1.2.3 电磁机构

电磁机构是电磁式继电器、接触器和断路器等的主要组成部件之一，其工作原理是将电磁能转换成机械能，从而带动触头动作。如前所述，电磁机构的线圈整体可视为一个电路，“线圈”是“输入电路”，“触头”是输出电路。

1.2.3.1 电磁机构的结构形式

电磁机构由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两个部分组成。磁路包括铁心、铁轭、衔铁和空气隙。吸引线圈通以一定的电压或电流产生激励磁场及吸力，并通过气隙转换为机械能，从而带动衔铁运动，使触头动作，以完成触头的断开和闭合。图1-9是几种常用的电磁机构结构型式示意图。

图1-9a、b和c所示的衔铁是做直线运动的直动式铁心，衔铁在磁力作用下直线运动，这种结构主要用于中小容量交流接触器和继电器中。

图1-9d所示的衔铁是沿棱角转动的拍合式铁心，其衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小，铁心一般用电工软铁制成，适用于继电器。在图1-9f所示的产品实物中可清楚地看到拍合式铁心的实际结构。

图1-9e所示的衔铁是沿轴转动的拍合式铁心，其衔铁绕轴而转动，铁心一般用硅钢片叠成，常用于较大容量的交流接触器。

吸引线圈按其通电种类可分为交流电磁线圈和直流电磁线圈。对于交流电磁线圈，当通交流电时，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。对于直流电磁线圈，铁心和衔铁用整块电工软铁做成。当线圈做成并联于电源工作的线圈时，称为电压线圈，它的特点是匝数多，线径较细。当线圈做成串联于电路工作的线圈时，称为电流线圈，它的特点是匝数少，线径较粗。

1.2.3.2 电磁机构的工作原理

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。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。电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系曲线称为反力特性。

1.反力特性

电磁机构使衔铁释放的力一般有两种：一是利用弹簧的反力；二是利用衔铁的自身重力。

2.吸力特性

电磁机构的吸力与很多因素有关，当铁心与衔铁端面互相平行，且气隙δ比较小，吸力可近似地按下式求得：

式中，B为气隙磁通密度（T）；S为吸力处端面积（m2）；F_m为电磁吸力的最大值（N）。

在计算F时，可只考虑吸力的平均值，即F=0.5F_m。当端面积S为常数时，吸力F与磁通密度B的二次方成正比，也可认为F与磁通Φ的二次方成正比，而反比于端面积S，即

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，其吸力特性也不一样，即交、直流电磁机构的电磁吸力特性是不同的。交流电磁机构励磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗（电阻相对很小），则

式中，U为线圈电压（V）；E为线圈感应电动势（V）；f为线圈外加电压的频率（Hz）；Φ为气隙磁通（Wb）；N为线圈匝数。

（1）交流电磁机构的吸力特性

当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，由式（1-4）可知，磁通Φ也为常数。由式（1-3）可知，此时电磁吸力F为常数，这是因为交流励磁时，电压、磁通都随时间做周期性变化，其电磁吸力也做周期性变化。因此，此处F为常数是指电磁吸力的幅值不变。由于线圈外加电压U与气隙δ的变化无关，所以其吸力F也与气隙δ的大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，吸力F随气隙δ的减小略有增加。其吸力特性如图1-10所示。

虽然交流电磁机构的气隙磁通Φ近似不变，但气隙磁阻随气隙长度δ而变化。根据磁路定律，有

式中，N为线圈匝数；R_m为磁阻（Ω）；μ₀为真空磁导率；δ为气隙（mm）；S为吸力处端面积（m2）。

由式（1-5）可知，交流电磁机构励磁线圈的电流I与气隙δ成正比。在吸合过程中，线圈中电流（有效值）变化很大，因为其中电流不仅与线圈电阻有关，还与线圈感抗有关。在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感增大，因而电流逐渐减小。因此，如果衔铁或机械可动部分被卡住或者频繁动作，通电后衔铁吸合不上，线圈中就流过较大电流而使线圈严重发热，甚至烧毁。一般U型交流电磁机构的励磁线圈通电而衔铁尚未动作时，其电流可达到吸合后额定电流的5～6倍；E型电磁机构则达到10～15倍额定电流，线圈很可能因过电流而烧毁。所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。

（2）直流电磁机构的吸力特性

直流电磁机构由直流电流励磁，励磁电流不受气隙变化的影响，即其磁动势NI不受气隙变化的影响，可用下式表达：

由式（1-6）可知，直流电磁机构的吸力F与气隙δ的二次方成反比，吸力特性如图1-11所示。

在直流电磁机构中，励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙的大小而变，衔铁闭合前后吸力变化很大，气隙越小，吸力越大。由于衔铁闭合前后励磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力大，工作可靠性好。但是，当直流电磁机构的励磁线圈断电时，磁动势就由NI急速变为接近于零。电磁机构的磁通也发生相应的急速变化，因而就会在励磁线圈中感生很大的反电动势。此反电动势可达线圈额定电压的10～20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。为减小此反电动势，通常在励磁线圈上并联一个放电回路，由电阻R和一个硅二极管组成，如图1-12所示。

这样，当线圈断电时，放电电路使原先存储于磁场中的能量消耗在电阻上，而不致产生过电压。通常，放电电阻的电阻值可取线圈直流电阻的6～8倍。

3.吸力特性与反力特性的配合

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。所以，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。所以在特性图上，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，如图1-13所示。

在实际使用中，无论是直流还是交流操作，只要线圈两端电压大于释放电压，闭合状态的电磁机构都会产生大于反力弹簧反力的吸力，直流电磁机构尤为突出，但对于交流电磁铁来说，铁心中的磁通量及吸力是一个周期函数，吸力在零与最大值F_m之间脉动，并包括两个分量，即直流分量和频率为2倍电网频率（2ω）的正弦分量，而吸力总是正的，在磁通每次过零时，即t=0、π/2、T（T为磁通的周期）时，吸力为零，见图1-14中的波形图，此时弹簧反力大于电磁吸力，电磁机构释放，而在π/2～T之间，吸力又大于反力，动铁心使电磁机构重新吸合。这样，在f=50Hz时，每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，产生相当大的噪声，严重时将使铁心损坏，显然这是不允许存在的。为了避免衔铁振动，通常在铁心端面上装一个用铜制成的分磁环或称短路环，如图1-14所示。

短路环就像是一匝两端接在一起的线圈。短路环把端面S分成环内部分S₁与环外部分S₂（S=S₁+S₂）两部分。短路环仅包围了主磁通Φ的一部分。这样，铁心中有两个不同相位的磁通Φ₁和Φ₂，电磁机构的总吸力将是F₁和F₂之和，只要合力始终大于反力，衔铁的振动现象就会消除。

4.继电逻辑特性

继电器（接触器）等的电磁机构的输入-输出关系，以及其触头状态的转换称为继电特性，如图1-15所示。

设电磁机构线圈的电压（或电流）为输入量x，衔铁位置为输出量y，则衔铁吸合位置为y₁，释放位置为y₀。衔铁吸合的最小输入量为x₁，称为电磁机构的最小动作值；衔铁释放的最大输入量为x₀，称为电磁机构的最大返回值。当输入量x＜x₁时衔铁不动作，其输出量y=0；当x=x₁时，衔铁吸合，输出量y从“0”跃变为“1”；再进一步增大输入量使x＞x₁，则输出量仍为y=l。当输入量x从x₁减小时，在x＞x₀的过程中，虽然吸力特性向下降低，但因衔铁吸合状态下的吸力仍比反力大，所以衔铁不会释放，输出量y=1。当x=x₀时，因吸力小于反力，衔铁才释放，输出量（触头状态转换）由“l”突变为“0”；再减小输入量，输出量仍为“0”。可见，电磁机构的输入-输出特性或继电特性为一矩形阶跃曲线。电磁机构的继电逻辑特性决定了电器控制电路的继电逻辑功能，继电逻辑特性也称为逻辑变量，从控制角度说，也就实现了“0”或“1”的转换，即“开”或“关”的转换。因此，继电逻辑控制电路的状态逻辑函数总是等于“1”，否则就是错误的，或在未带电状态。

继电器（接触器）的释放值与吸合值之比称为继电器的返回系数K_f，它是继电器（接触器）的重要参数之一。欲使继电器（接触器）吸合，输入量必须等于或大于吸合值；欲使继电器（接触器）释放，输入量必须等于或小于释放值。继电器（接触器）的另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接收电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器（接触器）的吸合时间与释放时间为0.05～0.15s，快速继电器为0.005～0.05s，它的大小影响继电器（接触器）的操作频率。