毕业设计（论文）-汽车电磁制动器优化设计.doc

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1、江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）汽车电磁制动器优化设计序 言随着社会生产力水平的提高，科学技术的不断发展，汽车的制造工艺也在不断的提升。人们在满足了日常出行便利的情况下，对汽车的安全性能越来越注重。能源危机作为当前社会的主要矛盾之一却不能阻止人们对速度的追求，因此车辆制动系统性能的好坏直接关系到人们的生命安全和财产安全。一直以来国内外汽车生产企业和科研部门都非常重视汽车新型制动系统的研发。伴随着第一辆汽车的诞生，汽车制动器的研究就已经开始，从一开始的简单的机械装置制动到气压制动、液压助力制动和如今的电子控制液压制动器先后出现在汽车上面。电磁制动器是一种新型制动器，国外己用到拖车尤其是房车

2、的制动上，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。和传统的气压式、液压式制动器相比，电磁制动器有其突出的优点，正受到越来越多的重视。首先用电缆代替管路，提高了制动器的灵敏度，冗余电路的加入也很方便，可靠性高，安装方便，尤其是主、挂车的制动系统连接更简单可靠，并永远避免了泄漏和气阻现象；其次，控制器设计方便，易于实现ABS，因此代表了制动器的发展趋势，为汽车线控操纵实现车辆自动化、智能化提供了必备部件。本说明书共分为4章，第一章课题分析与方案论证；第二章对制动系统进行历史的回顾和未来的展望；第三章对制动器的增力机构进行分析和设计；第四章对制动器的核心部件电磁铁进行分析设计。其中重点是机械增力机构和电

3、磁铁的设计。设计的最终成果是能满足轿车常规制动的性能要求。第1章 课题分析与方案论证1.1 课题任务分析 本课题的主要任务是对汽车电磁制动器进行优化设计，完成电磁制动器的书面设计使之能满足轿车常规制动的性能要求。 首先需要了解的是汽车电磁制动器的使用性能和设计要求。如今马路上的汽车越来越多，速度也越来越快，如何能在各种突发情况下对汽车进行有效的制动一直是人们关注的话题，因此本次设计的电磁制动器必须满足这一基本要求，只有立足在这一点上才能有目的地去完成这个课题。在明确了课题的目标之后，就需要熟悉汽车电磁制动器的设计方法和流程。正所谓没有规矩不成方圆，每个课题从开始到结束都有一定的步骤需要去完成，

4、只有掌握了汽车电磁制动器的设计方法和流程，才能明确每一步需要做什么、怎么做、要达到什么要求，这都是需要明确列出的。 电磁制动器在满足轿车常规制动性能要求的前提下，还必须考虑到如何充分利用汽车的有限空间。因此需要对制动器增力机构进行有效的设计计算，使其能以最小的空间占有率达到最大有效增力的效果。考虑到连杆机构具有设计简单，制造费用便宜，铰链的磨损较轻且轻微的制造误差对输出动态响应的影响很小等有点，本次设计初步决定采用连杆增力机构。 电磁制动器的核心部件是电磁铁。一般电磁铁有交流和直流两种供电方式。考虑到汽车上的用电器以直流供电为主，而且直流电磁具有节能、寿命长，生产工艺简单，具有交流电磁所不具备

5、的低噪音等特点，因而选用直流电磁铁作为设计对象。 在完成电磁制动器的理论设计后，还要用绘图软件绘制电磁制动器的模型，这样才能对设计出的电磁制动器的理论分析和计算做出直观的检验和完善。1.2 方案论证电制动以其潜在的优势引起业内的广泛关注。针对目前对电制动系统研究的加强趋势，并综合研究了电制动领域的相关知识，提出一种思路和实施方案。（1） 项目实施的理论基础。随着科学技术的发展，电磁铁作为一种动作元件得到越来越广泛的应用。电磁铁是一种成熟的将电磁能量转换为机械能量的能量转换装置。对电磁铁的研究前人已经积累了丰富的经验，这可以作为研究的理论基础。（2） 研究目标在现有技术条件下的可实现性。从制动器

6、发展历史上看，在1989年，克里夫兰的埃安斯佩里设计的一辆电动汽车就采用前轮电磁盘式制动器2。斯佩里用圆盘分别与各个车轮的轮毂连成一体，另有一个镶有摩擦片的小圆盘。制动时，通过电磁铁的作用，使他紧贴着转动盘，就能阻止车轮的转动，当电流中断后，弹簧又把摩擦盘缩回，车轮又可以自由转动。由此可见，用电磁铁做制动器的执行部分前人也曾做过，而且早于当前占统治地位的液压制动器。此外，电磁抱闸制动器在电梯和起重机绞盘用的电磁盘式制动中已得到成熟应用3。综上所述，以电磁铁作为制动器动作机构在技术上可行。汽车电磁制动器利用直流电磁铁代替气缸、油缸作为制动动力源，通过一定的机械增力机构来加以放大，用以推动摩擦衬块

7、。采用多种工具软件辅助设计，并做出一个较为合理的电制动器结构设计，使之能满足制动要求。遵循这一设计方案，要研究的内容主要包括三部分：（1） 制动器机械结构设计研究，包括机构整体构造，关键零件的设计。（2） 电磁铁组件的设计和理论分析，根据所需的制动力矩确定出电磁铁的相关参数（如线圈的匝数、线圈的励磁电流、铁心的尺寸等）（3） 制动性能分析与研究，对设计好的制动器研究器制动时间响应，制动能力，噪音，发热与散热等问题。1.3 设计步骤汽车电磁制动器的研究设计在国外早已经有所成果，在国内还处于探索状态。本次设计提出的总体方案（如图1.1所示），为利用直流电磁铁代替气缸、油缸作为制动动力源，通过一定的

8、机械增力机构来加以放大，用以推动摩擦衬块。采用工具软件辅助设计，并做出一个较为合理的电制动器结构，使之能满足制动要求。遵循这一设计方案，要研究的内容主要包括两部分：（1） 制动器机械结构设计研究，包括机构整体构造，关键零件的设计。（2） 电磁铁组件的设计和理论分析，根据所需的制动力矩确定出电磁铁的相关参数（如线圈的匝数、线圈的励磁电流、铁心的尺寸等）直流电磁铁控制总成电源制动卡钳机械增力机构图1.1 设计总体方案框图第2章 制动系统的历史2.1 制动系统的历史车辆制动系统在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性日渐突出。最原始的制动控制只是驾驶员

9、操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，那时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动就能满足车辆制动的需要，但随着汽车自身质量的增加，助力装置对机械制动器来说显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动（如图2.1所示），是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器，但到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。1.前轮制动器 2.制动轮缸 3、6、8 油管 4.制动踏板机构5.制动主缸 7.后轮制动器图2.1 液压助力制动器示意图在液压鼓式制动器出现的

10、若干年之后，人们又发明了液压钳盘式制动器，盘式制动器又称为蝶式制动器（如图2.2所示），顾名思义，是取其形状而得名。由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵。制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。 (a) (b)图2.2 盘式制动器随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱死制动系统（ABS）的使用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。他的安装大大提高汽车的主动安全性和操纵性。防抱死装置一般包括三部分：传感器、控制器（电子计算机）与压力

11、调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，ABS已成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。1992年ABS的世界年产量已超过1000万辆份，世界汽车ABS的装有率已超过20%。一些国家和地区（如欧洲、日本、美国等）已制订法规，使ABS成为汽车的标准配置。2.2 制动系统的现状与发展目前液压操纵仍然是最可靠、经济的方法，即使增加了防抱死制动系统功能后，传统的油液制动系统仍然占有优势地位。传统的制动控制系统只

12、是均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后制动力平衡。而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要对油液压力进行调节。传统的液压制动系统发展至今，已是非常成熟的技术。随着人们对制动性能要求的不断提高，防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定性控制程序（ESP）、主动避撞技术（ACC）等功能逐渐融入到制动系统中，越来越多的附加机构安装于制动线路上，这使得制动系统结构更加复杂，也增加了液压回路泄漏的隐患以及装配、维修的难度。因此结构更简捷，功能更可靠的制动系统呼之欲出。随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路

13、的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。线控制动（BBW）是未来制动控制系统的发展方向，它不同于传统的制动系统。因为其传递的是电，而不是液压油或是压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。它是用电子信息直接控制装在轮缸上的电动液压执行器或电执行器。线控制动系统是一个全新的系统，给制动系统带来了巨大的变革，为将来的车辆智能控制提供条件1。随着汽车电子化的发展，现代汽车制动控制技术正朝着电制动方向发展。电制动系统首先在混合动力制动系统车上使用，采用液压制动和电制动两种制动系统。但这种混合制动系统也只是全电制动系统的过渡方案。由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。而线控制动控制因其

14、巨大的优越性，必将取代传统的以液压为主的传动制动控制系统。线控制动系统的结构如图2.3所示。其主要包含以下部分：（1） 电制动器结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种；（2） 电制动控制单元（ECU）接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。（3） 轮速传感器准确、可靠、及时地获得车轮的速度；（4） 线速给系统传递能源和电控制信号；（5） 电源为整个电制动系统提供能源，可与其他系统共用。电路制动系统具有以下优点：（1） 整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动

15、 主缸、助力装置。液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低；（2） 制动响应时间短，制动性能高；（3） 无制动液，维护简单；（4） 制动成为模块化结构，系统总成制造、装配、测试简单快捷；（5） 采用电线连接，系统耐久性能好；（6） 易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。图2.3 线控制动系统结构框图电制动是一个新生事物，要想全面推广还有不少问题需要解决：首先是驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制动。器大约需要1KW的驱动能量。目前车辆12V电力系统提供不了这么大的能量，因为，将来车辆制动系统采用高压电，加大能源提供。其次是控制系统失效处理。电制动控制系统面

16、临的一个难题是制动失效处理。因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，不论是ECU元件失效，传感器失效还是制动器本身、线束失效，都能保证制动的基本性能。第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统。相信随着技术的进步，上述的各种问题会逐步得到解决，线控制动系统也会以其巨大的优越性取代以液压为主的传统制动系统。2.3 电制动器的研究与发展电制动器并不是一个新鲜的事物，它在其他领域如起重机绞盘制动、电梯制动等方面有广泛的应用。关于车辆“Brake By Ware”技术目前已经有多种实现方式，本文仅列举两种最

17、具代表性的类型。2.3.1 EMB技术EMB（电子机械式制动器）是飞机上使用的一种制动器，后来才开始在汽车上应用。飞机的全电刹车系统的基本工作原理与液压刹车系统类似，但是有自身独特的特点，运作流程为：机轮速度信号和刹车力矩信号经速度传感器和力矩传感器送入刹车控制盒，产生相应的控制信号输入到机电动作控制器，再由机电动作控制器产生相应的控制信号控制电动机构，输出刹车压力到刹车盘，产生相应的刹车力矩。全电刹车系统形成了以机轮速度和刹车力矩双层负反馈的闭环控制系统。其原理框图如图2.4所示。EMB与传统的制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构都需要重新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳地转化

18、为制动蹄块的平动，需要能够减速增矩，能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等。由于体积的限制，其结构也必须巧妙而紧凑，减小电控制系统体积是整个EMB系统设计中非常重要的内容。同时，其控制部分要求能精确控制电动机的转速和角度从而防止制动抱死。图2.4 EMB原理框图2.3.2 电磁鼓式制动器利用电磁铁的制动器目前也正处于积极的研制状态，现在已经有电磁鼓式制动器设计申请国家专利，其结构如图2.5所示。该电磁制动系统是指使用电子装置的电磁制动机构，通过控制电流等相关参数来改变制动力。由于代替了传统的液压制动机构，电磁制动系统不在使用液压油，从而减少了液压油燃烧和泄漏的危险，提高了安全性，也减轻了车

19、辆自身的重量。电制动系统中采用了转速反馈控制系统，显著改善了制动力矩和防滑性能，缩短了制动距离，提高了轮胎和制动装置的使用寿命。而且，电磁制动系统的制动效率优于液压系统。电磁制动系统将是机动车制动系统发展的新方向。图2.5 电磁鼓式制动器第3章 电磁制动器增力机构的设计3.1制动系统的分析3.1.1已知参数本次设计以桑塔纳2000作为设计对象，参数如表3.1所示。表3.1桑塔纳2000的相关设计数据4参数数值参数数值参数数值轮胎规格165/70R14铝圈负荷下静半径（Rs）273mm整车质量（M）1100kg滚动半径（Rr）286mm制动初速度（V）100km/h外直径（D）569mm制动距离

20、（S）53.2m3.1.2制动力矩的计算车轮滚动周长：L=2Rr （3.1）在制动距离内车轮转过的圈数：N=S/L (3.2)转过的总角度为： (3.3)车子的总动能为： （3.4）制动力分配系数： （3.5）式中： -前轴车轮制动器制动力 -后轴车轮制动器制动力 -汽车总制动器制动力通常，轿车的值取0.5650.6155，本文取0.6。每个前轮要分担的动能为： （3.6）每个后轮要分担的动能为： （3.7）每个前轮所需总制动力矩为： （3.8）每个后轮所需总制动力矩为： （3.9）相应每侧摩擦衬块应提供的制动力矩为： （3.10）后轮制动器制动负荷较小，相应每侧摩擦衬块应提供的制动力矩为：

21、（3.11）本文以制动负荷较大的前制动器为例进行设计。3.1.3制动盘直径的确定制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70%79%。轮辋的尺寸为14inch(1mm=0.03937inch),直径为355.6mm，则根据汽车标准汇编6取制动盘直径为： (3.12)制动盘直径越大则所需制动力越小，有利于减小电磁铁的尺寸，故尽量取较大盘径，在这里我取300mm。3.1.4摩擦块参数的确定 根据参考文献7，取摩擦衬块的外半径R2=150mm，由其外内半径之比为，则内半径为。而衬块的圆心角取值范围，取40o。3.1.5 摩擦块上压紧力的计算单侧每个摩擦块施加于制动盘上的制动力矩为： （3.13） 由参考文献

22、4，f=0.30.35,取最大值0.35。由上式可得： （3.14）扇形的摩擦衬块面积为：则压力为=3806N取安全系数为1.1，则需要的制动压力38061.1=4187 N。将已知数据代入式（1.11.14）计算，所得数据见表3.2所示。3.1.6 摩擦块与制动盘的间隙根据参考文献7取摩擦衬块与制动盘之间的间隙为0.050.15mm，考虑到以后摩擦衬块的磨损，系统间隙，再加上摩擦衬块的压缩变形，为使电磁铁衔铁的行程有一定的余地，设计中取0.25mm，则两片摩擦块总行程为0.5mm。表3.2 计算结果参数数值参数数值周长L（mm）1797每个后轮分担动能（J）84860圈数N30前轮所需制动力

23、矩（N.m）676转过的角度（rad）189后轮所需制动力矩（N.m）450总动能E（J）424451前摩擦衬块需提供制动力矩（Nm）338分配系数0.6制动盘径（mm）300每个前轮分担动能（J）127335制动压力P（N）41873.2 机械增力机构的设计对依靠电磁力制动的制动器而言，最简单的做法就是用电磁铁去直接推动摩擦衬块，从而达到制动的目的，但是这就需要很大的电磁力来推动摩擦衬块。电磁铁产生的电磁力大小与其尺寸成正比，这样设计会使设计出的电磁铁尺寸过大，从而导致不能安装使用，而且增加耗材，电磁铁自身质量过大，导线耗电功率增大。所以，为尽量减小其尺寸要采取使用增力传动机构的措施。作为常

24、见的直线传动机构，连杆机构是由刚性连杆或杆件通过刚性运动副相互连接而成的机械传动装置。连杆机构能实现要求的有限输入、输出运动，轻微的制造误差对输出动态响应的影响很小，制造费用便宜，铰链的磨损较轻。3.2.1 连杆增力机构设计本次设计使用的是一种连杆增力机构891011，如图3.1所示。它的主体部分是一个曲柄滑块机构，曲柄的的一端与机架铰接，另一端连接连杆。F1为施加的源动力，作用在曲柄和连杆的铰接点上；F2为增力机构的输出力。图3.1 连杆增力机构简图3.2.2 机构自由度分析任一作平面运动的构件具有三个自由度，当与另一构件组成运动副后，他们之间的相对运动就受到了约束，相应地自由度也随之减少。

25、在平面运动链中，每个低副将引入两个约束而减少两个自由度；每个高副则引入一个约束而失去一个自由度。若机构中的构件数目为N(包括机架)，低副数目为PL,高副数目为Pb，则机构的自由度为：F=3(N-1)-2PL-Pb (3.15)如图3.2，在该方案中，构件数N=6,全部为低副，则PL=7,Pb=0,则F=3(N-1)-2PL=3(6-1)-27=1 (3.17)说明此时该机构的运动规律唯一，即该方案可行，设计正确合理。图3.2 连杆机构简图3.2.3 受力分析计算图3.3 受力分析图3.3是增力机构受力分析图，其中F1 - 电磁铁电磁力F2 - 连杆2的支反力，由于两铰杆等臂对称，F2=F3F3

26、 - 连杆3的支反力F2- 二力杆上F2的平衡力 - 连杆1和连杆2分别与水平方向的最小夹角对三杆铰接点处进行受力分析，作用在此点的力有三个：F1,F2,F3。 此点的力平衡方程为：X方向： （3.18）Y方向： （3.19）由方程（1.19）及F2=F3得 （3.20），的分力是顶杆对侧壁的作用力，分力是顶杆对摩擦衬块的推力。 （3.21）3.2.4 滑柱力学模型的简化与计算 滑柱力学模型的建立应当考虑滑柱与其导向孔之间的配合状态。二者之间的配合间隙较小时，滑柱所受到的由其导向孔施加的载荷，可抽象为线性分布载荷；当滑柱与其导向孔之间的配合间隙较大时，滑柱所受的载荷可抽象为其导向孔两端孔缘处承

27、受集中载荷。如图3.4所示：图3.4 曲柄滑块机构 根据图3.4，由静力平衡方程及力偶矩平衡方程得： （3.22） （3.23）解以上二式得： （3.24） （3.25）滑柱与其导向孔之间的摩擦力为： （3.26）式中：-滑柱上的摩擦系数，为滑柱上的摩擦角。相应的增力系数 （3.27）为简化计算，可取 （3.28）的关系如图3.5所示。图3.5 关系曲线 由图3.5可见，在一定程度上增力比与角度成线性关系。3.2.5 增力机构主要构件尺寸的确定 由前面的计算可知，增力比在小范围内与角度成线性关系。为了既获得较大的增力比，又使滑块达到要求的最大位移，取，则i=2.84.经试算和核算确定构件与尺寸

28、。采用作图法，可获得两个运动端的位移情况，如图3.6所示。图3.6中，铰杆长度为35mm，夹角从减小到0相应衔铁的行程空间为6.07mm，滑块最大行程为1.06mm。为了消除衔铁在制动末与磁轭的撞击，应使铰杆工作在极限位置之前。即当滑块达到工作位移0.5mm时，衔铁距铁芯的距离为6.07-1.64=4.43（mm），取4.5mm，可以保证衔铁最终不会与磁轭接触。图3.6 初始与制动末位移角度关系 则分别按初始和制动末的增力比，所需电磁力如表3.3所示。表3.3 增力比与电磁力增力比所需电磁力（N）电磁铁电磁力（N）制动初始2.8414741480制动末4.071028 增力机构主要构件尺寸如表

29、3.4所示。表3.4 增力机构主要尺寸厚度（mm）两端内孔径(mm)外圆半径(mm)两圆孔的中心距(mm)长臂连杆681835短臂连杆681825第4章 电磁铁设计 由于没有系统的学习过电磁铁方面的知识，对电磁铁的磁场没有一套完整的数学模型进行准确的计算，因此要凭借一些经验数据和实际资料1213 141521。其一般步骤是由吸引力F、行程、额定电压、吸引力特性曲线等参数来确定电磁铁的几何尺寸与匝数。 本位在参考了众多关于电磁器件的设计计算资料以后进行了汇总，并提出一套自己的设计计算方法。本次设计的直流场的计算内容包括：（1）激励场源-直流通电线圈，（2）直流分析的结果：磁场分布；场量B，H；电

30、磁力（作用在电磁材料如钢和铁的表面）4.1 电磁铁设计概论电磁铁有交流和直流两种供电方式。目前广泛开发的主要是直流电磁铁。其原因是直流电磁铁节能、寿命长，生产工艺简单，而且具有交流电磁铁所不具备的低噪声特点。根据配用机械的不同，直流电磁铁可分为长行程和短行程两种。在实际使用中，长行程多采用螺管式结构，短行程则采用盘式结构1617。盘式结构直流电磁铁的特点是铁芯特别大，可以在非常短的行程内获得极大的电磁吸力。盘式结构应用很广泛，例如电磁吊、电磁离合器、电磁制动器等无论是研究直流电磁铁中的场强和磁路，还是研究交流电磁铁中的磁场和磁路，不管是研究它们的稳态过程还是研究他们的瞬态过程，都要经常用到三个

31、电磁场基本定律和两个磁路计算基本关系式。麦克斯韦在电场、磁场基本定律的基础上，通过抽象和概括，建立经典电磁场理论。这个理论可以用以下四个积分方程18来表示： （4.1） （4.2） （4.3） （4.4）以上各式中： - 电磁场强度 - 电位移向量， - 介电常数 q - 自由电荷 - 磁场强度 - 磁感应强度， - 磁导率 - 传导电流 - 磁通量的最大值 - 电通量式（4.1）是关于电场性质的公式，表明在任何电场中，通过任意封闭曲面的电通量等于该封闭曲面内的自由电荷的代数和。式（4.2）是关于磁场和电场之间的联系的公式，其意义是在任何电场中，电场强度沿任意封闭曲线的线积分，等于通过该封闭曲

32、线所包围面积的磁通量随时间的变化率的负值。式（4.3）是关于磁场性质的公式，它说明在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量等于零。式（4.4）是关于变化电场与磁场之间联系的公式，它表示在任何磁场中，磁场强度沿任意闭合曲线的线积分，就等于通过该闭合曲线所包围面积内的全部电流。在研究电磁铁的磁场和磁路时要用到的基本定律和基本关系形式，都是上述麦克斯韦方程的特例。电磁感应定律是式（4.2）的一个特例，其形式如下： （4.5）式中：e - 感应电动势 - 磁链 N - 励磁线圈匝数 - 磁通量电路中的电压有如下关系： （4.6）式中：u - 电网电压i - 励磁线圈电流 R - 线圈电阻 全电流定律是式

33、（4.4）的特例，形式为： （4.7） 作为磁路计算基本关系是磁路的基尔霍夫第一定律和磁路的基尔霍夫第二定律。磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续定律）的形式是 （4.8）它是式（4.3）的另一种形式。它表明在磁路中的任一节点处，流入该点的诸磁通之和等于流出该点的诸磁通之和。磁路的基尔霍夫第二定律的形式为： （4.9） （4.10） 公式表明在磁路的任一回路中，磁势的代数和等于该回路中各段上的磁压降的代数和。4.2 电磁铁设计步骤通常，在设计电磁铁之前，应当了解其所牵引机械的负载特性。不同的机械负载特性（反力特性）要求有不同的吸引特性去匹配，从而也要求电磁铁有不同的结构参数。本文的负载反力特性与起

34、重性质的负载反力特性相似。为了使电磁铁能够可靠地工作，吸力特性和负载特性应当有良好的配合。电磁吸力一般应大于负载反力，即吸力特性必须在负载反力特性的上方。电磁铁的设计大体上分四步：（1）选择电磁铁的结构类型 在一定的行程和电磁力下，根据使用要求选定一种结构形式的电磁铁。（2）初步计算在选定结构类型之后方可对电磁铁进行初步计算。初算是确定铁芯的主要尺 寸和线圈的主要参数。铁芯的主要尺寸有：铁芯横截面积、极帽截面积、铁芯长度、轭铁截面积、衔铁截面积和铁芯窗口面积；线圈的主要参数有：线圈高度、线圈厚度、线圈窗口面积、导线直径、线圈匝数以及线圈的励磁安匝。（3）复算初算确定的尺寸和参数未必都很恰当，可

35、能有一两项不合适。如果遇到这样的情况必须做必要的修正。（4）特性验算 经过初算和复算，虽然可以得到电磁铁的各项尺寸和参数，但是还不能说明电磁铁的设计是完善的。在初步计算中，一般是从满足打开位置上的吸力要求出发，未考虑到闭合位置上的吸力要求，也为考虑到动作时间以及返回系数方面的要求。因此，完全有必要对其特性作全面的验算。4.3 初步计算设计要求：该电磁铁为直流电磁铁，最大能产生1480N的吸力，工作电压36V 。为使电磁铁能快速响应，磁性材料应有较好的低场磁性能。为降低电磁铁中涡流的影响，应采用电阻率大的磁性材料。综合考虑，选用10号钢作为电磁铁磁性材料。在磁路计算时，作如下假设：（1）磁通在铁

36、芯上是均匀分布的；（2）漏磁通是从铁芯表面垂直漏出；（3）电磁铁行程足够短，计算气隙磁导时忽略其边缘扩散漏磁通；（4）磁路是线性的，即有如图4.1磁化曲线。图4.1 B-H 曲线4.3.1 所需的安匝数 首先利用公式18（4.11）、（4.12）进行初步估算： （4.11） （4.12）式中：I-励磁电流；W-线圈匝数；-气隙消耗安匝；-等效气隙磁感应强度；-气隙长度。取 （4.13） 对其合理选择非常重要。取得太小，则铁芯和线圈的尺寸都会过大，很不经济；反之，若取得过大，则铁芯将趋于饱和，致使磁压降和所需磁势都要增大，从而增大了线圈的尺寸和线圈的能量损耗，同样不经济。通常铁芯柱的磁感应强度总

37、是取其所用磁性材料的磁化曲线切点附近的数值。在打开位置由于存在漏磁，气隙磁感应强度总是比铁芯内的磁感应强度小，所选的必须小于上述切点附近的值。在初算中，对于短行程电磁铁，值可取0.60.8T，对于短时工作制或反复工作制的电磁铁，可以取大一些，以提高材料利用率15。取=1T。电磁铁的衔铁在运动末与轭铁极面间的气隙由前计算取4.5mm,即0.45cm，则磁路中总的空气气隙为0.9cm。则=7200（A） （4.14）=1.17200=7920（A） （4.15）4.3.2 内外铁芯结构参数的计算（1） 内铁芯截面积计算 由于在磁路中，磁力线穿过铁芯时在内外铁芯处的磁通量保持不变，按照假设磁通均匀分

38、布，故磁通密度B不变，所以内外铁芯的截面积相等。设内外铁芯截面积分别为Sl,So,有Sl=S0。由前面的计算可知电磁铁的设计吸力为1480N，则由电磁力计算公式18： （4.16）得Sl=18.5（cm2）,取19（cm2）则内铁芯的截面积可由圆面积公式求得： （4.17）解得 dl=49.1mm，取49mm。（2）确定线圈截面积Sq及线圈槽宽 由于导线在绕制线圈时导线与导线有间隙，设导线截面积总和与线圈截面积之比为，称之为填充系数，一般取=0.7；设j为电流密度，一般取j=46A/mm2。由 （4.18） 得 （4.19）取线槽的高宽比为3：1，则 （4.20）得 ，取槽宽b=25mm，槽高h