电磁铁与永磁体在电磁锁应用实例中的对比分析

李连鹏?曹荣告

摘要：由于磁锁通过磁铁磁力来吸引金属件以实现被锁件与锁紧件的扣合与开启。但是电磁铁与永磁体在磁锁的应用中所起的作用有所不同，本文对电磁铁与永磁体在电磁锁应用进行了实例对比分析。

关键词：电磁铁；永磁体；电磁锁

一、背景介绍

在装备制造业行业中，磁铁以其独特的特性被广泛应用在自锁机构中。其中磁锁是通过磁铁磁力来吸引金属件以实现被锁件与锁紧件的扣合与开启。本实例在实验阶段采用永磁体来实现此功能，考虑到永磁体易被抄袭和模仿，现试验使用电磁铁来代替永磁体实现此功能。

永磁体性能参数如下：

1.永磁体外形尺寸：φ14mm×15mm

2.永磁体理论吸力：3.14×0.7cm×0.7cm×100N/cm2 =153N （实际吸力与被吸物体的材质、外形、距离等因素有关）

3.本实例中，永磁体与被吸物之间的距离为7.5mm。

经实验，该规格永磁体在上述条件下使用时吸力稳定可靠，可以满足使用需求。

二、电磁铁与永磁体方案对比分析

①电磁铁方案保密性强，不易被模仿和抄袭，更不易被仿造；

②电磁铁必须使用电源才能生效，因此，一旦脱离电源，不能够打开锁紧机构，电磁铁方案使用地点相对固定；

③電磁铁方案，通电与否决定了锁紧机构磁性有无，锁紧机构简单易操作；

④电磁铁磁力空白区域较大，而单个永磁体体积较小，两个磁体之间磁力空白区域小。

⑤永磁体价格相对于电磁铁较低。

⑥永磁体磁力一直存在。电磁铁通电后产生磁力，断电后磁力消失。若使用黑色密封材料将永磁体包裹在保持架内，则永磁体使用起来较为方便。

⑦频繁通断电，容易烧坏电磁铁，同时也导致电磁铁寿命下降。

三、电磁铁方案分析

（一）电磁铁相关概念

①定义：电磁铁是通电产生电磁的一种装置，通常在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，叫做电磁铁。我们通常把它制成条形或蹄形，以使铁芯更加容易磁化，另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的软铁或硅钢材料来制作，这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁性就随之消失；

②电磁铁磁力计算公式：F=A*（I*W）2，F为吸力（单位为牛顿），I为线圈电流（单位为安培），W为线圈匝数（无单位），A为与线圈横截面积、铁芯材质、气隙等结构相关的参数。

（二）电磁铁种类

①交流电磁铁：一般大型吸盘式电磁铁采用交流电控制，使用220V交流电压。交流电磁铁启动力较大，但可靠性较差，噪音大，寿命较短。

②直流电磁铁：使用24V或者12V直流电压，体积小，工作可靠，使用寿命较长。

经对比分析后，本实例中采用直流电磁铁。

（三）选型

某公司提供的目前市场上使用较普遍的电磁铁型号：PS25、PS34、PS40、PS49

（四）实验

根据需要，我们选择以下电磁铁产品作为本次性能对比试验用电磁铁，具体型号为：PS25、PS34、PS40、PS49各两个来进行实际检验，经过测试发现所有被测试的电磁铁替代永磁体吸引金属件均不能达到使用需求。试验发现，所选电磁铁吸力在间隔距离≥1mm后衰减严重；

（五）实验分析

增加电磁铁对金属件吸引力的几种方式：

经过研究发现，以下几方面因素影响电磁铁对金属件的吸引力：

①被吸物体材质。纯铁的吸引力最佳。试验机构采用金属件为Q235材质，含有少量的碳及硫、磷等杂质，会一定程度的影响吸力，纯铁质地较软，不适宜本试验机构使用。

②被吸物体表面平整度。表面越平整，吸引力越大。试验机构金属件被吸表面光滑平整。

③被吸物体的吸合面面积大小。若吸合面大于电磁吸盘，效果最佳。试验机构金属件被吸表面外形尺寸为10mm×30mm，最小的标准电磁吸盘直径为25mm。因此，可以通过加大金属件表面积来增加吸引力。

④被吸物体与电磁吸盘之间距离。电磁铁使用时应与被吸引物体完全贴合，即使有间距，距离不应大于1mm。试验机构金属件与电磁吸盘之间的距离为7.5mm（其中接触面壁厚厚度为4mm，弹簧高度为3.5mm）。距离加大后，吸力成几何级数衰减。若试验机构壁厚厚度尺寸变小需调整整个机构体积，操作起来流程较复杂，需整体更改机构外形尺寸，实施难度较大。弹簧高度亦无相对调整空间，且弹簧若变小后影响结构整体稳定性。

⑤被吸物体厚度。厚度在10mm以上最佳。

⑥提高回路电流。标准电磁铁一般选用的电压为24V和12V，本次实例实验选用的为24V电压电磁铁。线圈的电流与电压U和线圈电阻R相关，U=I*R，过高的电压会产生较大电流，而较大电流会导致线圈过热并易被烧毁，同时当电流上升到一定数值会产生磁饱和，吸力不会再增加。

⑦增加匝数。提高线圈匝数需增加电磁铁外形尺寸，需定制非标准电磁铁，价格昂贵。且匝数增加后，电磁铁磁感应强度仅仅在较小距离内加强，1mm以外并无明显增加。对于本实例应用工况无明显改善。

四、永磁铁方案分析

（一）磁铁组件组成

磁铁组件由磁铁保持架和一周75个φ14×15的永磁铁（钕铁硼材质）组成。磁铁与保持架之间用胶粘接。磁铁上部采用黑色密封材料密封，达到保密效果。

（二）成本分析

永磁体使用数量75个，单价18元。在经济适用性方面，永磁体价格较低廉。

五、结语

综上所述，电磁铁由于存在电磁衰减现象，因此不适用于该机械自锁机构，同时，由于该机械自锁机构需要经常打开与扣合，因此，电磁铁在设备稳定性方面也不及永磁铁。

参考文献：

[1]王兆义.电工电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]曾令全.电磁铁吸力特性的改善[J].东北电力学院学报，2012.