电器学课程设计 盘式起重电磁铁.docx
摘要起重电磁铁，顾名思义，就是在工业领域应用的，作为用于冶金、矿山、机械、交通运输等行业吊运钢铁等导磁性材料或用作电磁机械手，夹持钢铁等导磁性材料。其原理是内部带有铁芯的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置。通常制成条形或蹄形。铁芯要用容易磁化，又容易消失磁性的软铁或硅钢来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后就随之消失。电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。本设计为直流盘式起重电磁铁。起重电磁铁由铁芯和线圈组成，励磁电流通过线圈产生磁势，负载闭合磁路，工作磁通起吊重物，钢铁料负载是起重电磁铁磁路的重要组成部分，负载的变化将导致电磁参数变化，因此要根据负载研究电、磁、力，认识起重电磁铁特性。基于系统集成的设计思想，给出了圆盘式电磁起重系统的组成原理，分别介绍了该系统的总体设计与单元设计中的几个关键问题,并对实际应用进行了分析。关键词：电磁铁 直流 负载11 总体设计1.1 电磁铁结构设计1.3M04M本直流盘式起重电磁铁的构成如图 1-1 所示，由一块铸钢圆盘和 U 型电磁铁组成。1.2 电磁铁材料的选用铁结构图图 1-1 电磁电磁铁铁芯一般用ZG25 铸钢或低碳钢制成，它有低的矫顽力和高饱和磁密，饱和磁密在 20 000 高斯以上，导磁率是空气的 500-2 200 倍以上。本设计中 U 型电磁铁选用半径为 0.65m 的 ZG25 铸钢，线圈为铜线。下方选用直径为 4 米，高度为 0.5m 的铸钢圆盘。1.3 电磁铁参数要求通电持续率：50环境温度： To= -5 +40线圈额定电压：Ue =220V（直流） 最大额定电压： Umax =1.05Ue允许温升：（H 级绝缘）T = 160自重：3000kg功率参考值：11.1KW起重能力：生磁体或废钢 1100kg铸铁铁屑600kg计算用等效衔铁厚度 0.08m22 单元设计2.1 机械结构的设计2.1.1 结构设计本设计中电磁铁机械结构的俯视图见图 2-1,整个电磁铁机构由下方圆盘边缘的四个固定装置引出铁链，统一固定于电磁铁上方一点，并连接到起吊装置。电磁铁与圆盘间为螺栓连接，以便于拆卸、维修或更换。2.1.2 电磁铁悬挂的设计图 2-1 电磁铁俯视图电磁铁吊挂高度一致性电磁铁与挂梁的联接采用链条联接方式。对成组电磁铁的基本要求是：保证磁极的底平面处在同一平面内。这个问题在厚板起吊中是个貌似简单却十分重要的问题。由于厚钢板是平直不易变形的，如果磁极工作面参差不齐，不在同一水平面上，则必将造成举高较低的电磁铁相当于“下沉”，不但不产生吸力，而且将“压”在被吸钢板上，形成“负吸力”。这样一来，总的吸力明显降低。为此采取措施：电磁铁装配完成后，对磁极底面进行精加工，确保每个电磁铁的底平面平整；为保证电磁铁的吊挂高度一致，采用高度可调的悬挂装置，该装置系螺栓式机构。在现场调试安装时，对成组吸盘进行高度调节，尽可能使成组电磁铁的底平面在同一水平面里。2.2 电磁铁的设计2.2.1 整块料负载电磁特性的设计放在某一有足够重量整块钢铁物料上的电磁铁，电磁力随着输入磁势(电流)变化的特性曲线，在起重电磁铁磁路中磁势为:NIW3I 电磁铁励磁电流;W 电磁铁线圈匝数(常数)。在磁势式中因 W 是常数，所以经常用电流大小描述磁势，电磁铁磁路磁组为:式中：R = R + Rmm0mcdL= m S0+ mS m0J0m0R工作气隙磁阻；mcR 铁芯和负载磁阻;d0 工作气隙;m0 空气导磁率;m 铁芯与负载的等值相对导磁率;s j 极掌的等值工作面积;S 铁芯和负载等值截面积。电磁铁内外极掌的等值工作面积是:s = s + sjj1j 2设ssk=j 2jj 1Sj= S j1( 1 + Kj)SSj1 内极掌面积； 外极掌面积；j2Kj 内外极掌面积比；在足够大的整块料负载磁路中，95%-98%以上磁通经过负载闭合，可以忽略漏磁通，则铁芯总磁通就是工作磁通。则F F0工作磁通F = IWRmd整块料工作气隙工作磁密F0 和Rm最小，则0最大。FSB =00J 14工作磁密 B 0最大。整块料的工作气隙在工程上认为是常数，其它磁路参数也跟随相对固定，整块料是起重电磁铁负载中唯一有相对固定的负载特性。在起重电磁铁负载中，整块料工作气隙最小，吊重最多，是起重电磁铁最大吊重。2.2.2 散料负载电磁特性的设计一般选用园型起重电磁铁吊运钢铁散料，厂家在做产品设计时，一般按铸铁块选择散料电磁铁电磁参数，标定散料电磁铁性能。散料 有 1 ,2,3级废钢，铸铁块和铁屑等组成， 散料不同于块料，它的工作气隙是变化的随机量，根据等值工作气隙理论，工作气隙与料块大小，电磁铁直径有关，具体如表2-1内外磁极中心距(cm) 70100507050 以下等值工作气息(cm)铸铁块或中等尺寸废钢202515201015小块碎铁或铁屑254025351525表2-1内外磁极中心距与工作气隙的关系散料因工作气隙很大，磁势产生的总磁通，有很大一部分不经负载，而通过内外极周围介质闭合形成漏磁通，漏磁通是输入磁势的无功损耗。在圆盘型电磁铁负载中，整块料负载，工作气隙只有0.8c m，负载磁阻很小产生的总磁通中95写-98%是有效磁通。铸铁块负载在电磁铁内外磁极中心距70 -v 100cm时，等值工作气隙20-25cm，比整块料工作气隙0.8c m大30倍左右，磁阻增大几十倍。大的工作气隙不但要降低总磁通，还要将总磁通分成两条并联磁路:一条径内外磁极，扼铁和负载闭合产生有效工作磁通;另外一条由内磁极(包括极掌高度)开始，经周围介质、外磁极和扼铁闭合， 产生漏磁通。散料 电磁 铁的工作气隙、磁导、漏磁导、漏磁系数、漏磁通和总磁通。内外极掌在磁路中串联工作的总磁导为:GåGG*G1.25 SS=O1+GO 2 = d+0o1(S J 1 SJ 2 )O 20J 1J 2åG工作气隙磁导0d是因0 而变的变量。内外磁极高度漏磁导:G= 1 å Hc *1.25*LC22pDdLQ 2nC式中：å HC 一磁极、绝缘板、隔磁板高度和;DQ 2 外磁极内径;cd 内磁极直径。极掌高度漏磁导:5G= 1 hLJ2j*1.25*2pddLj 22nj1式中：hj 一极掌高度；dj 22 一外极掌内径；dj1 一内极掌直径。LJLc由G和G 公式知道电磁铁制造完成它的漏磁导是常量。极掌端漏磁系数：G1d= 1+ åGLJ0扼铁端漏磁系数:d= 1+2GåLJ+ G G LC0d , dd漏磁系数是因工作气隙12.3 控制部分的设计2 而变的变量，0 越大漏磁系数越高。2.3.1 通电持续率的设计通电持续率的概念如下公式所示。即表示通电时间除以一个周期的时间，通电率持续率的通俗叫法为占空比。例如：一个电磁铁的通电时间为 1 秒，断电时间为 3 秒，那么它通电持续率就为 1/（1+3）25通电持续率是一个非常重要的参数，因为当电磁铁被激励是会导致线圈发热，如果发热过大会烧毁线圈。负载周期或者最长通电时间, 以及电磁铁的功率和散热决定了电磁铁工作时的温升，同时也决定了通电持续率。要求通电持续率为 50，即 1/（1+1）50，故电磁铁的通电时间=断电时间。2.3.2 磁场矢量的设计1. 磁场的通断控制：本系统通过控制电流的通断来控制磁场的有无。2. 磁场的强弱控制：方式有几种，可以通过与调节与线圈串联的电阻的阻值来限制线圈中电流大小，从控制磁场大小。另外，也可以调节线圈接入系统的匝数来控制磁通大小。63 相关参数的计算3.1 电磁铁吸力的计算d = 0.14本设计为 U 型电磁铁，查表可知：铸铁块或中等尺寸废钢的等效工作气息为1；2小块碎铁或铁屑为d= 0.25 。d0.25因为 ， d2 = 0.65* 2 = 0.19 > 0.1 ，所以气息的磁导：L= m(pd 2 + 0.52d )d0 4d磁场能量：W = 2(1 × B2 ) × S ×d = B2 × S ×dm2 m0m000电磁力：dWB2f2F = dd = m0 × S = m × S00忽略漏磁通时：f = fd= IN Ld则F2(IN )2 m (+ 0.52d )2pd 204dF = m d= * Sm00p d 243.2 电磁铁线圈匝数的计算P11.1´103已知额定功率和额定电压，由 P =U× I 可得 I= 额 = =50.5A额额额额 U220额3.2.1 负载为铸铁块或中等尺寸废钢的情况= 0.14d等效工作气息1，起重能力为 1100kg，即 F = m×g=1100´10=1.1´104N由7mF2(IN )2 mpd 2d+( 0.52d )20 4F =d=* Sm p d 2004可得F × m × pd 204N =1I × m0× (pd 2 + 0.52d ) 4d= 251.2 » 25113.2.2 负载为小块碎铁或铁屑的情况2等效工作气息d= 0.25 ，起重能力为 600kg，即 F = m × g = 6´103N由mF2(IN )2 mpd 2d+( 0.52d )20 4F =d=* Sm p d 2004可得F × m × pd 204N =2I × m0× (pd 2 + 0.52d ) 4d= 286.4 » 286因为 N11< N ,所以选匝数为 N = N2 = 286 匝。28结论通过以上几部分的介绍与计算，根据现有公式和提出的设计要求，经过计算可知：该直流圆盘式起重电磁铁系统的磁场由 U 型电磁铁产生，其达到要求的最小线圈匝数为 286 匝。其磁场强弱控制由电流大小和线圈匝数多少两种因素决定。9参考文献1 夏天伟，丁明道电器学北京：机械工业出版社，19992 杨儒贵电磁场与电磁波北京：高等教育出版社，20073 张冠生电器理论基础北京：机械工业出版社，20024 常用电工材料手册上海市电子电器协会20005 方鸿发低压电器北京：机械工程出版社，198810
