1.2 电磁式低压电器的基本知识

电磁式低压电器是低压电器中最典型也是应用最为广泛的一种电器，其类型很多，并且各种类型的电磁式低压电器在结构组成和工作原理上基本相同。因此，本节介绍电磁式低压电器的基础知识。

从结构上看，电器一般都具有两个基本组成部分，即感受部分与执行部分。感受部分接受外界输入的信号，并通过转换、放大与判断作出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制或保护的目的。有些电器还具有中间部分。对于电磁式低压电器，其感受部分是电磁机构，而执行部分则是触点系统。

1.2.1 电磁机构

电磁机构是各种电磁式低压电器的感测部分，其主要作用是将电磁能量转换成机械能，带动触点的闭合与分断。电磁机构主要由吸引线圈、铁心和衔铁三部分组成。其中，吸引线圈和铁心是静止不动的，而衔铁则是可动的。

1．电磁机构的结构型式

电磁机构的结构型式按衔铁的运动方式、吸引线圈接入电路的方式、吸引线圈通入电流的性质不同可以有多种分类方法。

（1）按衔铁的运动方式分类

电磁机构的结构型式按衔铁的运动方式可分为直动式与拍合式，如图1-1所示。

直动式电磁机构和拍合式电磁机构均有铁心与衔铁制成为E字形，且由电工钢片叠合而成，线圈套装在中间的铁心柱上，E形铁心的中柱较短，衔铁与铁心闭合后上下中柱间形成0.1～0.2mm的气隙，这两种型式的电磁机构均用于交流电磁式低压电器中。

U形拍合式电磁机构的铁心制成U字形，衔铁的一端绕棱角或转轴做拍合运动。铁心与衔铁均由工程软铁制成且衔铁绕棱角运动者，多用于直流电磁式电器中，如直流接触器；而铁心与衔铁均由电工钢片叠合而成且衔铁绕转轴转动者，则广泛应用于交流电磁式电器中。

（2）按线圈接入电路的方式分类

电磁机构的结构型式按吸引线圈接入电路的方式可分为串联电磁机构和并联电磁机构，如图1-2所示。

串联电磁机构的线圈串接于电路中，这种接入方式的线圈又称为电流线圈，电流线圈主要用于电流检测类电磁式电器，串联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小。为减少对电路电压分配的影响，要求线圈的内阻很小。因此，串联电磁机构的线圈采用粗导线制造，且线圈的匝数较少。

并联电磁机构的线圈并联于电路中，这种接入方式的线圈又称为电压线圈，大多数电磁式电器的线圈都按照并联接入方式设计，而并联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈两端电压的大小。为减少电路的分流作用，并联线圈需要较大的阻抗。因此，并联电磁机构的线圈导线较细，且线圈的匝数较多。

（3）按线圈通入电流的性质分类

吸引线圈的作用是将电能转换成磁场能量，按吸引线圈通入电流性质的不同，电磁机构可分为直流电磁机构与交流电磁机构。直流电磁机构的电磁铁在稳定状态下通入恒定磁通，铁心中没有磁滞损耗与涡流损耗，只有线圈本身的铜损，所以铁心用整块铸铁或铸钢制成，线圈无骨架，且成细长形，使线圈与铁心直接接触，易于散热；而交流电磁机构的电磁铁为减少交变磁场在铁心中产生的涡流与磁滞损耗，一般采用硅钢片叠压后铆成，线圈设有骨架，使线圈与铁心隔离，且制成短粗型，以增加散热面积。

2．电磁机构的工作原理

当吸引线圈通入电流后会产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反力时，衔铁才能可靠地与铁心吸合。

3．电磁机构的工作特性

电磁机构的工作情况通常用吸力特性和反力特性来描述，它们决定着电磁机构能否正常工作，特别是二者之间的适当配合对电磁式电器的可靠工作至关重要。

电磁机构的吸力特性、反力特性及二者之间的配合如图1-3所示。图中δ₁为气隙的最大值，其对应触点的断开距离，也称为触点行程；δ₂则对应动、静触点刚刚接触时的气隙。

（1）吸力特性

吸力特性指电磁吸力F与气隙δ（铁心和衔铁之间的距离）的关系曲线。电磁吸力是影响电磁式电器可靠工作的一个重要参数，电磁式电器在吸合或释放过程中，其气隙是变化的，电磁吸力也将随气隙的变化而变化。吸力特性随励磁电流种类（交流或直流）、线圈的连接方式（串联或并联）的不同而有所差异。

（2）反力特性

吸引线圈通电时可以产生电磁吸力，当其断电时使衔铁带动触点恢复常态位置的力则称为反力，反力也随气隙的变化而变化，这种特性称为反力特性。在忽略电磁机构运动部件即衔铁的重力及摩擦阻力的情况下，反力的大小主要由复位弹簧和触点弹簧的反力构成。由于弹簧的作用力与其长度呈线性关系，所以反力特性曲线为直线段。

（3）吸力特性与反力特性的配合

如果反力特性曲线在吸力特性曲线的上方，由于反力大于吸力，使衔铁无法产生闭合动作，尤其对于交流并联电磁机构，衔铁无法吸合会导致线圈严重过热乃至烧坏；而如果反力特性曲线在吸力特性曲线的下方，但反力过小，虽然衔铁能产生闭合动作，但由于吸力过大，使衔铁闭合时的运动速度过快，因而会产生很大的冲击力，使衔铁与铁心柱端面造成严重的机械磨损。此外，过大的冲击力还有可能使触点产生弹跳现象，从而导致触点的熔焊或烧损，也就会引起严重的电磨损，降低触点的使用寿命。因此，可以通过改变复位弹簧的松紧来实现吸力特性与反力特性的适当配合。

吸力特性和反力特性适当配合的宗旨，就是在保证衔铁产生可靠吸合动作的前提下尽量减少衔铁和铁心柱端面间的机械磨损和触点的电磨损。为此，应使反力特性曲线始终在吸力特性曲线的下方且彼此靠近。

（4）单相交流电磁机构的短路环

电力拖动自动控制系统中所用的交流电磁式电器均采用单相交流电磁机构。在单相交流电磁机构中，当线圈中通以单相交流电时，在铁心中产生交变磁通，使其产生的电磁吸力在最大值与零之间脉动。因此，对衔铁的吸力时大时小，有时为零，在复位弹簧等的反力作用下，时有释放的趋势，造成衔铁振动，使触点接触不良，并且还产生噪声。不仅对电器正常工作十分不利，还降低了电器的使用寿命。

因此，在交流电磁铁的铁心上装设短路环，如图1-4所示。短路环的作用是减少交流电磁铁吸合时产生的振动和噪声。装入短路环后，交变磁通Ф₁的一部分穿过短路环，在环中产生感应电流，因此环中的磁通成为Ф₂。Ф₁与Ф₂相位不同，也即不同时为零。这样就使线圈电流和铁心磁通Ф₁过零时短路环中的磁通Ф₂不为零，仍然可将衔铁牢牢吸住，从而消除了振动和噪声。只要在设计时注意保证合成吸力始终大于弹簧等的反力便可以满足减振和消除噪声的要求。

1.2.2 触点系统

触点是一切有触点电器的执行部件，通过触点的动作接通和断开电路。根据用途的不同，触点可以分为常开触点（动合触点）和常闭触点（动断触点）两类。电器元件在没有通电或不受外力作用的常态下处于断开状态的触点，称为常开触点，反之则称为常闭触点。

1．触点的接触形式

触点的接触形式有点接触、线接触和面接触3种，如图1-5所示。点接触由于接触区域是一个点或面积很小的面，允许通过的电流很小，所以常用于电流较小的电器中，如继电器的触点。线接触由两个圆柱面接触而成，又称为指形触点，其接触区域是一条直线或一条窄面，允许通过的电流较大，常用于中等容量的触点系统，这种接触形式在触点通断过程中是滚动或滑动接触，利于自动清除触点表面的氧化膜，从而更好地保证触点的良好接触。面接触是两个平面形触点接触而成，由于接触区域有一定的面积，可以通过很大的电流，常用在大容量接触器中作为主触点。

2．触点的结构形式

触点按其结构形式可分为桥式触点和指式触点，如图1-6所示。桥式触点有点接触和面接触两种，前者适用于小电流电路，后者适用于大电流电路；指式触点为线接触，适用于较大电流且操作频繁的场合。为使触点接触时导电性能好，减小接触电阻并消除开始接触时产生的振动，在触点上装设了压力弹簧，以增加动、静触点间的接触压力。

3．触点的接触电阻

触点在闭合状态下，动、静触点完全接触，并有工作电流通过时，称为电接触。影响电接触工作情况的主要因素就是触点的接触电阻。因为接触电阻大，容易使触点发热而导致温度升高，从而使触点容易产生熔焊现象，既影响触点工作的可靠性，又降低了触点的使用寿命。

触点的工作状态分为：闭合过程、闭合状态、断开过程及断开状态。理想情况下，触点闭合状态时其接触电阻为零；触点断开状态时其接触电阻为无穷大；而闭合过程中接触电阻瞬时由无穷大变为零；断开过程中接触电阻瞬时由零变为无穷大。但实际上，在闭合状态时耦合触点间有接触电阻存在，若接触电阻太大，可能导致被控电路压降过大或电路不通；在断开状态时要求触点间有一定的绝缘电阻，若绝缘电阻不足则可能导致击穿放电，致使被控电路导通。此外，在闭合过程中会有触点弹跳现象，可能破坏触点的可靠闭合；在断开过程中可能产生电弧破坏触点的可靠分断。

为此，必须减小接触电阻。可以通过在动触头上安装触点弹簧，增加接触压力，进而增加接触面积，使接触电阻减小；可以选用电阻系数小的触点材料，使触点本身的电阻尽量减小，实际应用中常在铜基触点上镀银，以减小接触电阻；可以采用滑动接触的指形触点，利用触点自身的接触特点增强触点的导电性。此外，还应注意电器触点的日常清洁与维护，使触点保持良好的表面状况。

1.2.3 灭弧装置

1．电弧的产生及危害

电弧是在触点由闭合状态到断开状态的过渡过程中产生的。在触点断开的过程中，动、静触点的接触面积逐渐减少，接触电阻随之增加。在触点切断电路时，如果触点间的电压在10～20V之间、电流为80～100mA之间，触头间便会出现火花和弧光，这就是电弧。电弧实际上是触点之间的气体在强电场作用下产生的放电现象。

电弧产生时，其内部会有很高的温度和密度很大的电流，外部则有强烈的白炽弧光，电弧会使触点烧灼，降低电器的使用寿命和工作的可靠性，并使电路的分断时间延长，甚至使触头熔焊不能断开，造成严重的生产事故。因此，必须采取一定的方法使电弧迅速熄灭。

2．灭弧方法及装置

要使电弧迅速熄灭，可以拉长电弧，以降低电弧电场强度；可以利用电磁力使电弧在冷却介质中运动，以降低弧柱周围的温度；可以将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中，以冷却电弧；也可以将电弧分割成许多串联的短弧，以降低起弧电压。

低压电器常用的灭弧装置中，双断口电动力灭弧如图1-7所示，该方法简便且无须专门的灭弧装置，多用于10A以下的小容量交流电器；灭弧栅灭弧示意图如图1-8所示，金属栅片既可吸入、分割电弧并降低起弧电压，又可导出电弧的热量，该装置一般为容量较大的交流电器采用；磁吹式灭弧如图1-9所示，该方法利用电弧与弧隙磁场相互作用而产生的电磁力实现灭弧，实际上就是利用电弧电流自身来灭弧，电弧电流越大，磁吹线圈产生的磁场越强。该方法广泛应用于直流电器作为灭弧装置；此外，还有灭弧罩灭弧，是利用灭弧罩的窄缝隔弧并降低弧温，直流接触器上广泛采用这种灭弧装置。