隙磁导 = 。S/ ，式中S为极靴面积，而d / d = - 。S/ 2,代入式（）得： Fem =1/2U2 (。S/ 2) (N) 为了大致观察一下当IN=常数时，吸力特性Fd=(1)的变化规律，可忽略铁磁阻和非工作气隙的磁阻，因此U 就近似等于线圈总磁动势IN，即等于常数而不随变化
13、。此时，F=c/ 2 ,c为常数，即符合二次双曲线函数(y = c/x2）的关系，如图2一8中虚线1所示。,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,实际上，导磁体内总会有磁阻，所以U并不是常数而是随的减小而减小。因为减小时磁通增大，导磁体内磁压降会增大。因此，实际吸力特性将偏离双曲线，并且愈小，铁磁压降就愈大，曲线的偏离也会愈大，如图2一8中曲线2(ININ1）所示,插图,第二章直流电磁铁及其典型应用2-直流电磁铁磁的吸力特性,线圈磁动势由IN1,增大为IN2时，吸力特性上移，如图2-8中曲线3所示。若忽略铁磁阻而假定U IN，则在某一气隙下，F. (IN) 2 我们知道，二次
14、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2-直流电磁铁磁的吸力特性,2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，见图2一9。此时可将作用于可动铁芯上的电磁力Fem看成是由两部分力合成，即 Fem = FemFem式中, Fem是通过主工作气隙的主磁通中产生的端面吸力，而Fem是漏磁通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-直流电磁铁磁的吸力特性,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2-10。图中曲线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-直流电磁铁磁的吸力特性,
