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    推拉式電磁鐵吸盤(pán)_起重電磁鐵生產(chǎn)廠(chǎng)家_廣東君晟裝備科技有限公司
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    直流電磁鐵的深度研究

    作者:創(chuàng )始人 日期:2023-10-20 人氣:12015

    電磁鐵

    由由線(xiàn)圈包圍的磁性材料的磁芯組成的裝置,電流通過(guò)線(xiàn)圈使磁芯磁化。電磁鐵用于需要可控磁體的地方,如在磁通量變化、反轉或開(kāi)關(guān)的裝置中。

    利用磁路的概念,將電磁鐵的工程設計系統化。在磁路中,磁動(dòng)勢F或Fm被定義為線(xiàn)圈的安培匝數,線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)從而在電路中產(chǎn)生磁通量。因此,如果每米n匝的線(xiàn)圈攜帶電流i安培,線(xiàn)圈內部的磁場(chǎng)是每米ni安培,它產(chǎn)生的磁動(dòng)勢是零安培匝,其中l是線(xiàn)圈的長(cháng)度。更方便的是,磁動(dòng)勢是Ni,其中N是線(xiàn)圈中的總匝數。磁路中的磁通量密度B與電路中的電流密度B是等效的。在磁路中,與電流等效的磁場(chǎng)是總通量,用希臘字母phi表示,?,由BA給出,其中A是磁路的橫截面積。在電路中,電動(dòng)勢(E)與電路中的電流i的關(guān)系是:E=Ri,其中R是電路的電阻。在磁路中F=r?,其中r為磁路的磁阻,等效于電路中的電阻。磁阻是磁路長(cháng)度l除以磁導率乘以橫截面積A得到的;因此,r=l/μa,即希臘字母mu,μ,表示形成磁路的介質(zhì)的磁導率。磁阻的單位是安培匝數/韋伯。這些概念可以用來(lái)計算磁路的磁阻,從而計算通過(guò)線(xiàn)圈所需要的電流,以迫使所需的磁通通過(guò)該電路。

    然而,在這種類(lèi)型的計算中涉及的幾個(gè)假設,使它最多只能作為設計的近似指導??纱沤橘|(zhì)對磁場(chǎng)的影響可以被看作是把磁力線(xiàn)擠進(jìn)它自己。相反,從高滲透性區域傳遞到低滲透性區域的力線(xiàn)傾向于散開(kāi),這種情況將發(fā)生在氣隙。因此,與單位面積上力線(xiàn)數量成正比的通量密度,將因間隙兩側的力線(xiàn)凸起或邊緣而在氣隙中減少。間隔越長(cháng),這種效果越明顯;粗略的修正可以考慮到邊緣效應。

    也假定磁場(chǎng)完全局限在線(xiàn)圈內。事實(shí)上,總有一定量的漏磁,表現為圍繞在線(xiàn)圈外面的磁力線(xiàn),它對鐵芯的磁化沒(méi)有貢獻。磁芯的磁導率較高時(shí),漏磁一般較小。

    在實(shí)踐中,磁性材料的磁導率是其磁通密度的函數。因此,只有在實(shí)際的磁化曲線(xiàn),或者更有用的是μ對B的圖是可用的情況下,才能對實(shí)際材料進(jìn)行計算。

    最后,設計假設磁芯沒(méi)有磁化到飽和。如果是這樣,在這種設計中,無(wú)論線(xiàn)圈通過(guò)多少電流,磁通密度都不能增加。在接下來(lái)關(guān)于特定設備的幾節中,將進(jìn)一步擴展這些概念。

    圖一

    螺線(xiàn)管

    螺線(xiàn)管通常是一個(gè)長(cháng)線(xiàn)圈,電流通過(guò)它流過(guò),建立磁場(chǎng)。更狹義地說(shuō),這個(gè)名字指的是一種機電裝置,它在通電時(shí)產(chǎn)生機械運動(dòng)。在其最簡(jiǎn)單的形式,它由一個(gè)鐵框包圍線(xiàn)圈和一個(gè)圓柱柱塞在線(xiàn)圈內移動(dòng),如圖1所示。對于交流電電源,堅固框架中的鐵損耗限制了效率,采用了疊層框架,疊層框架由一堆切割成適當形狀的薄鐵片組成,并在每個(gè)鐵片之間堆疊一層絕緣清漆。當線(xiàn)圈通電時(shí),柱塞通過(guò)它和框架之間的磁力吸引移動(dòng)到線(xiàn)圈中,直到它與框架接觸。

    交流螺線(xiàn)管往往在完全開(kāi)啟的位置比直流電單元更強大。這是因為初始電流高,因為線(xiàn)圈的電感,是由柱塞和框架之間的空氣間隙降低。當電磁閥關(guān)閉時(shí),這個(gè)氣隙減小,線(xiàn)圈的電感增加,通過(guò)它的交流電下降。如果交流螺線(xiàn)管在開(kāi)路位置,線(xiàn)圈很可能燒壞。

    當電磁閥完全打開(kāi)時(shí),它有一個(gè)很大的氣隙,在給定的磁動(dòng)勢下,這個(gè)氣隙的高磁阻使磁路中的磁通保持較低,柱塞上的力也相應較低。當柱塞關(guān)閉時(shí),磁阻下降,磁通增加,因此力逐漸增加。螺線(xiàn)管的制造商提供力-行程曲線(xiàn),以便用戶(hù)可以根據其目的選擇適當的單位。曲線(xiàn)可以通過(guò)彈簧加載柱塞進(jìn)行修改,以便整個(gè)沖程提供的力可以與特定的機械負載相匹配。


    圖二

    繼電器

    繼電器是一種應用電磁原理來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉光電流電路的裝置。應用于大電流電路中的相同裝置被稱(chēng)為接觸器或斷路器。

    由于所需的機械移動(dòng)量一般較小,電磁柱塞通常是靜止的,部分機座鉸接以給予必要的運動(dòng)。這種安排如圖2所示。當線(xiàn)圈通電時(shí),框架的鉸接部分被線(xiàn)圈中的固體鐵芯所吸引;這種吸引力將聯(lián)系人推到了一起。當通電電流被移開(kāi)時(shí),鉸鏈部分被觸點(diǎn)的彈性強迫回到開(kāi)啟位置。


    圖三

    隨著(zhù)晶體管開(kāi)關(guān)電路的出現,它使用的功率非常低,需要一種可靠地工作在功率為100到300毫瓦的繼電器,而傳統繼電器的功率為4毫瓦。圖3所示的簧片繼電器或簧片開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足了這一需求。它由兩個(gè)50-50鎳鐵合金的扁平葉片組成,它們之間有一個(gè)間隙重疊在一起。當沿著(zhù)葉片的長(cháng)度施加磁場(chǎng)時(shí),重疊部分會(huì )感應到相反的磁極,它們被吸引在一起,產(chǎn)生電接觸。在去除磁場(chǎng)時(shí),接觸刀片的彈性打開(kāi)接觸。每個(gè)刀片的重疊區域都鍍上金,以保證良好的電接觸,封閉的玻璃膠囊內充滿(mǎn)干燥的氮氣,以防止腐蝕。操作該器件所需的磁場(chǎng)是重疊量的函數,并且存在與最小操作電流所需對應的最佳重疊。

    目前電話(huà)設備中使用的簧片開(kāi)關(guān)是由高達50伏的直流電流操作的。通常,簧片閉合時(shí)58安培匝,釋放時(shí)15安培匝,保持電流為27安培匝。觸點(diǎn)閉合可以在2毫秒內提供穩定的觸點(diǎn)電阻,在100微秒內釋放,并且具有超過(guò)5000萬(wàn)次操作的壽命。使用35000轉線(xiàn)圈線(xiàn)圈電阻通常是18,600歐姆,因此在50伏的電流是2.7毫安。最小工作條件僅需要1.7毫安,因此該繼電器可以在較低的電壓下工作。

    通過(guò)使用小型的外部永磁體,簧片開(kāi)關(guān)可以制成閉鎖繼電器,當激勵場(chǎng)被移除時(shí)保持閉合。它們也可以設計為三個(gè)葉片,以提供轉換接觸。

    大型電磁鐵設計

    幾乎每一個(gè)科學(xué)研究實(shí)驗室遲早都會(huì )發(fā)現,它需要一種產(chǎn)生大磁場(chǎng)的設備。許多先進(jìn)技術(shù)同樣需要大型電磁鐵。例如,回旋加速器是一種用于科學(xué)研究的設備,在該設備中,帶電的亞原子粒子被恒定磁場(chǎng)中的交變電場(chǎng)加速。它使用一個(gè)大磁鐵來(lái)產(chǎn)生中等強度的磁場(chǎng),但磁極直徑可能有幾米。一些工業(yè)使用巨大的、高功率的電磁鐵來(lái)提升物體。


    圖四

    前面討論了大型電磁鐵的基本設計原則。困難出現在試圖估計跨越氣隙的邊緣通量和線(xiàn)圈周?chē)男孤┩康拇笮?。通過(guò)使用錐形的核心和極帽,它們的影響被最小化;典型的實(shí)驗室磁體如圖4所示。由于軟鐵在2.16韋伯每平方公尺飽和,空氣間隙中的磁通密度一般限制在鐵質(zhì)磁體的2.1韋伯每平方公尺范圍內。

    當設計用于起重或承載時(shí),電磁鐵可能需要有一個(gè)單獨的暴露極面,以便承載負載,因此電磁鐵將具有條形磁鐵的形狀。然后設計由退磁場(chǎng)主導。經(jīng)過(guò)適當設計的磁鐵可以舉起自身重量的許多倍,在煉鋼廠(chǎng)和廢品處理場(chǎng)普遍使用。

    主應用程序

    電磁鐵有各種各樣的用途。下面總結幾個(gè)主要應用領(lǐng)域(通信、研究、電氣工業(yè)和磁記錄)中一些重要器件的工作原理。

    現代電話(huà)系統基于簧片繼電器,以及用于復雜布線(xiàn)的固態(tài)電路。電話(huà)接收器基本上是一個(gè)帶有u形線(xiàn)圈的電磁鐵,u的每條腿上都繞著(zhù)線(xiàn)圈。電信號通過(guò)線(xiàn)圈時(shí),會(huì )引起離u兩端有一小段距離的軟鐵振膜的磁力吸引。振膜的偏轉量與線(xiàn)圈中電流的大小成比例,并在來(lái)回移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生聲波。磁性材料的改進(jìn)增加了電話(huà)接收器的靈敏度,但基本設計仍未改變。

    揚聲器的功能與電話(huà)聽(tīng)筒的耳機相同,但需要排開(kāi)更大體積的空氣。膜片包括一個(gè)大面積的柔性錐,在其頂端的一個(gè)小環(huán)上攜帶一圈細金屬絲。這個(gè)環(huán)位于一個(gè)強大的圓柱狀永久磁鐵的兩極之間。音頻電流通過(guò)線(xiàn)圈導致隔膜偏轉,如在耳機中。由于永磁體材料的改進(jìn),現代揚聲器比以前的揚聲器更加靈敏和高效。間隙內的通量密度越大,繁殖的敏感性和保真度就越高;現代揚聲器使用的磁通密度高達每平方公尺一韋伯。通常使用合金磁體。

    磁場(chǎng)提供了一個(gè)強有力的研究工具,沒(méi)有它,現代物理學(xué)很難發(fā)展到現在的程度。應用的一個(gè)主要領(lǐng)域是磁場(chǎng)和帶電亞原子粒子的相互作用。一個(gè)移動(dòng)的帶電荷的粒子,如電子,可以看作是一種電流,并且像帶電流的導線(xiàn)一樣,在磁場(chǎng)中受到一種力。力的方向垂直于粒子的運動(dòng)方向,也垂直于磁場(chǎng),因此粒子偏離了原來(lái)的路徑。這一原理可以用來(lái)將電子流聚焦成一束窄電子束,并通過(guò)創(chuàng )造合適的磁場(chǎng)來(lái)偏轉電子束,磁場(chǎng)可以來(lái)自永磁體,也可以來(lái)自電磁鐵。每個(gè)電視接收器都包含這樣的聚焦和偏轉系統,用電子束掃描電視管的表面。

    在科學(xué)應用中,同樣的原理也用于電子顯微鏡,在電子顯微鏡中,電子束通過(guò)一系列磁性“透鏡”,就像在傳統顯微鏡中光通過(guò)玻璃透鏡一樣。

    如上所述,回旋加速器利用磁場(chǎng)使帶電粒子執行圓形路徑。在每一次繞圓周運動(dòng)時(shí),它們都被加速,最終獲得巨大的動(dòng)能(運動(dòng)能量)?;匦铀倨饕恢笔呛搜芯亢头派湫酝凰厣a(chǎn)的重要工具。

    同樣的原理也可用于質(zhì)譜儀的材料分析。在磁場(chǎng)中移動(dòng)的帶電粒子的實(shí)際偏轉是由它的電荷、質(zhì)量和速度決定的。在質(zhì)譜儀中,被研究的物質(zhì)是以被固定電場(chǎng)加速的電離粒子氣體的形式存在的。在通過(guò)磁場(chǎng)時(shí),粒子的偏轉量是由它們的質(zhì)量決定的,前提是它們都攜帶相同的電荷。通過(guò)記錄粒子到達固定目標的位置,可以推導出粒子的質(zhì)量。

    電力工業(yè)是以磁場(chǎng)的產(chǎn)生和利用為基礎的。所述電動(dòng)馬達基于在載流導體上產(chǎn)生的力;這種發(fā)電機是基于在磁場(chǎng)中運動(dòng)的導體產(chǎn)生感應電流的反向效應。一般來(lái)說(shuō),在電機和發(fā)電機的磁路中需要高通量密度,這一要求導致使用軟鐵或硅鐵電磁鐵作為它們中的磁場(chǎng)源。然而,隨著(zhù)現代永磁體材料的出現,由永磁體提供領(lǐng)域的小型直流電動(dòng)機正在尋找廣泛的應用,特別是在玩具行業(yè)(見(jiàn)magnet)。

    磁記錄的原理是通過(guò)要記錄的信號使材料產(chǎn)生永久磁化。感應的磁化強度必須與信號的振幅成正比,并且當信號去除時(shí)必須保持在材料中。因此,磁性材料需要具有高磁導率,以便它在小磁場(chǎng)中容易磁化;高剩余磁化強度,使所存儲的信息可輕松“讀取”;而且強制力度不能太高(但也不能太低),這樣存儲的信息可以毫不費力地被刪除。

    最常見(jiàn)的磁記錄器使用磁帶。它以恒定的速度靠近一個(gè)記錄磁頭,該磁頭可能由一個(gè)u形磁軛組成,每個(gè)臂上繞有線(xiàn)圈。由于線(xiàn)圈中的電流根據要記錄的音頻信號而變化,因此在磁帶中感應到不同的磁化強度。為了回放記錄的信息,磁帶通過(guò)線(xiàn)圈或靠近線(xiàn)圈,這樣磁帶的磁通量就會(huì )切斷線(xiàn)圈的電線(xiàn),并在線(xiàn)圈中感應出音頻電流。通過(guò)帶高頻信號的記錄磁頭,磁帶可以被擦除,這種高頻信號具有使磁帶消磁的效果。

    計算機信息對于磁存儲來(lái)說(shuō)是一種特別簡(jiǎn)單的形式,因為它由一系列具有標準振幅的電脈沖組成。這種磁帶的材料要求不像錄音那樣嚴格,重要的特點(diǎn)是磁帶不能自發(fā)消磁。許多計算機已經(jīng)用在記錄磁頭下旋轉的合金磁碟代替了磁帶存儲。信息可以以比在磁帶中更高的密度存儲(單位面積的比特數),并且通過(guò)在磁盤(pán)上沿徑向遍歷讀取頭,可以使存取信息的速度更快。

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