设计制造电磁铁

时间：2022-02-25 理论教育版权反馈

【摘要】：你可以设计并制造多用途电磁铁，且不会遇到复杂的数学难题。对于长行程，简单电磁铁是完全无效的。考虑到操作门闩时存在很大的摩擦力，建议设计的磁铁能施加约50磅的拉力。同样的计算步骤可用于任何直流电磁铁。使用没有返回路径的铁芯时，计算短行程磁铁要求的安匝数只要考虑铁芯长度及行程长度。为了更容易了解如何应用简化方法设计交流电磁铁，我们将演示如何制造一个适用于关闭电开关的交流电磁铁。

你可以设计并制造多用途电磁铁，且不会遇到复杂的数学难题。本文将此项目分解为几个简单的步骤，认真照着去做，就能得到十分满意的结果。

但是，像其他用到铁的电气装置一样，电磁铁的最终性能总与计算值有些不同，因为不可能看看铁材料就准确知道其效能。为了使工作尽可能精确，后文给出了4种等级的铁材料的性能值。

直流电磁铁　尽管交流电磁铁或直流电磁铁的一般原理是相同的，但我们将从直流电磁铁起步，图1示出了几种直流电磁铁。为了说明设计方法，我们将演示如何制造电磁门锁闩（图2和图3）。在这个门锁闩中，门闩行程只需要1/4英寸。对于长行程，简单电磁铁是完全无效的。要做的第一件事是，取一个卷弹簧保持门闩关闭，以便测试它的张力。在图示的情况中，发现需要25磅压力才能将其压缩1/4英寸。考虑到操作门闩时存在很大的摩擦力，建议设计的磁铁能施加约50磅的拉力。

门闩能方便地用锻铁锻造，所以我们用同一材料制作磁铁芯及框架。查阅图4，从标为“锻铁”的B栏我们发现，将需要的拉力（在我们的例中是50磅）除以153，就得到磁心的截面积。做这个除法后得到0.327平方英寸。用标准直径的铁棒做磁芯是很方便的，所以，我们选择与此要求的面积大小非常接近的铁棒尺寸。据此，我们选用3/4英寸铁棒做磁芯。下面，我们再次参考标为“锻铁”的B栏，计算磁铁达到要求强度所需的安匝数。此时我们发现，把磁芯长度乘以137就得到磁化磁芯要求的安匝数。安匝是用于此值的名字，用流过线圈中的电流安培数乘线圈的导线匝数。安匝数越大，产生的磁场越强。有50圈导线、流过10安培电流的线圈就用10乘50，得500安匝。类似地，绕250圈导线并通过2安培电流的线圈用2乘250，得500安匝。应用此公式确定要求的安匝数前，我们一定要为线圈及铁芯部件长度假定某个合理数值。图5给出了一个可遵循的规则。根据这一规则，我们绕制的线圈深度为3/4英寸。这意味着线圈外径将是2.25英寸。3/4英寸乘以6等于4.5英寸，作为线圈长度。为了留一些绝缘空间，切出的铁芯长度应为4.75英寸。参考图3所示的磁门闩草图，我们很容易得知铁芯的总长度。虚线长度代表我们必须测量的长度。换言之，我们要查明磁力必须通过铁芯走多远。总长为14.25英寸。把此数乘以137（如图4“锻铁”条目中指出的），得到1953安匝。此外，我们必须加若干安匝以满足行程要求。这一数量用行程长度（1/4英寸）乘E栏对应“锻铁”所示的数字得到。将此数（32880）乘1/4英寸，得到8220，作为要加的安匝数。1953加8220等于10173，作为线圈要求的总安匝数。同样的计算步骤可用于任何直流电磁铁。任何情况下，磁力要穿过其中形成完整磁路的铁芯总长度必须测定。使用没有返回路径的铁芯时，计算短行程磁铁要求的安匝数只要考虑铁芯长度及行程长度。行程长时，应该采用螺管式磁铁，或插棒式磁铁。

下面我们计算绕线圈要求的导线尺寸。图5给出了计算的简单法则。依据此法则，平均周长是铁芯直径的6.28倍，在本例中平均周长是4.71英寸。算出了平均周长后，我们就能确定使用的导线的尺寸。若线圈准备用直流110伏工作，首先将此电压（110）乘12000，得到1320000。然后，将上述求得的总安匝数（10173）乘平均周长（4.71），得到47915。然后用此数去除1320000，得到27.55欧姆，作为每1000英尺我们需要的某尺寸导线的电阻。查阅导线表发现，这一电阻对应的导线尺寸在No.23和No.24之间。我们可以选择其中之一。两者中，尺寸较大的，即No.23线将稍稍增加磁铁的强度，使它热一点；但因为这种磁铁是间歇使用的，可以采用No.23线而不会有过热的危险。在绕制用上述方法算出的线圈时，没有必要数导线的圈数，因为所选的导线尺寸会产生正确的安匝数，与所绕的实际圈数无关。改变电压，或改变线圈直径才会使线圈不能有预期的性能。增加或缩短线圈长度不会改变安匝数或强度。若线圈缩短，它工作时温度就高一些；若线圈加长，它工作时温度就低一些，不过，产生的拉力是一样的。尺寸合适的隔离垫圈要用胶木或纤维材料制作，如图6所示那样紧套在铁芯上。垫圈的外径应稍微超过线圈的外径。两端垫圈就位时，它们之间的铁芯上卷2－3层厚棕色纸。用虫胶清漆把它们固定，还可以提高绝缘性能。每2－3层导线间要放一层纸，用来增加绝缘性。任何绝缘类型的导线均可使用，不会改变线圈的安匝数。线圈做成后，最好将其用虫胶清漆覆盖，见图7。

图8是起重磁铁的简易设计。这种磁铁的框架可以用管帽制造。铁芯用一段铸铁或铸钢车削加工而成。此类磁铁要求的安匝数的计算与上面阐述的一样，只是不要考虑行程。其他特别类型的磁铁也可用类似方法解决。必须记住，包封绕组或短线圈会流过较多安培电流，比长的暴露的线圈要热一些，因为后者能将热发散出来。用于控制杠杆系统的磁铁必须设计得能适应拉力变化，这种变化是杠杆系统要求的。图8下方给出了计算杠杆磁铁所要求拉力的一些简单方法。

交流电磁铁　可以设计多种用途的交流电磁铁，前提是小心地设计金属部件，当磁铁臂闭合时，使得铁件形成围绕线圈的整个磁路。没有磁力返回路径的普通磁铁对交流电是不合适的。交流电磁铁的铁芯必须用钢片制作，与变压器的铁芯类似。图9展示了几种交流电磁铁。用炉用螺栓紧密装配的硅钢片或炉管铁片（图10和图11）可以用作此类磁铁的铁芯。移动部件（或叫作铃锤）比较小时，可用实心金属制成，但其上绕线圈的铁芯必须用所示的叠片制作，否则会产生过热问题。

为了更容易了解如何应用简化方法设计交流电磁铁，我们将演示如何制造一个适用于关闭电开关的交流电磁铁。用于关闭或打开电开关的磁铁称为继电器。由于得到旧变压器的铁芯比较容易，就用它作为我们的铁芯。铁芯和机械装置合在一起的示意图见图12和图13。从图中我们可以看到，在磁铁施加拉力中起作用的铁芯面长度分为三部分。外柱宽3/8英寸，中间柱长3/4英寸。加在一起为11/2英寸，就是有效拉力表面的总长度。把此长度乘以铁芯厚度（1/2英寸），得到3/4平方英寸，这就是在磁铁施加拉力中起作用的铁芯截面积。对于交流电磁铁每平方英寸的拉力面将产生88磅的拉力，这个估值是可靠的。因此，我们这个磁铁的拉力是3/4乘88，66磅。这一数值能满足我们的用途，所以我们就用这个铁芯。线圈要求的导线匝数取决于所用的电压及电源的频率（或周波）。若磁铁用交流电110伏、60周波工作，从图14可知，把电压乘4.7，再将乘积除以铁芯截面积就算出导线匝数。此处的铁芯截面积是在其上绕线的柱截面积。参考图12，该柱宽3/4英寸、厚1/2英寸。将它们相乘就得到截面积为0.375平方英寸。然后求匝数：将电压（110）乘4.7得到517，再将517除以截面积（0.375）得到1379，这就是要求的匝数。图14中也指出了计算导线尺寸的方法。采用这一法则，首先测量磁力必须通过的最短路径长度。图12中虚线指出的就是这个长度，总长为4.875英寸。用此法则求导线尺寸，先用4.875乘50000得到243750。将此数值除以匝数（1379）得到177圆密耳⁴，就是要求的导线尺寸。查阅导线表，可知它在No.27和28之间。由于我们不要求磁铁满功率操控继电器，所以选择较小的导线尺寸，即No.28⁵。线圈可绕在一个模子上，再用在变压器结构中使用的同样方法安装到铁芯上。线圈安装到铁芯前，铁芯要用绝缘纸覆盖。