《電器學》課程設計-原稿(DOC)

1、遼寧工程技術大學電器學課程設計i1電磁鐵的反力特性電磁系統(tǒng)的銜鐵在運動過程中要克服機械負載的作用力而做功，電磁系統(tǒng)的主要任務就是克服這種反作用力。機械負載性質的反作用力Ff與銜鐵行程：之間的關系Ff二f C)稱為反力特性。反力特性與吸力特性實質上是矛盾的統(tǒng)一。對于一般的電磁系統(tǒng)來說，銜 鐵的吸合主要靠電磁吸力，其釋放則主要靠反力作用。常見的幾種反力特性，如下幾種圖：圖a瞬時脫扣機構的反力特性、圖b起重性質負 載的反力特性、圖c彈簧性質負載的反力特性、圖d、e具有多級彈簧負載時的反力特性、 圖f永久磁鐵機構的反力特性凡含電磁系統(tǒng)的電器，其靜態(tài)吸力特性與反力特性配合的適當與否，是決定其動態(tài)、靜態(tài)特

2、性指標以及工作性能優(yōu)劣的主要因素。吸力 一反力特性配合還應保證電磁系統(tǒng)，特 別是勵磁線圈在電網電壓的上限時不致過熱?？傊瑢τ诶^電特性的電氣元件，其動作值、釋放值以及返回系數(shù)乃至其壽命和工作可靠性，無不取決于吸力一反力特性的配合。Ff +FftFft0b6陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計2對于繼電特性電器元件的要求就是：在動作電壓（或電流）下，吸力特性應處處高于 反力特性，而在釋放電壓（或電流）下，吸力特性則應處處低于反力特性，顯然，采取這 種配合方式，在吸合和釋放過程中都不會發(fā)生中途被卡住的現(xiàn)象。如圖1-2遼寧工程技術大學電器學課程設計32選擇設計點電磁鐵反力特性曲線如圖2-1

3、,反力特性曲線上任一點的反力與工作氣隙值的乘積（FfJ越大，電磁鐵工作越困難，因此應選擇值最大的一點作為設計點，以Ff。和：0表 示設計點的反力及工作氣隙值。要保證電磁鐵可靠動作，靜態(tài)吸力特性Fx二f（、：）必須在反力特性Ff二f 0 ）的上面， 如圖2-2。開始設計時，由于吸力特性未知，故要選擇一個設計點，一般電磁鐵都選擇銜 鐵在釋放位置的a點作為設計點，在該點應該保證吸力可以克服反力而使銜鐵動作，銜鐵 打開位置的吸力稱為初始吸力，以及.和F0表示設計點的氣隙和吸力。對于接觸器使用的 電磁鐵，由于主觸頭剛接觸處，反力特性有一突跳點，這一點上電磁鐵工作最頻繁，必須 取 b 點為設計點。設計點上

4、的F，可由已知反力特性上對應的反力Ff來確定。為了使電磁鐵工作可 靠，往往引入一個安全系數(shù)k，則吸力值F為：F0 = kFf0（2-1）系數(shù)ko為考慮計算和制造中產生的偏差所加的安全欲度。k的值在不同情況下變化很大，它應根據(jù)具體情況而定，一下推薦一些數(shù)據(jù)作為設計中參考：對快速繼電器，k0=34； 對小功率繼電器，k0= 23;對控制繼電器和電磁閥，k0=1.52;對接觸器和磁力起動 器，k=1.21.5；對牽引電磁鐵和制動電磁鐵，k=1.11.2。當電器的制造工藝穩(wěn)定時，k取較小值，反之，應該較大值。陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計4Oba圖 2-1 按電磁鐵反力特性選擇設計點X

5、圖 2-2 電磁鐵吸力與反力特性遼寧工程技術大學電器學課程設計53選擇電磁鐵的結構形式3.1從特性配合來選擇電磁鐵的結構形式選擇電磁鐵的結構形式應從電磁鐵的工作任務及反力特性，例如，對于不要求速度動 作的接觸器電磁鐵，應使吸力特性形狀盡量與反力特性形狀一致，在銜鐵吸合過程中，吸 力特性應高于反力特性，但兩則之間所夾面積應比較小，以減少動作功率和材料消耗，提 高電器壽命。對于要求速度動作的電磁鐵，則吸力特性應遠高于反力特性，以減少動作時 間。3.2用結構因數(shù)來選擇電磁鐵的結構形式按電磁鐵的特性配合初選電磁鐵的結構形式之后，在計算結構因數(shù)K：.來減產所旋結構形狀時候恰當,K：.：按下式計算：(3-

6、1)由已知知Ff0=24.5N,0=6 10m對接觸器和磁力起動器而言，安全系數(shù)k0=1.21.5，故取k0=1.2由（2-1）式得：F廠k0Ff廠1.2 24.5二29.4N由（3-1）式得：iF。/0 29.4/0.6 = 9.04N5/cm從大量電磁鐵設計資料中的知，各種不同形式的電磁鐵，都有一個最適宜的K：.：,值,見表3-1所示，在此范圍內，可以使電磁鐵做單位機械功所需要材料重量最?。话此嬎?出的K：，值可以從表中找出最適宜的電磁鐵結構形式，再根據(jù)電磁鐵工作任務最后確定其 結構形式。陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計6表 3-1 各種直流電磁鐵最適宜的K：.：值序號電磁

7、鐵形式K/(N0.5/ cm)1單U形拍合式8.4 842單E形直動式或單U形直動式2803裝甲螺管式（鐵心平頂）50 2804裝甲螺管式（鐵心錐頂 2G=90 ）12.5 505裝甲螺管式（鐵心錐頂X=60 5.512.56裝甲螺管式（無擋鐵）0.63由3-1表得知，采用U形拍合式比較合理，電磁鐵的結構如圖3-1bxbe遼寧工程技術大學電器學課程設計7圖 3-1 直流拍合式電磁鐵陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計84直流電磁鐵的初步設計4.1計算鐵心半徑由K：.：查圖4-1得工作氣隙磁通密度B二0.235T，K甲(fkm)圖 4-1 選取工作氣隙磁通密度的曲線 a U 形拍合式b

8、平面磁極螺管式由表4-1查得選擇比值系數(shù) p = 1.8表 4-1 比值系數(shù)的推薦值比值系數(shù)拍合式電磁鐵螺管式電磁鐵小尺寸大尺寸短行程長行程n0.5 0.80.25 50.4 0.50.3 0.4P684 63 568P1.1 1.51.52.2v0.3 0.500.2遼寧工程技術大學電器學課程設計9在初步設計時，可以用麥克斯韋公式計算電磁鐵的吸力，即：2Fx二B S/2%（4-1）設計點吸力為F0,即：Fx二Fo（4-2）本次課程設計設計的電磁鐵帶極靴，磁極面積S 等于極靴面積，即：2S二二rP（4-3）p 為電磁鐵極靴的比值系數(shù)，p = rp/rc，即：P二PC（4-4）將式（4-2）（4

9、-3）（4-4）代入（4-1）中，即：匚2廿。B：p2（4-5）由式（4-5）計算鐵心半徑為：rc二20F0B2p22 1.25 10占29.4二1.820.2352=1.14cm4.2計算極靴尺寸由（4-4）式得:極靴厚度公式為:(4-6)由式（4-6）計算極靴厚度為:hpJ2P2 P1.14rpp rc= 1.8 1.14 = 2.052cm2.1chp陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計101.8丿=0.394cm遼寧工程技術大學電器學課程設計11故取極靴厚度為hp= 0.4cm4.3計算線圈磁動勢電磁鐵的線圈磁動勢應等于各部分壓降之和，即:INUm Uf在初步設計時，電磁鐵的

10、結構尺寸尚未確定，所以Um及 aUf無法確定將式（4-8）代入（4-7）中，即:(4-9)設計點在銜鐵打開位置時，Ki= 0.2 0.55；設計點在主觸頭剛接觸位設:、Um、Uf十(4-8)置時Ki=0.5510若將式（4-8）中的工作氣隙磁通值 A 用B S代替，而B、.值是線圈電壓為下限值時的 則磁動勢也為線圈電壓下限時的線圈磁動勢，用IN1表示，即：IN廠(1Ki)B上、(4-10)%S(4-11)將式（4-11）代入（4-10）得:IN1=(1Kjj(4-12)若要求在線圈額定電壓下的線圈磁動勢IN2，可按下式計算:IN2二 bINU1(4-13)(4-7)根據(jù)經驗統(tǒng)計,陳佩文：ZDQ

11、10- II 型直流電磁鐵的設計12Ui為線圈電壓下限，一般Ui=85%UN。根據(jù)（4-7）式，假設非工作氣隙和鐵心部分磁壓降占總磁勢20%，得：B0IN100.2 IN1-00.235漢0.600，IN161410A11.25 10（0.8為了保證電壓降低至0.85UN后，電磁鐵仍能可靠工作，上式計算得到的磁動勢應為0.85UN時的磁動勢，這里用INi表示。計算線圈溫升時，應該考慮到電壓可能升至1.1UN， 這時線圈的磁動勢為：ININ廠1825A0.8514.4 計算線圈尺寸絕緣耐熱等級一般分為：A級，E級，B級，F(xiàn)級，H級，C級。各級的絕緣系統(tǒng)溫度和對應溫升如4-2表表 4-2 絕緣耐熱

12、等級分布表絕緣耐熱等級絕緣系統(tǒng)溫度 9對應溫升 TA10560E12075B13080F155100H180125C220150遼寧工程技術大學電器學課程設計13由于本次設計中線圈耐熱等級為：A級絕緣，環(huán)境溫度為30C，所以溫升*=609,由于本次設計中工作制為反復短時工作制，所以線圈的計算公式為:n 1)(IN)22查表4-1取比值系數(shù) n =0.5 ;線圈發(fā)熱溫度為 60 9 結構上線圈與鐵心間熱傳導良好， 查表4-3得散熱系數(shù)KT=11.8W/(m2K);初步設計中取線圈填充系數(shù)kic=0.5;采用無骨 架線圈，取K，0.9；表4-4得發(fā)熱溫度為 105?C時銅的電阻率2.34 10 m

13、。反復短時工作制線圈的功率過載系數(shù)K卩2為：式(4-14)中的K為線圈表面綜合散熱系數(shù)KT2與線圈外表面綜合散熱系數(shù)KT1之比值?？砂匆韵陆涷灁?shù)據(jù)選?。簩τ谟脤嵝圆缓玫慕^緣材料作骨架的線圈，K-：= 0;無骨架的線圈，其內表面散熱能力與外表面散熱能力比較接近時，K，0.751.05;繞在金屬套上的線圈，內表面散熱效果較好，K1.5641.75;直接繞在鐵心上的線圈，因為線 圈和鐵心緊密接觸，大部分的熱量從內表面?zhèn)鲗⒊?，K2.1 2.45。表 4-3 線圈表面綜合散熱系數(shù)KT線圈溫升/KKT/W/(m2K)】線圈與鐵心間導熱良好線圈與鐵心導熱不良4011.069.844511.2010.01

14、5011.4110.195511.6210.376011.8010.546512.0410.727012.2510.99(4-14)2心2心際(1 2n K .)nrwKp2t1tt21TD( %)(4-15)陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計148012.6811.35遼寧工程技術大學電器學課程設計15發(fā)熱溫度日/C2035458090100105110120140電阻率p/1oc m)1.751.8622.22.242.32.342.372.442.58表 4-4 各種溫度下銅的電阻率 r由式（4-15）得:Kp2匕112.5t1t2TD(%)40(%)由式（4-14）得:訂n

15、 1)(IN)222心2心也（1 2n K Jn.弋2.34 10(0.5 1) (1825)2.2 2.5 11.8 0.5 (1 2 0.5 0.9) 0.5 0.0114 60=0.0832 m 0.085cm線圈的厚度公式為：二2nrc線圈的外半徑公式為：C TJ由式（4-16）得線圈的厚度為：二2nrc二2 0.5 1.14二1.14cm由式（4-17）得線圈的外半徑為：c TcT.14 1.14二2.28cm(4-16)(4-17)陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計164.5計算線圈的導線直徑和匝數(shù)直流電壓線圈，線圈的電路方程為:線圈內徑Dc1為:在0.85UN時線圈的

16、磁動勢（IN）1=1410A,按式（4-19）得導體直徑為:將式（4-18）整理得出導體直徑公式為:JIN(4-18)d= J4少二)IN U(4-19)IN 為線圈的磁通勢，與線圈電壓相對應的磁通勢，若U =U1，則IN =（IN）1線圈導線直徑求出后，可利用線圈填充系數(shù)的公式，推出計算線圈匝數(shù)的公式，即:d2Nk-Ah-(4-20)將式（4-20）整理后得出線圈匝數(shù)公式為:N二血(4-21)線圈電阻公式為:T(Dc1)NJId244(Dc1)Nd2(4-22)c1C1(4-23)4?(2cN0.85U4 2.34 10(2 0.0114 0.0114)仙。0.85 110遼寧工程技術大學電

17、器學課程設計17=1.58 10“m二0.158mm導體直徑應符合國家標準規(guī)定的線徑，根據(jù)計算值選擇最鄰近的標準直徑d =0.16mm陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計18由式（4-21）計算線圈匝數(shù)為:N =4.5 .85.114按表4-4得 30?C 時銅的電阻率U.82 10斗m，忽略線圈內圓與鐵心間隙，即取=0，則按式（4-22）得線圈電阻為:_Pn 2rc(1 + n)N 1.82漢10匯兀漢2域0.0114漢(1十0.5尸25600 “oc “R2489.8 丄2_60.162104當電壓為0.85UN時，實際線圈磁動勢為:0.85 11025600 二 961A248

18、9.84.6計算磁軛尺寸通常取銜鐵的寬度bx和鐵軛的寬度be相等，并等于或大于線圈外徑Dc2，bx可按下式 計算：bx= be二Dc22 2（c= C1）2C2（4-24）一般取C=（0.51） 10”m,：C2=（05） 10”m鐵軛的截面積一般大于鐵心面積，以使鐵軛的磁通密度低于鐵心，達到見笑線圈磁動 勢的目的，故鐵軛截面積Se可按下式計算：2Se=（1.2 2）譏（4-25）鐵軛厚度ae可按下式計算：2Se（1.22）二匚ae（4-26）bebe采用矩形截面磁軛，且忽略 也C1和也C2，即取AC1=0Qc2=0，按式（4-24）、 （4-25）、（4-26）計算磁軛截面積和尺寸分別為：0

19、.16210一60.85UNR遼寧工程技術大學電器學課程設計19Se1.5 rc2= 151.142= 6.12cm2陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計20be=2(c) = 2 (1.14 1.14) = 4.56cm4.7計算磁靴尺寸銜鐵的截面積可以取得比鐵心截面積小，因為拍合式電磁鐵的漏磁通不經過銜鐵,此銜鐵面積Sx計算公式為:取銜鐵寬度與磁軛寬度相同:b=be=4.56cm銜鐵截面積為：2 2 2Sx= 0.8Se= 0.8二rc= 0.8二1.14= 3.27cm2銜鐵厚度為：ae612.34cm4.56Sx珂0.50.8）二叮(4-27)生(0.50.8)二rc2bxb

20、x(4-28)be遼寧工程技術大學電器學課程設計21Sx3.27ax-0.72cmbx4.56陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計224.8繪制電磁鐵結構經過上式的計算得出拍合式直流電磁鐵的結構尺寸，如圖34cm圖 4-2 拍合式直流電磁鐵的結構尺寸4.56cm4.2cmcm2Y.28cm.56cm185cm4-24.56cm遼寧工程技術大學電器學課程設計235電磁鐵的性能驗算5.1計算線圈電阻線圈電阻公式為:線圈內徑Dc1為:=(Dd)NC1d244(Dd)Nd2(5-1)陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計24De廠2(、飛）(5-2)按表4-4得 105:C時銅的電阻

21、率2.34 10 m，忽略線圈內圓與鐵心間隙，即取需=0，貝U按式（5-1）得線圈電阻:(Dd) N 4(Dd )NR2Id24二4 234 10(2.114 2.5 .0114)25600= 320和0.16210*5.2計算線圈溫升用牛頓公式驗算，線圈結構尺寸已經確定，故線圈散熱面積S 為:S二MDc2h K ?(5-3)反復短時工作制的線圈發(fā)熱功率為:2UN5R線圈外表面散熱系數(shù)KT可按表4-3查到，則反復工作制的線圈穩(wěn)定溫升-w為:(5-4)wKTS(5-5)遼寧工程技術大學電器學課程設計25將式(5-3)、(5-4)、(5-5)整理之后得:11022.53201_(11.8(2(0.

22、0114 0.0114) 0.085 0.9二2 0.0114 0.085)二454C 60 C驗算得出的線圈溫升低于絕緣材料耐熱等級的極限允許溫升，并留有適當?shù)臏厣?度，則下怒請安溫升合格。5.3計算線圈磁動勢由上述所計算的結果進行計算得:在線圈電壓為額定電壓UN時的線圈磁動勢(IN為:由上述所計算的結果進行計算得:KTSN2Kp2(KT(6hKjDcih)在線圈電壓為下限值U1時的線圈磁動勢(IN)1為:(IN )1U1N(5-6)(IN)廠6N0.85UNN0.85 110 25600二748A3201(IN )2UNN(5-7)陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計26(IN

23、 )2二UNN110 25600二880A3201遼寧工程技術大學電器學課程設計275.4計算吸力及等效磁路由達拉第和麥克斯韋提出的磁力線概念：即沿磁力線方向有張力，與磁力線垂直方向 有壓力，推導出的麥克斯韋公式為：若磁力線面積 的磁力線分布是均勻的，則式（5-8）可以進一步簡化為:在電磁鐵的工作氣隙，磁通二BS,則電磁吸力為:(5-11)由于B =0.235T ,S=：叮=：（2.1 10冷2=1.39 10”m2，將其代入式（5-11）得吸力為: 1 一12丨1寫，(亦2一2B2ndS(5-8)對于鐵磁性物體，積，即卩由于，磁極表現(xiàn)的磁感應強度矢量B均近似垂直于積分面T T T(Bn)B2

24、(5-9)2%B2S(5-10)2%ST陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計28Bis0.23521.39 102%2 4 -10在設計點a處，能夠保證吸力克服反力而使銜鐵動作，故本次設計中滿足吸力特性要 求。由設計電磁鐵知，拍合式直流電磁鐵的等效電路如圖5-2，根據(jù)計算繪出吸力特性曲線如圖5-1二30.5N 24.5N遼寧工程技術大學電器學課程設計29圖 5-1 吸力特性曲線a0.85UN吸力曲線 bUN吸力曲線 c1.1UN吸力曲線 d 反力特性曲線aRm 3RhlRm 4圖 5-2 拍合式直流電磁鐵的等效磁路陳佩文：ZDQ10- II 型直流電磁鐵的設計305.5計算電磁鐵的重

25、量及經濟重量電磁鐵所需要材料重量是電磁鐵的經濟指標，是評判電磁鐵設計優(yōu)劣的重要指標，在電磁鐵性能驗算合格后，應計算電磁鐵的重量。銅的重量公式為:H2Gd銅的密度L -8.96 103kg/m3，經計算得到線圈平均匝長la 10.74cm，導線直徑d =血 八 0.16 105.03 10*m，將其代入式（5-12）中得銅的重量為:GCu八、CuNlavd2= 8.96 1 0325600 1 0.74 1 0一(5.03 10*)2)44二4.90kg導磁體的重量計算公式為:電磁鐵的總重量計算公式為:1護GFe) (4.90 912) = 1019kg0.9電磁鐵的經濟重量，為了便于比較，量，即電磁鐵做單位機械功所用的材料重量:(5-12)GFeFeVFe(5-13)鐵的密度，F(xiàn)e=7.86 1 03kg/m3，經計算得到導磁體的體積大概約為VFeVV30.116m3，將其代入式（5-13）得鐵的重量:GFe =FeVFe=7.86 1030.166= 912kg(5-14)將上述計算的結果代入式（5-14）得:將電磁鐵總質量除以它所做的機械功稱為經濟重遼寧工程技術大學電器學課程設計31(5-15)將上述計算的數(shù)據(jù)代入其式