电磁系统吸力特性计算方法优化

1.电磁吸力的计算

众所周知，磁场对位于其中的运动电荷和载流导体有力的作用，电磁系统的吸力计算通常采用能量平衡公式和麦克斯韦公式。

（1）能量平衡公式 根据电磁系统的能量平衡关系，并假设线圈电流I和磁链ψ为线性关系，可得出计算吸力的一般公式为

对于线性磁路及漏磁通不随气隙变化的电磁系统，由式（4-202）可导出计算吸力的实用公式为

式中 dG_δ/dδ——气隙磁导对气隙的导数。

式（4-203）是在假设磁路为线性的情况下得出的，但也适用于非线性磁路的计算，由于当δ增加时G_δ减小，所以dG_δ/dδ为负值，因此实际吸力F是正值。

（2）麦克斯韦公式 根据麦克斯韦公式，并假设磁极间磁场是均匀分布的，因此可得出计算吸力的简化公式为

式中 B_δ——工作气隙的磁通密度（T）；

S——磁极面积（m²）。

2.不同电磁系统的吸力特性

合理的电磁系统结构型式应能使其静态吸力特性与反力特性得到良好的配合，不同型式的电磁系统具有不同的吸力特性。

直流电磁系统常用的结构型式有盘式、拍合式和螺管式等，其吸力持性曲线如图4-172所示。

图4-172 直流电磁系统的吸力特性

1—盘式 2—拍合式 3—有挡铁螺管式 4—无挡铁螺管式(www.xing528.com)

由于盘式电磁系统的磁极面积很大，磁路很短，在气隙小时能获得非常大的吸力，它有两个串联的工作气隙，因而随着气隙的增大，吸力下降很快，所以吸力特性非常陡峭。拍合式电磁系统有一个工作气隙和一个棱角气隙，因而随工作气隙的增大，吸力下降很快，但比盘式要慢一些，因此吸力特性比较陡峭。螺管式电磁铁除磁极端面的吸力外，还有漏磁产生的螺管力作用在动铁心上，对于无挡铁螺管式，磁极端面的吸力较小，由于气隙增大时漏磁产生的螺管力变化不大，吸力特性比较平坦。对有挡铁的螺管式，磁极端面的吸力较大，在小气隙部分的吸力特性接近拍合式。对于同一类型的电磁系统，采取不同的磁极形状，也可获得不同的吸力特性。

交流电磁系统的结构型式小容量采用直动式，大容量采用转动式。直动式电磁系统的结构有，单E型、双E型、单U型、双U型、T型、螺管式。

假设：①电磁系统的材料相同，导磁体的截面也相同，即E型中柱铁心截面与U型相同，两边柱铁心截面为中柱铁心的一半，螺管式铁心柱截面与U型相同；②线圈电压、电阻及匝数均相同；③铁心柱间距离相同，线圈窗口面积相同。几种结构的吸力特性如图4-173所示。

图4-173 不同交流电磁系统结构的吸力特性

1—双E型 2—双U型 3—T型 4—单U型 5—单E型 6—螺管式

双U型电磁系统气隙增大时，气隙磁通减小较少，又有螺管力，所以吸力特性比较平坦。双E型电磁系统漏磁比U型多，因此主磁通比U型的少，而且差别在气隙越大时越明显，所以吸力特性比U型陡峭。单E型和单U型的漏磁通较多，且没有螺管力，因此吸力特性比双E型和双U型陡峭。T型电磁系统的工作气隙磁导大于双E型小于单U型，所以吸力大于双E型小于单U型，这种差别气隙越大越明显，因此吸力特性介于两者之间。螺管式电磁系统气隙增大时主磁通减少小，且有螺管力的作用，因此吸力平坦，动铁心处于闭合位置时只有一个工作气隙，吸力约为其它型式的一半。

3.交流电磁系统吸力特性及分磁环原理

交流电磁系统的励磁线圈的电源电压为正弦交变量，因此其中的磁通也为正弦交变量。则按照麦克斯韦电磁力计算公式，电磁力可分为恒定部分和交变部分，如式（4-205）所示。恒定部分为平均吸力，交变部分以二倍电源频率随时间周期性变化。由于磁通的正弦交变性，使交流电磁系统的吸力具有脉动性，吸力在0到两倍的平均吸力之间按两倍的电源频率周期性变化。

由于交流电磁系统吸力的脉动性，使得吸力在半个周期内与反作用力F_f线相交两次，当吸力由最大值减小到小于反作用力以后动铁心将被释放，但吸力又很快回升到大于反作用力，又使得动铁心重新吸合，这样使得动铁心产生振动。为了消除振动，通常采用在交流电磁铁磁极面上安装分磁环，将磁极端面处的磁通分成两个彼此有一定相位差的分量，使得两磁通产生的合成吸力的最小值不低于反作用力就能完全消除有害的振动。

由于磁导体中的铁损耗会使磁路中出现磁抗，在磁极端面的一部分套上一个导体环，则被导体环所包围的磁路部分就有一个磁抗。磁抗的存在使得通过无磁抗支路的磁通Φ₁与经过有磁抗支路的磁通Φ₂之间出现了相位差。在这个基础上，再适当调整一下两个支路的磁通量，便能达到消除上述有害振动的目的。磁极面结构、等效磁路和相量图如图4-174所示。加装分磁环后的电磁吸力如图4-175所示。

图4-174 磁极面结构和等值磁路及相量图

图4-175 加装分磁环后的电磁吸力