直流电磁铁磁场的设计土海磁钢厂赵佑民生产和实验中常常需要建立 &奥斯特∃∀%所周知些!∀# 化气隙中的磁通小由铁芯中的磁感应强#千安(米)的直流磁场∋众度∗来决定为,导率为卜/设线圈的总匝数为+所通电流。电磁铁磁场比螺旋管磁场更合理气隙长为−截面积为.。铁芯的磁这是因为线圈中放入铁磁材料做成的铁空气磁导率为林暂不考虑磁路芯后磁路巾铁磁介质磁阻很小磁场所消中的漏磁因素强度为由磁路定律可求得气隙磁场耗的功率大为节省磁能量集中地分布于气隙中在永磁材料的生产和使用过程中充磁∃磁化)热磁处理磁场成型磁性检验中一0#∃∀)等工序多采用电磁铁所产生的磁场因此正确设计电磁铁磁场以达到一定的磁场强度等工艺条件稳定使用节约釜属和电水而势中二及若望与飞‘如二#∋兀+1为磁动提高工效是极有意义的工作牙单位为“吉柏”艺2州为串联磁阻3一、设计原理它等子锈芯磁阻2加上空气隙磁阻2如。,电磁铁相当于一个有气隙的铁芯线图∀所示当线圈通以电流后铁芯被磁−万找。一4林5/−。。.协把它们代入∃∀)式得/#∋兀+1。。8−林7必林∃)。在螺旋管形式卜二件二∀则近似得丁>了飞#∋几+,−。8−−:−。;,<;、了把一般电磁铁形式画如图汉同样暂不气(声考虑漏磁影响夕石≅−Α乏;−二艺二中2总ΧΒΒ而2图∀总二2。82,82Δ2。2了2/分别为气隙极靴铁芯的磁阻并有4尺‘一面亏代人−气34。−>’将’;6.7#∋称方十(兀+1,一>(−#。Ε0#−协/.,−林/.//∋兀+1−。8一−‘∀∀卜70∀0−.//林/./一∃ 只∀只佗靴式中0/卜,协/分别为极靴和铁芯的磁导率∃单位无因次)0分别为极靴Φ3铁芯的截,线圈钦芯面积∃平方厘米)−图−/分别为极靴和铁芯的平均长度∃ )式就是电磁铁磁场设计的∃厘米)二设计中应考虑的一些问题基本公式这样得到的磁场强度;的单位是设计实践证明在选用导磁材料选定奥斯特。空气中件∀铁芯极靴线圈的尺寸确定磁动势∃即如果铁芯与极靴的截面积相同同一种材料并选用安匝数)及相应的导线材料等对设计的合理性有很重要的关系影响电磁铁的使用此外则有几+电磁铁的漏磁,散热等问题也必须加以考虑;−#∋。否则将严重的1又。下面就这些问题进行讨8−∃∋)林/.,论并试以实例说明在讨论问题前首先让我们看一看常用式中−一−8−/软磁材料的基本磁化曲线∃图! 图∋)%(尹撼舞州画尸口门日门口门口日门门ϑΓ币门门曰…Γ门门Γ4−厂Γ口口门口臼「ΓΓΓ门ΚΓ砚门日回ΓΓ门ΛΜ∀ϑ「口口口门口门门口口曰曰州川洲州Κ厂门卿日门口日曰尸门门门曰日日ϑ州洲厂了口曰严曰门门门ϑΙ门门门门日日丁「Μ川日厂ϑΓΓ门ϑ3厂Ι日Γ曰门ϑ门1刊门门厂ΙΙ叮叼Ν一Γ门门日门门曰曰日门日日汀ϑ3叼Γ门日厂日曰日曰门日Η一厂Ι招Ι∀ΙΙ口Ι尸一Μ曰日ΜΙΙ门一动厂川ΜΜϑ厂)厂∀日厂Γ1曰一州厂一Μ环Ι∀飞Γ门口∀门「Γ日门门一Μ一Γ门曰ΙΓ「门门川ϑΙ门曰Ι布犷1ΜΜ门门门「曰日厂「∀口口一付万百1Μ夕飞雄了∀夕Μ心1ΙΙ厂「「日口厂「日日Γ巨尸刊刊卜下「州尸月厂下尸了匕∀一1目尸了#图 工业纯铁磁化曲线…口「「「ϑΙΙΙΙ日日厂日「「川团日口口日「ΙΙΙΙ口口口ϑ川口匡口口目乙夕卜Ι川ϑΙΙ川阴卜ΙϑϑΙϑΙΙ川日ΙΙΙΙΙ洲日泞呀多不卜附出门ΙΙ出Ι川Ι川刊叫巨岁Ι…卜门ϑΜΜΙΙΙ引琳卜卜门二国∋下秘川Ι土目万日Ι川ϑϑΜΙΙ改Ο二皿ΙϑΜΙΙ∀日(多孤百日Ι川日Ιϑ,ΜΙϑΙΙ川不又夕Ι川万日门丰ϑ工团乙ΙΙ日训Ι川厂ΙΙ门川刊州丁阿区Ι引刊ΙΙΙΜ川万卜ΗΙ刃Ο洲Ι日Η百州日ΜΙ川冬ΙΙ川ϑ日Ι压,到阿下ϑ日口口ΚΙ川口日口门目日甲汪日日Γ门Ι川口口口日Ι川口口口Κ日6尹(Ο一(沪尸(4门一3乙Δ(图∋∀&Π∋电工纯铁软磁材料的磁化曲线0已退火的∀#号钢 &∋破电工钢片∋七电工钢片& #冷车,3ΟΘ坡莫合金%1ΙΡ枯钢在这里必须说明的是影响软磁〔二1同【 洲Η∃材料性能的因素很多图∋虽然图 的磁化曲线是由实验得来的但清昌三「入1「Γ一飞一二1一飞ΙΙ1,〕Γ1是往往同一牌号的材料偏析艺的不同等等由于其成分ΜΗ洲Μ1Ι11、3」,一91Μ∀1、∀〔二ΓΙ组织差异∃如疏松)热处理工门哆Ι一,、对材料的磁化曲线都以上磁化曲线仅供设Μ叫/、洲ΙΜ占有影响所以计时参考从磁化曲线匕可以看出件是个变量拼逐/磁导率卜口尸厂月「Α卜一气尸一一曰心卜务他二气二,滩ΙΜ二Μ‘‘一才‘二1走一一一八压二Γ−)巨二沪户碑户卜才‘1−、一般随磁化场为增如渐减小件值的变化规律可由图1叮丫啼ΙΜϑ厌犷(−产舟、众人味之1、飞−人沁、卜「一1卜、Η一一一叭0找出巨「口磁性材并相汁磁导率曲线∀&Π∋电工纯铁兰三1厂二二二−亘肛或溉丛卜六后不二甲片—几一泊4口Ι,−、、「「一巨、6氏盯「丁一厂二一厂一图%已退火的#芍钢∀ &∋在又碳巨1Ι1电工钢片11口∀’Τ井共仁尽二1乞片资巨二二卜络全目扮∀Ρ、日灭灭ϑ「一匕Λ汽Σ二,二二二【二/,别,二丙厂一戈厂ΓΙ一弓一ϑ月ϑϑ厂】一1宝一一1一一「Ι∋0%乙电工钢片& #冷凑「广厂厂一一爵一红弓∀Ι界阅Μ,3了Θ坡莫合金口阵沂口一环刃药刃〔二巨了枯钠一∀#一实用中多采用工业纯铁料是价廉物美胃软磁材料拉)时∗硅钢片或低碳比较表∀中的磁化机∀或磁化机∋0%可以钢∃如∀#号钢)做铁芯和极靴材料这些材清楚说明+1的过多增加磁导率在下降磁导率相当高随着磁化场增加磁场强度增量不大因此简茧地设想猛增但是当磁感应强度∗:∀%##&高斯∃∀%武斯林往往小于 +1值袋获得高的场强甚至要铁芯饱和的#想法是事倍功半的做法既费电力又使汽的增大林值甚至只有∀#左右或几十线圈过热漏磁增加很不合算几,∋&(∗∋肠)号序一∋。&%,#∃洲Σ口一砍)一安万匝∀! 叭个磁化机的参叮表磁场丫∀∴Γ∀总电流∃功率Ι导线拟面Ν沮ςΥ)屯#魂#∀#ΨΞ1∀Ω1长竺#二#!宽Ζ#Ζ#0#!只佰Ν∀##川创忆7#丁Ξ几#Ι可!∃5‘!Σ间成火火一 0#∀∀Ζ#似小∋ !<义!又!!石ΞΖ#∀0#∀……Ξ∀0##∀磁场强度∀00#∀ΟΨ#冷却方式油循丁征沼0 #∋∋#么##注们#0#币循环‘ 竹)###火色#ΦΩΖ#Ζ#Ζ#∀0#∀]Γ管内水冷浸油顶#∀#∀Β1/“∀0#丫‘又 ∋#### #〔### ###ϑ%小只‘针) ## ##夕###∋∋共共ΑΑ拿Ι/全1名##Ζ##∋∋#!!袱ς!]Η,管内水⊥乓竹内水冷浸 ∋ΨΞΞ小∀%∋ ∃管)Γ∀[3∀!!∀0#0#,ς0###!30#油 为了合理的设计电磁铁磁场可知!由#&,式磁场强度2虽然皆正比于−和5应尽可能选较小的5值但考虑−.要足够大铁芯和极靴选用良好卜到线圈的本身发热量7一 ()∋“8焦耳一般较大的−值电流大一倍的软磁材料较高的状态并设法使软磁材料处于值表∋中从而使铁芯和极靴的截面积应尽量大的磁化机∗比磁化机%些而其长度最好短些这样在一定气隙长冷却水管放大了四倍才能很好地冷却线圈难。为/的空间可获得较高的磁场强度磁化不但严重浪费电力,且而给散热带来更大困机里)和0比%∗合理得多道理就在这磁化机,&比磁化机(或磁化机∋同样;<<存在着上述问题在估计−.值时应选磁化电流或−.只要在图∗中的1点左看即可图∗的又如将磁化机)通以∗10的电流场即得磁化机在))9:9∋∗值2∗血勿建立(=范围内间隙为土奥斯特的磁3+4#5,可用实验方法测出。只须磁化机∗所需电能的∋>)导同等范围若建立磁化机同样的场强磁化机)只需关键在于冷却方从’一.,一取,冬磁化机%能量的一半左右式以上充分说明为达到一定场强增加−比增加5来得合算由于软磁材料的内部缺陷的存立4如气孔渣眼舒松等等,以及铁芯极靴接触不十分良好管图∗都引起漏磁现象实践证明这部分漏磁是相当可观的没计中不指不但是精确的计算漏磁的多少是匕项繁杂根据0“的不准确的工作电磁铁”一书提供!的漏磁通比磁导#图,一∋一为/一。一只‘。∃李七8一鱼登一)Ψ千整乙一般计算下来#万左右漏磁异约占总磁导的加上材料缺陷接触不良等因素的影响磁场强度实际上只有所以磁化计算值Ο#多或更少一些机结构应紧凑一些如磁化机∋效率较高与磁路很短结构紧凑有关磁化机∋电耗∀∋5_时可在截面积为#&!Ζ#二ΝΔ间隙为 ##二二的空间建立##奥斯特的磁场用于大批量的永磁元件充磁是很方便的该丫…丫厂4棍−(二万万二/习493Μ心ΜΙΜΛ6ΙΙΜΙΜΡ机的场强与间隙的关系曲线见图Ζ从磁路的合理性来看切‘‘豁蔺妇Μ图Θ所示的形式较上述形式更为合理试用电磁铁就是这种形状日口Ι缺,洲永磁测在热磁处、∀####、、飞、,Θ0#ΥΘ%#Θ,Υ「门∀−入入、、、4、Μ卜。Υ%。。…∋##八/、、,0###⎯、、、城、∀“二、、Μ、114Μ到ϑ」⊥二4…—ϑΙ卜尽几汀权ΜΙ−4少、、一、石屯叱、、里4决气4迄,、、、舀ΙΙ卜几月⊥/44曰,Μ1一一ϑ洲井互二Ι乞/4二4一4一「一—”代Ρ」一戮一号一一门一履14ΙΜ44ϑ”Ι−4之共,、、图Ζ磁场间隙与磁场强度关系曲线一∀一理磁检充磁工序中考虑到通用性多采用费图形式的电磁铁线圈的散热问题是线圈通电后耗散日的电能高转换为热量从而使线圈温度升这是因多层线圈的温升不应超过刊℃为温度再高会引起导线的绝缘层强度减低些绝缘程度下降在离开线圈内径约1( 线圈厚度处的温度最高温度的分布见图∀∀内层比外层温度高1一1区王毛截图Θ图∀#所示的电磁铁把漏磁减少到最小磁路较合理作为较小空间产生的强磁场是相当合理的但是它的加工工艺是较复杂的,匕图∀∀,在设计电磁铁磁场中问题是重要的一环冷却空气冷却方式人们感觉到散热目前一般采用油冷却水线圈持续通电时产生的热量与散出配β!有的将纱包线改为铜管 热量逐渐趋于平衡#即/ΠΝ作导线如表∀中磁化机0%导电铜管Π7艺∋∀2Αα.上式左端为线圈产通水冷却结果冷却问题尚可解决但是多耗数倍电能才获得可用的场强造成很大的浪,,生的热量β!α一散热系数.一散热面积一线圈的最高温度温升方程为。/Π二Π‘β!∃∀一。七一王丁)Σ间—由以上两式得到—时31常数∴Σ发热时/Σ9Ω,χ(α]χ(α]一Π拚式中χ“#∋∀名2均匀物体发热时间常数Σ应等于其热容量与散出到体外的热量之比一一一ΨΧ_。二二。。即一Σ。Ψδ二竺井α]一一导线的比热δ导线的重量在应用时考虑到周围散热条件的具体情况线圈#应选小于Σ冷却器图 铁芯∋机壳为取得明显冷却效果将磁线圈∀#化浅圈分成若于扁平线圈一∀ 一之间夹以铜板并以水管冷却如图∀所在&一ε线处打数根孔道镍孔内镀铜或镀只要设计适当示法即增加散热面积和提高散热系数的方以防生锈通水冷却使线圈的温度降低另外如果线圈书细是可以解决铁芯过热现象的由于线圈的温升阻的变化铜管绕制几百∀亘∀并多路通水冷却也可获还要考虑线圈的热电得高效率冷却的磁化机为保证正常使用了#℃一Θ#一般应计算主℃的直流阻抗以取得电源功率的匹配题最后提一下导线的绝缘问由于线圈温升以及线圈勺高的反电动势存在断电反复通电线圈导线之间的摩擦等等原因卜年乍都会使导线绝缘程度为保证电磁铁的耐川应尽量选用高强度的丝包线在功率不大的电磁铁中可采用∀冷却水管冷却板图 纱包线或漆包线为了克服反线圈铁芯螺栓电动势引起的线圈伸张现象∀建议采用图∀所示的用数根螺用于充磁测量的电磁铁,通电是间歇的平均发热量少了线圈的散热问题较易栓将线圈紧固起来这样可以减少导线绝缘层被破坏的机会延长线圈的使用寿命决故可适当提高导线的电流密度.Υ如充以上未涉及到磁场的均匀性问题均匀磁机的电流密度可用到作为热处理所用的磁场电磁铁(ΝΝΔ因此充性的问题与极靴的形状关。磁化线圈的位置有磁机体积可以相应的缩小特别作为永磁材料的生产工艺使用磁化等对磁场的均匀性要求不高故未做工作是Υ,+ΡΨ7]的等温热磁处理的电磁铁的冷却问题为重要小结直流电磁铁磁场的设计并不是十分复杂的事情Η竺竺巴二性吧哭∀显得更Μ为了获得高效率的稳定使用的磁实测连续使场除根据基本原理进行磁路计算电力计用的等温炉极靴Υ点算外选用廉价质优的导磁材料对导磁材料进行合理的热处理及其加工缺陷和漏磁影响∃图∀ )体表温度为∀ #℃一∀∋#℃考虑到材料的∗处以及解决冷却绝缘间题为∀∀#℃铁芯Ψ处为都是极重要的在考虑磁动势+1和选用电钓℃左右外这说明源方面要填重些使磁场通用性强以求得较合理的设计为除线圈发出的热量铁芯和极靴的温在设计极讹过程中应尽量注意到多用性参考图口曰≅,简单操作轻便“”度主要受等温炉散出的热量的影响决此关键/∀南京大学磁测量讲义蔡国廉编著”为解,等温炉机靴价包磁铁∀Θ%0笔者认为铁芯年上海科伎出版社一∀∋一
