低压电器中直流电磁铁线圈参数计算

吴建生 曾谊 朱千彬 陆胜利 李钱公 陈威挺

摘要：直流电磁铁是低压电器中重要执行元件，将电能转变为机械能的电器或电器部件。根据实际设计情况快速地计算或修正电磁铁电磁铁线圈尺寸、直流电阻、线圈绕线直径等参数，使电磁吸力及电磁铁的可靠性达到直流电磁铁最优化设计需求。

关键词：磁通势;电磁铁结构;线圈导线匝数;线圈导线直径;线圈导线直流电阻

0引言

一般地，直流电磁铁磁场与电流大小、线圈绕线匝数及中心的铁磁体有关。所以设计人员在设计电磁铁时，会注重线圈绕线的分布和铁磁体选择。低压电器中涉及到的各种形式电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力，将电能转变机械能的电器或电器部件。当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管产生的磁场所磁化，即磁化后的铁芯也变成了一个磁体，则大大增强磁场，从而使动铁芯可靠动作，属非永久磁铁，人为地将电磁铁磁性启动或消除。因此在工业电器设计、制造、检验过程中经常涉及到电磁铁工作气隙、线圈匝数、直流电阻、线圈绕线直径及铁芯尺寸计算，线圈绕线材质、铁芯材质选择。一般地，电磁铁的磁路及相关理论计算十分复杂和繁琐，通常在实际设计工作中，工程技术人员往往根据电磁铁结构、已知尺寸及参数计算待确定的技术参数。再对所得数据进行试验验证和数据校核，使新设计的电磁铁具有结构简单、经济、可靠度高、寿命长等优点。

1、电磁铁线圈形状选择

应根据实际情况设计成圆形或矩形状，同时应考虑到线圈是否需要骨架及线圈骨架材质选择，具体选择原则如下：

矩形线圈主要用于交流电磁铁，交流中的导磁体磁通是交变的，系统中有涡流和磁滞损耗，方形线圈有利于散热，如交流接触器线圈通常设计成矩形;直流电磁铁导磁体多选用电工纯铁材料进行加工，同时圆形棒料有利于机械切削加工，故直流电磁铁线圈及线圈骨架多采用圆形。

2、电磁线圈计算

2.1电磁铁计算已知数据（图1所示）

①.电磁铁额定工作电压Ue（V）

②.铁芯长度LC（m）

③.铁芯半径rC（m）

④.铁芯直径DC（m）

⑤.铁芯与线圈之间间隙ΔC1（m）

2.2外形尺寸计算

①.线圈厚度 2nrC，n-线圈厚度比值系数，小尺寸电磁铁n=0.5～2.6       线圈绕线匝数计算0.8，大尺寸电磁铁n=0.25～0.5

②.内径计算DC1DC2C12rCC1，式中ΔC1-线圈和铁芯之间间隙。一般取0.0005～0.001（m）

③.外径计算

④.线圈高度

2.3计算电磁铁设计点工作气隙值δ0

已知数据：rc-铁芯半径（m）;Bδ-在线圈工作电压下限值

（U1=0.85Ue）时的工作气隙磁通密度（T），查询图2;

a-U型排合式       b-平面磁极螺管式

F0-电磁铁设计点吸力（N）;

Kφ-电磁铁结构因数（N0.5/cm），查询表一Bδ-在线圈工作电压下限值（U1=0.85Ue）时的工作气隙磁通密度（T）;

δ0-电磁铁设计点的工作气隙值（cm）;μ0=4π×10-7H/m;

各种直流电磁铁最适宜的Kφ值（N0.5/cm）

2.4  磁通势计算

工作电压下限值时磁通势（IN）1计算：

额定工作电压时磁通勢（IN）计算：1

U-线圈额定工作电压（V）;

U1-线圈工作电压下限值（V），一般取U1=0.85Ue;

（IN）-线圈额定工作电压Ue时的线圈磁通势（A）;

（IN）1-线圈工作电压下限值（U1=0.85Ue）时的线圈磁通势（A）;

设计点在衔铁打开位置时，Ki=0.2～0.55;设计点在主触头刚接触位置时，Ki=0.55～1;

2.5  绕线直径计算

已知线圈额定工作电压Ue、电流I（A）、线圈匝数N（匝），绕线电阻率、铁芯半径以及线圈厚度、额定工作电压Ue时的磁通势（IN）情况下求线圈绕线直径d，由直流电压线圈的电路方程（欧姆定律）和电阻定律有

2.6 线圈绕线匝数计算

已知线圈绕线直径d（m），线圈额定工作电压Ue（V）、电流I（A）、线圈绕线电阻率ρ（Ω.m）、线圈厚度Δ（m），计算线圈绕线匝数N（匝），

2.7  线圈直流电阻计算

已知线圈绕线直径d（m）、线圈绕线匝数N（匝）、铁芯半径rC（m）、线圈绕线电阻率ρ（Ω.m）、线圈厚度Δ（m），

五、结束语

综上所述，直流电磁铁磁感应强度、电磁吸力大小可以通过改变电磁铁电流大小、线圈绕线匝数或铁芯尺寸来实现;其磁极可以通过改变电流方向来控制等。即：磁场磁感应强度大小、方向可以通过改变电磁铁电压进行改变。所以电磁铁的最优设计在于合理选择电磁铁结构型式，线圈尺寸、直流电阻、线圈绕线匝数、线圈绕线线径等，设计人员可通过上述公式快速地计算或修正电磁铁线圈相关参数，从而达到直流电磁铁最优化设计需求。

参考文献：

[1] 贺湘琰主编，《电器学》第2版，机械工业出版社

[2] 张冠生，陆俭国主编.电磁铁与自动电磁元件.北京：机械工业出版社，1982

[3] 方鸿发主编.低压电器.第2版.北京：机械工业出版社，1988[4]马镜澄等编.低压电器.北京：兵器工业出版社，1993

作者简介：

吴建生，男（1981年3月），汉族，贵州遵义人，工程师，研究方向：低压工业电器结构设计及制造