1.2.2 电磁式电器的工作原理

电磁式电器在电气控制电路中应用最为普遍。各类电磁式电器在工作原理和构造上基本相同。其主要由电磁机构、触点系统和灭弧装置三部分组成。

1.电磁机构

电磁机构是电磁式电器的感测部分。电磁机构的主要作用是将电磁能转换成机械能，并带动触头动作，从而完成电路的接通或分断。

（1）电磁机构的结构 电磁机构通常采用电磁铁的形式，由吸引线圈、铁心（静铁心）和衔铁（动铁心）三部分组成。其作用原理是，当吸引线圈中有工作电流通过时，产生电磁吸力，电磁吸力克服弹簧的反作用力，将衔铁吸向铁心，使衔铁与铁心接触，吸合过程由连接结构带动相应的触头动作。电磁机构分类如下：

1）按衔铁的运动方式分类。

①衔铁绕棱角转动：如图1-5a所示，衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小。铁心一般用整块电工软铁制成，适用于直流接触器和继电器。

②衔铁绕轴转动：如图1-5b所示，衔铁绕轴转动，铁心一般用硅钢片叠成，适用于较大容量的交流接触器。

③衔铁直线运动：如图1-5c所示，衔铁做直线运动，较多用于中小容量的交流接触器和继电器中。

2）按磁系统形状分类。电磁机构可分为U形（见图1-5a）和E形（见图1-5b、c）。

3）按线圈的连接方式分类。可分为并联（电压线圈，匝数多、导线细）和串联（电流线圈，匝数少、导线粗）。

4）按线圈电流的种类分类。其可分为直流线圈和交流线圈两种。

对于交流电磁线圈，为了减小因涡流造成的能量损失和温升，铁心和衔铁用硅钢片叠成。由于其铁心存在磁滞和涡流损耗，线圈和铁心都发热。因此交流电磁机构的吸引线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离，并将线圈制成短而粗的“矮胖”形，这样有利于铁心和线圈的散热。

对于直流电磁线圈，铁心和衔铁可以用整块电工软铁制成。因其铁心不发热，只有线圈发热，所以直流电磁机构的吸引线圈做成细而长的“瘦高”形，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。

（2）吸力特性与反力特性 电磁机构的工作情况常用吸力特性与反力特性来表征。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性，如图1-6中曲线1和曲线2所示。电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线称为反力特性，如图1-6中曲线3所示。电磁机构的吸力特性反映了电磁吸力与气隙的关系，而励磁电流的种类不同，其吸力特性也不同，即交、直流电磁机构的电磁吸力特性不同。电磁机构欲使衔铁吸合，在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命，反映在特性图上就是要保证吸力特性在反力特性的上方。由于铁磁物质有剩磁，它使电磁机构的励磁线圈失电后仍有一定的磁性吸力存在，剩磁的吸力随气隙δ的增大而减小。当切断电磁机构的励磁电流以释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。所以在特性图中，电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁特性之间。

由麦克斯韦电磁理论可知，电磁机构的吸力F可近似为

式中，真空磁导率，μ₀=4π×10-7H/m；B为磁感应强度；Φ为气隙中的磁通量；S为气隙的截面积，当S为常数时，电磁吸力F∝B2∝Φ2。

1）直流电磁机构的吸力特性。对于具有电压线圈的直流电磁机构，因外加电压U与线圈电阻R不变，则流过线圈的电流I不变（为常数），与磁路的气隙大小无关。由磁路定律有

其中，R_m为气隙磁阻，N为线圈匝数。又因为R_m与δ的大小成正比，所以由式（1-1）和式（1-2）联立可知

所以直流电磁机构的吸力特性为二次曲线形状，如图1-6中曲线1所示。它表明直流电磁机构在衔铁吸合过程中，电磁吸力是逐渐增加的，完全吸合时电磁吸力达到最大。

2）交流电磁机构的吸力特性。对于具有电压线圈的交流电磁机构，其吸力特性与直流电磁机构有所不同。设交流线圈外加电压U不变，交流吸引线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗，电阻可忽略，则

其中，E为线圈感应电动势，f为电源频率。当U、f、N均为常数时，Φ为常数，即交流电磁机构在衔铁吸合前后Φ不变（为恒磁通工作），由式（1-3）F∝Φ2可知，F也不变，且F与气隙的大小无关。实际上考虑到漏磁的作用，F随δ的减小略有增加。

由式（1-2）可知，交流电磁机构的气隙磁通Φ近似不变，气隙磁阻R_m随着气隙δ的增大成正比增加，因此，交流励磁电流的大小也将随δ的增大成正比增大。交流电磁机构在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，其电流将比吸合后的额定电流大很多，如果衔铁卡住不能吸合或者衔铁频繁动作，交流线圈可能因过电流而烧毁。对于可靠性要求高或频繁动作的场合，这就是一般采用直流电磁机构而不采用交流电磁机构的原因。

3）反力特性。反力特性如图1-6中曲线3所示。图中δ₁为起始位置，δ₂为动、静触头接触时的位置。在δ₁～δ₂区域内，反作用力随着气隙的减小而略有增大，在δ₂位置，动、静触头接触，这时触点的初压力作用到衔铁上，反作用力突增。在0～δ₂区域内，气隙越小，触点压得越紧，反作用力越大，其特性曲线比较陡峭。

（3）交流电磁机构短路环 对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在弹簧的作用下被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸力大于反作用力时，衔铁又吸合。因此，在频率为50Hz的交变电源时，交流电每一个周期内衔铁吸力要两次过零，电磁机构就出现了频率为100Hz的持续抖动与撞击，产生很大的噪声，严重时将使铁心损坏，因此必须采取有效措施予以克服。具体办法是在铁心端部开一个槽，槽内嵌入一个用铜制成的短路环（或称分磁环），如图1-7a所示。

当励磁线圈通入交流电时，在短路环中有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。因此，铁心中有两个不同相位的磁通Φ₁和Φ₂，Φ₂在相位上落后于Φ₁，只要电磁机构的总吸力始终大于反作用力，衔铁的振动现象就会消除，如图1-7c所示。图1-7b是未加短路环的磁通与电磁吸力，图1-7c是加短路环后的磁通与电磁吸力。

2.触点系统

触点是电器的主要执行部分，用来接通或断开被控制的电路。每对触点均由静触头和动触头组成。动触头与电磁机构的衔铁相连，当电磁机构的线圈通电时，衔铁带动动触头动作，使接触器的常开触点闭合，常闭触点断开。

提示：常开触点（也叫动合触点）是指电器在未通电或未受外力作用时的常态下，触点处于断开状态，通电后，触点闭合；常闭触点（也叫动断触点）是指电器在未通电或未受外力作用时的常态下，触点处于闭合状态，通电后，触点断开。

触点要求导电、导热性能良好，接触电阻小，通常用铜材料制成，对于小容量电器，常用银质材料制成。触点按接触形式可分为3种，即点接触（见图1-8a）、面接触（见图1-8b）和线接触（见图1-8c）。接触面越大，允许通过的电流也越大。

为了消除触头在接触时的振动，减小接触电阻，在触头上装有接触弹簧，用于在触头间施加一定的压力。未受激时的位置如图1-9a所示，当动触头刚与静触头接触时，由于安装时弹簧被预先压缩了一段，因而产生一个初压力F₁，如图1-9b所示。触头闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一个终压力F₂，如图1-9c所示。超行程指从静、动触头开始接触到触头压紧，整个触点系统向前压缩的距离。有了超行程，在触头磨损情况下仍具有一定压力，有利于保持良好接触。

3.灭弧装置

自然环境中分断电路时，如果被断开电路的电压或电流超过某一数值（根据触头材料的不同，此值为12～20V或0.25～1A），则拉开的两个触头间空气在强电场的作用下会产生电离放电现象，在触头间隙产生大量带电粒子，形成炽热的电子流，这实际上是一种气体放电现象，通常称为“电弧”。

电弧伴随高温、高热和强光，可能造成电路切断时间延长、高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏、形成飞弧造成电源短路事故引起火灾等。因此，必须采取适当措施迅速熄灭电弧。灭弧的原则：降低电弧的温度、降低电场的强度。

常见的灭弧装置有灭弧罩、灭弧栅和磁吹式灭弧。

（1）灭弧罩 灭弧罩通常采用陶土和石棉水泥等耐高温材料制成，用以隔弧和降温。其作用是分隔各路电弧，以防止短路发生，并使电弧与灭弧罩的绝缘壁接触，使电弧迅速冷却而熄灭。其可用于交流和直流灭弧。

（2）灭弧栅 灭弧栅灭弧原理如图1-10所示。灭弧栅片由许多镀铜薄钢片组成，片间距离为2～3mm，放在触头上方的灭弧罩内。一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，使导磁的钢片上产生涡流，将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧。当交流电压过零时电弧自然熄灭，同时由于栅片的散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。灭弧栅是一种常用的交流灭弧装置，用于大电流的刀开关与大容量交流接触器中。

（3）磁吹式灭弧 在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁场作用下，电弧受电磁力的作用而被拉长，被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，与固体介质相接触，电弧被冷却而熄灭。由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧的能力也越强。它广泛应用于直流接触器中。