1、直流電磁鐵磁場的設(shè)計上海磁鋼廠趙佑民© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpW© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpW得,H】=¥罟，L>LI.H1<H<>生產(chǎn)和實驗中常常需要建立23X1L 奧斯特（160240千安/米）的直流磁場。眾 所同知.電憩鐵磁場比螺旋管該場

2、更合理 些，這是因為線圈中放入鐵磁材料做成的鐵 芯后,噬路小鐵磁介質(zhì)磁阻很小，磁場所消 耗的功字大為節(jié)省，磁能雖集中地分布于氣 E食中。在永磁材料的生產(chǎn)和使陽過程中，充磁 （磁化）、熱磁處理、磁場成型、磁性檢驗 等工序多采用電磁鐵所產(chǎn)生的磁場，因此正 確設(shè)計電磁鐵磁場，以達到一定的磁場強度 等工藝條件、穩(wěn)定使用、節(jié)約'金屈和電水、 提高工效是極有意義的工作叮.*一、設(shè)計原理電磁鐵相當于一個有氣隙的鐵芯線；如 "圖1所示。當線艇通以電流后，鐵芯被磁化，氣隙中的磁通，由鐵芯中的礁感應(yīng)強 度B來決定。設(shè)線圈的總匝數(shù)為N,所通電流 為I,氣隙長為Lo,戡而積為So,鐵芯的磁 導率為卩

3、，空氣磁導率為皿，暫不考慮硝路 中的漏磁因素，.由磁路定律可求得氣隙磁場 気度為，1而=丫詩-,弘uO.bNI為磁動 jKno j勢，單位為“吉柏” o SRmj為串朕磁阻，J它等子迭芯磁隕R加上空氣隙磁阻R。，R=器,、R二聶，把它們代入（1）式口（MitNlLo +LSn Ho在螺旋管形式|10-|2- 1則近似得把一般電曲鐵形式畫如圖2 ,同樣暫不 考慮漏磁影響。由©H dL =HL =R總yjej而Ra = R0 + Ri + RaRo、R j,氏分別為氣隙、極靴、鐵芯的磁阻，并有Rj=器代入（2）得,H So (0.4nNlL 0 1 L1十 ： 7Fn00)_0.4nNl

4、_ L、S. i LjSi ( 3 ) i orrr 叭 Hibi fiibx式中心、3分別為極靴和鐵芯的 磁導率（單位無因次）S|、S2分別為極靴和鐵芯的栽 面積（平方晅米）L.、Li分別為極靴和鐵芯的平均長度（嶇米）.（3）式就是電磁鐵磁場設(shè)計的 社本公式。這樣得到的磁場強度H的單.位是 奧斯特?？諝庵衖io= io如果鐵芯與極靴的截面積相同。并選用 同一種村料，則有1T 0>4tcNI式中 L=Li +L21 汽壯2 圾卑3 .鉄芯圖 2L/ */X%I7/,'/ /7r7、二、設(shè)計中應(yīng)考慮的一些問題i殳計實踐證明，在選用導磁材料，選定 鐵芯、極靴、線圈的尺寸，確定磁動勢（

5、即 安匝數(shù)）及相應(yīng)的導線材料等對設(shè)計的合理 性有很重要的關(guān)系，此外，電磁鐵的漏磁、 散熱等問題也必須加以考慮，否則將嚴重的 影響電磁鐵的使用。下面就這些問題進行討 論，并試以實例說明。/o15圖3 工業(yè)地鐵械化曲線左討論問題前，首先讓我們看-肴笑用 軟磁材料的基本磁化曲線（圖3圖4 ）o© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. httpW圖4 軟濮材料的磁化曲線1.DT4電工純鐵2已退火的10號制3.D4碳電工鋼片4.D330冷札電工網(wǎng)片51J79坡莫合金在

6、這里必須說明的是，影響軼磁 材料性能的因素很多，雖然，圖3、 圖4的磁化曲線退由實驗得來的，但 是往往同一牌號的材料，由于其成分 偏析、組織差異（如疏松）、熱處理工 藝的不同等等，對材料的磁化曲線都 有影響，所以，以上磁化曲線僅供設(shè) 計時參考。從磁化曲線上可以看出:磁導率 卩是個變屋，一般隨磁化場總用如. A逐漸減小,卩值診變化規(guī)律可由謝 5找出。圖5 必性材抖相對彥導率曲線1.DT 4電工純鐵2已退火的10號鋼3. D4饑碳電工鋼片4. D330冷軋電工鋼片 5.1J79坡莫合金6牯鋼6姑鋼實用中多采用二業(yè)純鐵、硅鋼片或低碳 鋼（如10號鋼）做鐵芯和極靴材料。這些材 料是價廉物美討軟磴材料，

7、磁導率相當高， 但墾當磁感應(yīng)強度B>16000斯（1.6忒斯 拉）吋，卩性往小T300,隨右磁化場增加、 B直的增犬,卩值甚至只有100左右或幾十。比校表1中的磁化機1,2或疏化機4、5、6可以 清楚說明，N 1的過多增加，磁導率在下降， 磁場強度增雖不大，因此簡場地設(shè)想猛増 NI值來獲得高的場強，甚至尖鐵芯飽汨的 想法，足事借功半的做法，既費電力，又使 線圈過熱，漏磁用加，很不合第。'11 11 序總電泓功*導紋彼面恢応尺寸底場A間|盛場強度號<萬）（A ）Kwnun x rrri長 x 偲 x rtmri滬而x間K!OI384022：'O x 80 x .100

8、220 xf0xl501500 愉循：；2G廠40JJ©232：0 <80x530220 ：< EOx >50!550秋循環(huán)35.2IOC050<5iC，3如220 x 80 x 4402：0xfc0 x 15017G0骨內(nèi)水冷4；0MO101J 1200 X -50x Z002"：5 x 1“3400«油110.4ZOOO20<bi6 ：<：><%>300 X ; 0 <=800 d 1502200管內(nèi)水;630.64C00804>16 X 3（許300x9;；x“0 共二ft：800 X 8CX

9、 J5030（0絃內(nèi)水A75.252054.1 x 1 1200 x 150x200440 X80X 1502200油的參數(shù)幾個謹化表1機11 11 為了合理的設(shè)計電磁鐵磁場，由（3）式 可知:NI要足夠犬，鐵芯和極靴選用良好 的秋礎(chǔ)材料，并設(shè)法使軟磁材料處豐p值. 較高的狀態(tài)，鐵芯和極靴的截面積應(yīng)盡曲大 些而其長度最好短些，這樣在一定氣隙長 為L。的空間可獲得較高的磁場強度。磁化 機4和7比5 , 6合理得多，道理就在這 里。，金佔計N I值時，應(yīng)選磁化電流或N I 值，只要在圖6中的A點左若即可，圖6的 He = f仃）可用實驗方法測出。圖 6磁場強度H雖然皆正比于N和I,侶考慮 到線圈的

10、本身發(fā)熱靈Q=024FR焦耳一般 應(yīng)盡町能選較小的I值，較大的N值。表1中 的磁化機6比磁化機5電流大一倍，從而使 冷卻水符放大了四倍才能很好地冷卻線圈。 不但嚴重浪費電力）且?guī)壗o散熱帶來更大困 難。磁化機3比磁化機2或磁化機1,同樣 存在若上述問題。又如將磁化機4通以500A 的電流，即得磁化機7在440X80XlfiQ mm 范圍內(nèi)，間隙為160mmM立22（10奧斯特的磁 場，只須磁化機5所需電能的1/4,若建立磁 化機5同等范圍，同樣的場強磁化機4只需 磁化抑5能僭的一半左右，關(guān)鍵在于冷卻方 式。以上充分說明，為達到一定場強，增加 N比增加I來得合算。由于軟矽村料的內(nèi)部缺陷的存忘（如氣

11、 孔、渣眼、舒松尊等）.以及鐵芯、極靴接 觸不十分良好，都引起漏磁現(xiàn)哀，實躅證明 這塔分漏磁是相當可觀住，沒計中不能不 管，但是精確油計算漏磁的多少是J項繁雜 的不準確的工作，根據(jù)“電磁鐵”一書提供 的漏磁通比磁導（圖7 ）:11 11 訐F層+才?。┮话阌嬎阆聛恚┐女惣s占總磁導的 20 %左右，加上材料缺陷、接觸不良 等因素的影響，磁場強度實際上只有 計算值70%或更少一些。所以，磁化 機結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊一些，如磁化機4效率 較離與磁躋很短，結(jié)構(gòu)緊湊有關(guān)。磁化機4電耗14kw時，可在截面 積為200X80min2,間隙為300mm的 空間建立2200奧斯特的磁場，用于大 批量的永磁元件充磁是很方

12、便的。該 機的場強與間隙的關(guān)系曲線見圖8。從磁路的合理隹來看，圖9所示 加陋式較上述形式更為合理，永磁測 試用電磁鐵就杲這種形狀,在熱磁處 H蓄斯1%I-950A «-8ooA1 fooA /1400AN X »一亠一*11 I二 ：匕j =fW - . ya.'11<-:1* *r -* .7111一i-W* .Mi” j圖8 礁場間隙與磋場強度關(guān)系曲線1994-2010Academic Journal Electronic Publishing House. All r reserved. htpA'vww.:1994-20l£LCJ)j

13、Academic Journal ILIectronic Publishing House. All rights reserved http：/Aki net1.圾閽2 冷卻器3 鐵芯4 伉比圖10T Trnax （ 1 e t；） 10時間常數(shù)，t發(fā)熱時間，由以上兩式得到, b q齡式中 Q-0.24FR均勻物體發(fā)熱時間常數(shù)t。應(yīng) 等于具熱容量與散出到體外的熱 量之比，ti'J t0=psC導踐的比熱，G導線的重 覽。在應(yīng)用時，考慮到周圍散熱 條件的具體情況,皿選小于to。為取得明顯冷卻效果，倚磁 化茂圈分成若干扁平線圈，線圈理，磁檢充磁工序中考慮到通用性，多采用 圖2形式的電磁鐵

14、。圖 9圖M所示的電磁鐵，把漏磁減少到謚小， 磁路較合理，作為較小空間產(chǎn)生的強磁場是 相當合理的，但是它的加工工藝是較復雜的。在設(shè)計電磁鐵磁場中，人們感覺到散熱 問題是重要的一環(huán)。目前一般釆用油冷卻水 冷卻空氣冷卻方式，有的將紗包線改為銅管 作導線，如表1中磁比機3、5、6，導電銅管 通水冷卻，結(jié)果冷卻問題尚可解決，但是多耗 數(shù)倍電能，才獲得可用的場強，造成很犬的浪 費。線圈的散熱問題，是錢圈通電后，耗散 的電能，轉(zhuǎn)換為熱遣，從而使線圈溫度升 高。多層線圈的溫升不應(yīng)超過70C,這是因 為溫腹再崗，會引起導線的絕緣層強度減 低，絕緣程度下降。在離開線圈內(nèi)徑約1/3 線圈厚度處的溫度最髙，內(nèi)層比外

15、層溫度高 些，溫度的分布見圖門。線圈持續(xù)通電時，產(chǎn)生的熱量與散出供 熱盤逐漸趨于平衡，即*0.24 PR=pSTmax上式左端為線圈產(chǎn) 生的熱蠱。p散熱系數(shù)，S散熱面積， Tmax一線圈的最高溫度。溫升方程為之間夾以銅板，并以水管冷卻，如圖12所 示，即增加散熱面積和提髙散熱系數(shù)的方 決，使線圈的溫度降低,另外如果線圈用細 銅管繞制幾白匝.并多路通水;令卻，也可獲 得高效率冷卻的磁化機。在D-E線處打數(shù)根孔道.，孔內(nèi)鍍銅或鍍 銀，以防作銹，通水冷卻.只要設(shè)計適當， 是可以解決詵芯過熱現(xiàn)象的。由于線圈的溫升，還耍考慮線圈的熱電 阻的變化，為保證正常使用，一般應(yīng)訃算化1994-20l£L

16、CJ)jAcademic Journal ILIectronic Publishing House. All rights reserved http：/Aki net1 冷卻水管2 冷卻扳3 線圈4 鐵芯5 螺栓圖1270t-90t的直流阻杭,以取 得電源功率的匹配。最厲提一下導線的絕緣問 題,由于線圈溫片以及線圈勺 高的反電動勢存在,反復通電 斯電,線圈導線之間的燿撩等 爭原因，都會使導線絕綠程度 卜條，為保證電磁鐵的耐川, 應(yīng)盡量選用高強度的絲包線， 在功率不大的電磁鐵中可采用 紗包線或漆包線。為了克服反 電動勢引起的線圈伸張現(xiàn)象， 姥議采用圖11所示的用數(shù)根螺1994-20l£

17、;LCJ)jAcademic Journal ILIectronic Publishing House. All rights reserved http：/Aki net圖13 1.等溫爐2 .機軟3 鐵芯用于充磁、測最的電磁鐵，通電是間歇 的，平均發(fā)熱量少了，線圈的散熱問題，較易 決，故可適當提高導線的電流密度，如充 磁機的電流密度可用到5A/mm因此，充 磁機體積可以相應(yīng)的縮小。作為熱處理所川, 的磁場電磁鐵，特別 是Al Ni Co 8的等 溫熱磁處理的電磁鐵 的冷卻問題，顯得更 為重耍。實測連續(xù)使 用的等溫爐極靴A點 （圖13）體表溫度為 130t-1401C, B 處 為not鐵芯C處為 50°C左右，這說明， 除線圈發(fā)出的熱掠 外，鐵芯和極靴的溫 度匸要受導溫爐散岀 的熱量的影響,為解 決此關(guān)鍵,筆者認為 栓，將線圈緊固起來，這樣可以減少導線絕 緣層被破壞的機會，延長線圈的使用壽命。以上未涉及到磁場的均勻性問題，均勻 性的問題與極靴的形狀，磁化線圈的位置有 關(guān)。作為永穗材料的生產(chǎn)工藝，使用磁化等 對磁場的溝勻性要求不髙，故未做工作。小 結(jié)直流電磁鐵磁場的設(shè)計并不是十分夏雜 的事情，為了獲得高效率的穩(wěn)定使用 W 場，除根據(jù)基本原理進行磁路計算,電