
题主这个问题比较普遍,但又相对较专业,估计阅读点击率应当很低。想到许多位电气工作者当面或者电话向我咨询类似问题,我就来回答吧。
该问题的理论探讨,与电磁学有关,与电器学关系更密切。由于内容繁多,我就不深入解读了。我只举一个交流电磁铁的例子,供题主仔细研读。
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我们看下图:
注意:图1中的模式叫做直动式拍合电磁铁。
由图1的上图我们看到,当继电器线圈刚刚得电时,系统的磁路瞬间建立,这种状态叫做吸合的初始阶段。注意:衔铁和铁芯之间的空隙叫做气隙。
在初始阶段,线圈产生的电磁吸力F作用在衔铁上,衔铁克服反力弹簧的反力向下运动。等到衔铁与铁芯接合后,气隙消失,此时继电器处于吸合状态,见图1的下图。
1)磁路的基尔霍夫第一定律
在磁路的任意节点处,流入节点的磁通与流出节点的磁通相等。即:
,式1
式1中,Φ是磁路中的磁通。
2)磁路的基尔霍夫第二定律
沿着磁路的任意闭合回路,磁压降的代数和,等于与该回路磁通相交链的线圈磁通势的代数和。即:
,式2
式2中,I是线圈中的电流,N是线圈的匝数,H是磁路的磁场强度,L是磁路的长度。
对于有气隙的磁路,也即大多数电磁铁的应用情况,磁路的基尔霍夫第二定律为:
,式3
式3中,IN叫做磁通势,简称磁势; 是气隙的磁通; 是气隙磁导;Φ是磁路中的磁通;Rm是磁路的磁阻。
我们看到,磁势等于气隙磁压降与磁路磁压降之和。
对比电路的基尔霍夫第二定律, 。这里的E是电源电动势,I是电流,r是电源内阻,R是外电路电阻。两者是不是很象?!
3)麦克斯韦电磁吸力公式
,式4
式4中,F是电磁吸力;μ0是真空磁导率,S是磁极面积,B是磁感应强度。
这四个公式是解开题主问题的四把钥匙。
题主的问题是:“当工作电压一定时,增加线圈圈数数量会增加电阻值,那么电流会成比例减少(甚至因为直径越来越大导致电流减少得更多)。那么当线径和电压固定的时候,功率允许范围内,改变线圈数量并不会对吸力有影响。而增加线圈圈数数量会降低功率。并因为电感增加影响响应时间。”。
我来逐条分析一下。
1)当工作电压一定时,增加线圈圈数数量会增加电阻值,那么电流会成比例减少(甚至因为直径越来越大导致电流减少得更多)。
这条不对。
线圈圈数增加,线圈直流电阻会增加,使得稳态的电流会减少。然而,如果电流是交流电流,我们还必须考虑线圈电感的感抗,它也会影响到稳态的电流。
2)当线径和电压固定的时候,功率允许范围内,改变线圈数量并不会对吸力有影响。而增加线圈圈数数量会降低功率。并因为电感增加影响响应时间。”。
这条也不对。
圈数改变后,磁势IN就改变了,它当然会改变线圈产生的磁通。我们由式4(麦克斯韦电磁吸力)看到,它一定会改变电磁吸力。
需要提醒的是:
直流电流I与线圈圈数N的乘积叫做磁势,直流电磁铁在吸合与保持过程中,磁势基本上是恒定的,所以直流电磁系统叫做恒磁势系统;
交流磁通Φ与线圈圈数N的乘积叫做磁链,交流电磁铁在吸合与保持过程中,磁链基本上是恒定的,所以交流电磁系统叫做恒磁链系统。
所以,直流继电器在吸合过程中,电流变化不大,而交流继电器则电流变化很大。不过,直流继电器在释放过程中,它的线圈电感会产生过电压,最大可达电源电压的三倍,但交流继电器在过电压方面就要好很多。
可见,有利必有弊,这句话是不会错的。
通过一个范例,我们看看交流电磁铁的线圈圈数与电流有何关系。
已知拍合式直动式交流并联电磁铁的线圈电压为220V,匝数为4000匝,线圈通电后的热态电阻为350Ω,工作气隙磁导 ,铁芯长度 ,铁芯单位长度的漏磁导 ,交流电的频率为50赫兹,求线圈电流I及工作气隙磁通最大值 。
我们来求解:
(1)求漏磁导
所谓漏磁导,指的是磁通沿着线圈的两侧漏掉损失,计算漏磁通必须通过漏磁导来计算。漏磁导等于当继电器尚未闭合时,一定要计算漏磁通。漏磁导的计算式如下:
(2)求线圈感抗
请题主注意看,对于交流电磁线圈来说,它的感抗(682Ω)大于它的热态电阻(350Ω)。
(3)求线圈电流I
请题主注意线圈电流I的计算方法,并理解线圈电流并不仅与线圈电阻有关,还与线圈感抗有关。
(4)求磁链 和气隙磁通 的最大值
首先计算线圈的反向电动势E:
求磁链:
求气隙磁通:
先求漏磁系数:
再求气隙磁通:
把磁通最大值除以 ,就得到了磁通 ,以及气隙磁通 。
1)说明线圈电流与线圈圈数N有关系,但线圈电阻并不是主要因素,而是线圈感抗起到主要作用。
2)当改变圈数N后,气隙磁通 会改变,继而 也会改变。我们再由麦克斯韦电磁吸力公式可知,电磁吸力 当然会受到影响。因此,题主的结论“改变线圈数量并不会对吸力有影响”是错的。
