电磁铁研制方案论证报告

1电磁铁研制方案论证报告 1.1电磁铁结构组成 电磁铁由固定衔铁、动衔铁组件和激励线圈组成，其中固定衔铁包括左固定衔铁1和右 固定衔铁2,动衔铁组件包括内侧动衔铁3、外侧动衔铁4、永久磁铁5和动作杆6 （轴）， 激励线圈包括由左内侧激励线圈7、右内侧激励线圈8组成的线圈组一和左外侧激励线圈9、 右外侧激励线圈10组成的线圈组二。两个线圈组用于实现双余度。永久磁铁（由4〜6块磁 瓦拼接成的永磁环）径向充磁，动衔铁组件各部分固联在一起。 1.2工作原理 1.2. 1激励线圈组无电流时的情况 当线圈中没有电流通过时，动衔铁组件有两个稳定的平衡位置，一个是动衔铁组件位于 左极限位置，另一个是动衔铁组件位于右极限位置。当动衔铁组件位于左极限位置时，左磁 路的磁阻很小而右磁路的磁阻很大，永久磁铁的发出磁通绝大部分通过左磁路，而只有很小 一部分通过右磁路，因此动衔铁组件被牢固地吸持在左极限位置；当动衔铁位于右极限位置 时，情况与上述相反，动衔铁组件被牢固地吸持在右极限位置。 动衔铁组件还存在一个不稳定的平衡位置，即动衔铁组件位于行程的中立位置。这时左 右气隙的距离相等，左右磁路的磁阻相等，磁通也相等，动衔铁组件受到左、右固定衔铁的 吸力大小相等，方向相反，因此动衔铁组件处于平衡状态。但是这是一种不稳定平衡，只要 气隙有微小变化，该平衡就将被破坏，从而回到左或者右极限位置。 所以，动衔铁组件实际上只存在两个平衡位置，正因如此，这种电磁铁又被称为双稳态 电磁铁。当线圈中没有电流时，由永磁体提供的电磁力将动衔铁组件吸合在左极限位置或右 极限位置。双稳态电磁铁的动衔铁在行程的两个极限位置上，不需要消耗任何能量即可保持。 1.2.2激励线圈组通有电流时的情况 当给激励线圈通以直流电流时，电流便沿磁路 产生磁通，磁路包含了左、右工作气隙, 由于永久磁铁在左、右工作气隙产生的磁通方向是相反的，因此通过其中一个工作气隙中的 磁通增大，而通过另外一个工作气隙的磁通减小，动衔铁组件最终沿磁通增大的方向运动。 (1) 由左极限位置向右极限位置运动 当动衔铁组件处于左极限位置时，将激励线圈中通以方向如图7的直流电流，该电流产 生的磁力线方向与永久磁铁在固定衔铁左端的磁力线方向相反，与永久磁铁在固定衔铁右端 的磁力线方向相同，因此左磁路中的磁通减小，固定衔铁左磁极对动衔铁组件的吸力减小； 右磁路中的磁通增加，固定衔铁右磁极对动衔铁组件的吸力增加。当电流增加到一定值时， 动衔铁组件所受的合成吸力将使动衔铁组件向右运动。一旦动衔铁组件向右运动，动衔铁组 件的左端与固定衔铁左磁极之间就出现了空气间隙，左端的磁阻开始增大，右端的磁阻开始 减小。静铁心左磁极对动铁心的吸力越来越小，右磁极对动铁心的吸力越来越大，动铁心向 右运动的合力越来越大，动铁心加速向右运动。这一过程一直持续到动铁心右端与静铁心的 右磁极接触，运动过程结束，这时动铁心重新被永久磁铁吸合，处于稳定状态。当切断激励 线圈的电流时，动铁心的位置不会改变。 (2) 由右极限位置向左极限位置运动 当极化电磁铁处于右极限位置时，给线圈中通以与上述方向相反的直流电流，该过程与 上述过程相反，动铁心向左运动，一直持续到动铁心左端与静铁心的左磁极接触，运动过程 结束。当切断控制线圈的电流时，动铁心被永久磁铁的作用牢靠吸持在左极限位置。 由上述可知，极化电磁铁将电磁铁与永久磁铁相结合，由永久磁铁实现两个极限位置的 保持功能，通过给控制线圈通正向电流或反向电流来提供能量，使动铁心从一个稳态过程过 渡到另外一个稳态。切换过程结束后，又由永久磁铁实现位置保持功能。 二电磁铁数学仿真模型及设计计算报告 2.1磁性材料的选择 固定衔铁和动衔铁选用软磁材料铁钻合金1J22,该材料具有饱和磁感应强度坊高（达 2.4T）,居里点高（达980°C ）等优点。适合作重量轻，体积小，耐高温的航空及空间元件。 永磁体选用稀土铉铁硼材料N48H,最大工作温度高（达120°C ）,该材料具有剩余磁 感应强度大（达1.4T）,矫顽力乩.大（达1700kA/m）等优点。 2. 2通电电流和漆包圆线线径的选择 电压：28±2.8VDC： 电流：不大于5A： 线圈绕组选用铜漆包圆线。 左、右两侧的内线圈绕组所选取的漆包圆线导体的标称直径刀= 0.67mm, I级漆膜厚度 0.028mm ,因此漆包圆线最大外径Z） = 0.726mm 0左、右两侧的内线圈绕组均绕12层。 左、右两侧的外线圈绕组所选取的漆包圆线导体的标称直径47-0.71mm, I级漆膜厚度 0.028mm ,因此漆包圆线最大外径Z） = 0.766mm 0左、右两侧的外线圈绕组均绕12层。 内绕组径向厚度为0.726x12 = 8.7mm,外绕组径向厚度为0.766x12 = 9.2mm。线圈支 架内径为23mm ,内绕组外径=外绕组内径=23 + 8.7 = 31.7mm ,外绕组外径 =31.7+ 9.2 = 40.9mm。左外侧每层绕线数=21.5/0.766 = 28匝，左内侧每层绕线数 = 21.5/0.726r29匝；右外侧每层绕线数=22.2/0.766 = 29匝，右内侧每层绕线数= 22.2/0.726 = 30 匝。 左外线圈与右内线圈串联组成线圈绕组一；左内线圈与右外线圈串联组成线圈绕组二。 绕组一： 左外线圈匝数W„ =28x12 = 336匝 电阻& =〃一= 1.724x10「8 x S 336x^(31.7+40.9)x10° ~兀(0.71x10」尸/4 = 3.337Q 162 x 兀(23+ 27.3) + 180x7:(27.3 + 31.7) xlO-3 =2.883Q 右内线圈匝数％ =30x12-18 = 342 c I 1.724x10-8 R\2= p— = 7^? X 1- S 兀(0.67x10 一)/4 绕组一总电阻 & =乌 +&2 =3.337 + 2.883 = 6.220。, 左外线圈的面积 S” =9.2x21.5x10—6 =1.978x10-4H? 右内线圈的面积 §2 =8.7x22.2x10「6 -8x10* =1.8514x105 正常工作状态下电流4 = 28/6.220 = 4.502A 左外绕组的电流密度"=/阴］/§| =4.502x336/1.978x107 =7.647x1()6A/n? 右内绕组的电流密度 “2 =/阴2/罡=4.502x342/1.8514x101 =8.316x1()6A/n? 电压最小时电流Z, =25.2/6.220 = 4.051A 左外绕组的电流密度 JU=I'WU/SU = 4.051 x336/1.978X10-4 = 6.881 xlO6A/m2 右内绕组的电流密度 /12 =ZX2/S12 =4.051x342/1.8514xl0-4 =7.483xl06A/m2 绕组二: 右外线圈匝数=29x12 = 348匝 电阻％ M = L724"x3*探等甘。」=3.456Q 左内线圈匝数=29x12 = 348匝 绕组二总电阻 R2=R2l+R22 =3.456 + 2.924 = 6.3800 , 右外线圈的面积 S21 = 9.2x22.2x 10^6 =2.0424xlO^m2 左内线圈的面积 S22 =8.7x21.5xl0-6 =1.8705xl0^4m2 正常工作状态下电流12 = 28/6.380 = 4.389A 右外绕组的电流密度 J21 =/2W!1/S21 =4.389x348/2.0424x10^ =7.478xl06A/m2 左内绕组的电流密度 J22 = Z2W,2/S22 =4.389x348/1.8705x10^ =8.166xlO6A/m2 电压最小时电流Z； =25.2/6.380 = 3.950A 右外绕组的电流密度 J；! = Z；W!1/S21 =3.950x348/2.0424x10^ =6.730xl06A/m2 左内绕组的电流密度 J；2 =Z；W,2/S22 =3.950x348/1.8705X10-4 = 7.349xl06A/m2 2. 3仿真模型的建立 工作行程：0〜3.6±0.1mm；吸（推）力特性：总行程为3.6mm。 防撞 电磁铁工作方式：电磁铁正向通电时，顶杆伸出，断电后顶杆保持在伸出状态（右极限）; 电磁铁反向通电时，顶杆收回，断电时顶杆保持在收回状态（左极限）。 物理模型 几何模型 2.4仿真结果与分析 2.4.1不通电稳定平衡位置的保持力 先总结 表2稳定平衡位置的电磁力 铁心位置 通电状态 左极限 中间 右极限 不通电 1645N 力方向向左 — 1648N 力方向向右 （1）左极限位置不通电状态下的情况 （i）数学模型 左固一正衔a内动衔铁 右 右固定衔铁 空气 右 图1左极限位置模型 （ii） 动衔铁组件的电磁力（见附录L1） （iii） 电磁铁的磁感应强度分布 ANSYS 11.0 NOV 12 2008 13:19:03 NODAL SOLUTION STEP=2 SUB =1 TIME=2 AZ RSYS=0 SMN =-.292E-03 SMX =.272E-04 A =-.272E-03 B =-.232E-03 C =-.193E-03 D =-.153E-03 E =-.113E-03 F =-.727E-04 G =-.328E-04 H =.719E-05 图2左极限位置的磁力线分布 吕 o 吕 o ANSYS 11.0 NOV 11 2008 20:59:24 NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=2 BSUM (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMN =.725E-07 SMX =2.141 .725E-07 .237912 .475823 .713735 .951646 1.19 1.427 1.665 1.903 2.141 图3左极限位置的磁感应强度 (2)右极限位置不通电状态下的情况 图4右极限位置模型 (ii) 动衔铁组件的电磁力(见附录1.2) (i) 数学模型 (iii) 电磁铁的磁感应强度分布 ANSYS 11.0 NOV 12 2008 13:18:06 NODAL SOLUTION STEP=2 SUB =1 TIME=2 AZ RSYS=0 SMN =-.269E-04 SMX =.293E-03 A =-.691E-05 B =,330E-04 C =.730E-04 D =.113E-03 E =,153E-03 F =.193E-03 G =.233E-03 H =.273E-03 图5右极限位置的磁力线分布 ANSYS 11.0 NOV 11 2008 18:09:15 NODAL SOLUTION STEP=2 SUB =1 TIME=2 BSUM (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat SMN =.214E-06 .214E-06 |——| .242494 |——].484988 |——| .727483 |——| .969977 O「212 O「455 □「697 .1.94 2.182 图6右极限位置的磁感应强度 2.4. 2第一组线圈额定电压(28V)下的情况 表1电磁铁动衔铁组件受到的电磁力 铁心位置 通电状态 左极限 中间 右极限 不通电 1645N 力方向向左 — 1648N 力方向向右 铁芯在左极限位置时， 333N 1017