电磁式控制电器的工作原理

1.1.3　电磁式控制电器的工作原理

电磁式电器在电气控制线路中使用量最大，类型也很多，各类电磁式电器在工作原理和构造上基本相同。就结构而言，大都由两个主要部分组成：感测部分——电磁机构；执行部分——触点系统。

1）电磁机构

电磁机构是电磁式电器的感测部分，它的主要作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触点动作、接通或分断电路。电磁机构由吸引线圈、铁心、衔铁等几部分组成。

（1）常用的磁路结构　常用的磁路结构如图1-1所示，可分为三种型式。

图1-1　常用的磁路结构

1—衔铁；2—铁心；3—吸引线圈

①衔铁绕棱角转动的拍合式铁心，如图1-1（a）所示。这种结构广泛应用于直流电器中。

②衔铁绕轴转动的拍合式铁心，如图1-1（b）所示。其铁心形状有E形和U形两种。此种结构多用于触点容量较大的交流电器中。

③衔铁直线运动的双E型直动式铁心，如图1-1（c）所示。这种结构多用于交流接触器、继电器中。

电磁式电器分为直流电磁式电器与交流电磁式电器两大类，都是利用电磁铁的原理制成。通常直流电磁铁的铁心是用整块钢材或工程纯铁制成，而交流电磁铁的铁心则是用硅钢片叠铆而成。

（2）吸引线圈　吸引线圈的作用是将电能转换成磁场能量。按通入线圈的电流种类不同，可分为直流线圈和交流线圈。

对于直流电磁式电器，因其铁心不发热，只有线圈发热，所以直流电磁式电器的吸引线圈做成高而薄的瘦高型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。

对于交流电磁式电器，由于其铁心存在磁滞和涡流损耗，这样线圈和铁心都发热，所以交流电磁式电器的吸引线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样有利于铁心和线圈的散热。

2）电磁系统的吸力特性与反力特性

电磁式电器是根据电磁铁的基本原理而设计，电磁吸力是影响其可靠工作的一个重要参数。对于如图1-2所示的电磁机构，电磁吸力FX∝B²S（B为气隙磁感应强度，B＝IN），可由下式表示：

图1-2　电磁机构

图1-3　电磁机构的电磁吸力特性和反力特性

1—直流电磁机构吸力特性；2—交流电磁机构吸力特性；3—反力特性

（1）直流电磁机构的电磁吸力特性　从式（1-1）可以看出，对于固定线圈通以恒定的直流电流时，其电磁力仅与气隙的平方（δ²）成反比，吸力特性为二次曲线。当外施电压为常数且线圈电阻不变时，吸合电流（I＝U/R）与气隙长度无关。吸力特性曲线如图1-3所示。

直流电磁机构在吸合时，气隙较小，吸力也就较大，因此对于依靠弹簧复位的电磁铁来说，在线圈断电时，由于剩磁产生的吸力，使复位比较困难，会造成一些保护用继电器的性能不能满足要求，如在吸力较小的直流电压型电器中，如衔铁上一般都装有一片0.1mm厚非磁性磷铜片，增加在吸合时的空气间隙。在吸力较大的直流电压型电器中，如直流接触器，铁心的端面上加有极靴，减小在闭合状态下的吸力，使衔铁复位自如。

（2）交流电磁机构的电磁吸力特性　与直流电磁机构相比，交流电磁机构的吸力特性有较大的不同。对于交流电磁机构多与电路并联使用，当外施电压U及频率f为常数时，忽略线圈电阻压降：

U≈E＝4.44fΦN　　　　　（1-2）

Φ为常数（对于固定线圈，匝数N为常数），由式（1-1）可知电磁吸力F_X∝B²S亦为常数。即交流电磁机构的吸力特性为一条与气隙长度无关的直线，实际上考虑衔铁吸合前后漏磁的变化时，FX随δ的减小而略有增加。对于并联电磁机构，由磁路欧姆定律NI≈ΦRm可知（Rm为气隙磁阻，随δ的变化成正比变化），在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，吸合电流随δ的变化成正比变化；并为衔铁吸合后的额定电流的很多倍，U形电磁机构可达5～6倍，E形电磁机构可达10～15倍。所以，在可靠性要求较高或要求频繁动作的控制系统中，一般采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构。

由于交流电磁机构的磁通是交变的，会在磁心中感应出涡流，使铁心的磁通幅值减小，相位滞后，电能损耗及铁心发热。为解决这一问题，铁心采用矫顽力很小的硅钢片叠加在一起做成，硅钢片之间相互绝缘。因此，交流电磁机构的剩磁很小。一般不会产生衔铁被剩磁吸住而不能释放复位的现象。

电磁机构的复位是依靠弹簧的弹力实现的，因此在吸合过程中，电磁吸力必须克服弹簧的弹力F_r，电磁吸力FX与弹力F_r相比，应大一些，但不宜相差太大。对于交流电磁机构，由于电流是交变的，吸力也是脉动的，电流为零时，吸力也为零。所以在50Hz的电源加在线圈上，吸力为100Hz的脉动吸力，FX小于弹力F_r时，衔铁将在弹簧的作用下移动，而当吸力FX大于弹力F_r时衔铁将克服弹簧力而吸合。如此周而复始，使衔铁产生振动，发出噪声，因此，必须采取有效措施，消除振动和噪声。

具体办法是在铁心端部开一个槽，槽内嵌入称为短路环（或称分磁环）的铜环，如图1-4所示。当励磁线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。短路环把铁心中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的Φ1和穿过短路环的Φ₂，由于短路环的作用，使Φ₁与Φ₂产生相移，即不同时为零，使合成吸力始终大于反作用力，从而消除了振动和噪声，如图1-5所示。短路环通常包围2/3的铁心截面，它一般用铜、康铜或镍铬合金等材料制成。

图1-4　交流电磁铁的短路环

1—衔铁；2—铁心；3—线圈；4—短路环

图1-5　加短路环后的磁通与吸力

（3）反力特性　电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。图1-3中所示曲线3即为反力特性曲线。

为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图1-3所示。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，但不能过大或过小。吸力过大，动、静触点接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触点和衔铁发生弹跳导致触点的熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；吸力过小，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当。在实际应用中，可调整反力弹簧或触点初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合。

3）电器的触点系统

触点是电器的执行部分，起接通和断开电路的作用。触点的结构型式很多，按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

触点按其原始状态可分为常开触点和常闭触点：原始状态时断开，线圈通电后闭合的触点叫常开触点；原始状态时闭合，线圈通电后断开的触点叫常闭触点。

触点按其结构形式可分为桥式触点和指形触点，如图1-6所示。

（1）桥式触点　图1-6（a）为两个点接触的桥式触点，图1-6（b）是两个面接触的桥式触点，两个触点串于同一条电路中，电路的接通与断开由两个触点共同完成。点接触型式适用于电流不大、触点压力小的场合；面接触型式适用于大电流的场合。

图1-6　触点的结构型式

（2）指形触点　图1-6（c）为指形触点，其接触区为一直线，触点接通或断开时产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜。指形触点适用于接电次数多、电流大的场合。

为了使触点接触得更加紧密，以减小接触电阻，并消除开始接触时产生的振动，在触点上装有接触弹簧，在刚刚接触时产生初压力，并随着触点闭合增大触点互压力。

触点要求导电、导热性能良好，通常用铜制成。但铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜，将增大触点的接触电阻，使损耗电能增大，触点温度上升。所以，有些电器，如继电器和小容量的电器，其触点常采用银质材料，这不仅在于其导电和导热性能均优于铜质触点，更主要的是其氧化膜的电阻率与纯银相似（氧化铜则不然，其电阻率可达纯铜的十余倍以上），而且要在较高的温度下才会形成，同时又容易粉化。因此，银质触点具有较低和稳定的接触电阻。对于大中容量的低压电器，在结构设计上，触点采用滚动接触；另外，可将氧化膜去掉，保证触点接触可靠。

4）电弧的产生及灭弧方法

在大气中开断电路时，如果被开断电路的电流超过某一数值，开断后加在触点间隙（或称弧隙）两端电压超过某一数值时，触点间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触点间气体在强电场作用下产生的放电现象，产生高温并发出强光，将触点烧损，并使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故，因此，在电器中应采取适当措施熄灭电弧。常用的灭弧方法有：电动力灭弧（如图1-7）、磁吹式灭弧、栅片灭弧、灭弧罩灭弧（常用于交流接触器中）、窄缝灭弧等。

图1-7　电动力灭弧示意图

1—静触点；2—动触点