1.2 电磁式低压电器的结构及工作原理

电气控制系统中以电磁式电器的应用最为普遍。电磁式低压电器是利用电磁感应原理实现电器功能的电器类型，此类电器在工作原理及结构组成上大体相同。接触器和继电器是控制系统中最常用的两种电磁式低压电器，其结构由电磁机构、触点系统以及灭弧装置三部分组成。

1.2.1 电磁机构

电磁机构由线圈、铁心（静铁心）、衔铁（动铁心）及气隙组成。衔铁与受控电路的触点系统相连。在线圈中通以一定的电压或电流产生励磁信号，铁心中就会产生磁场，并通过气隙转化成机械能，从而吸引衔铁，带动触点系统断开或接通受控电路。通过电磁感应原理将电能转化成机械能。

1.电磁机构的结构

常用电磁机构的结构如图1-1所示。根据结构的不同存在多种分类方法。

（1）按衔铁的运动方式分类

衔铁沿棱角转动的拍合式铁心，如图1-1a所示。衔铁绕静铁心的棱角转动，磨损较小，铁心用软铁制成，适用于直流接触器和继电器。

衔铁沿轴转动的拍合式铁心，如图1-1b所示。衔铁绕轴转动，铁心用硅钢片叠成，常用于较大容量的交流接触器中。

衔铁作直线运动的直动式铁心，如图1-1c所示。衔铁在磁力作用下直线运动，较多用于中小容量的交流接触器和继电器中。

图1-1 常用电磁机构结构

1-衔铁 2-铁心 3-线圈

（2）按铁心形状分类

按铁心形状分为图1-1a所示的U形和图1-1b所示的E形。

（3）按励磁线圈的通电种类分类

按励磁线圈的通电种类分为交流励磁线圈和直流励磁线圈。交流励磁线圈通以交流电时，为了减小因涡流造成的能量损耗和温升，铁心和衔铁需用硅钢片叠成；对于直流励磁线圈，铁心和衔铁可以用整块电工软钢做成。

（4）按励磁线圈的连接方式分类

按照励磁线圈的连接方式，可分为并联和串联。并联于电路工作的励磁线圈称为电压线圈，如图1-2所示。线圈的匝数多，阻抗大，电流小，常用绝缘较好的电线绕制。

串联于电路工作的励磁线圈称为电流线圈，如图1-3所示。线圈的匝数少，阻抗小。衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小，衔铁动作不改变线圈中的电流大小。

图1-2 电压线圈

图1-3 电流线圈

2.电磁机构的工作原理

励磁线圈通电以后，作用在衔铁上的力有电磁吸力和反力。铁心吸引衔铁带动触点改变电路通断状态的力称为电磁吸力。而反力则是由释放弹簧和触点弹簧所产生的力。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。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示。

（1）吸力特性

电磁机构的吸力与很多因素有关，当气隙δ比较小时，吸力可按下式近似求得：

F=4B²S×10⁵ （1-1）

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

当吸力处端面积S为常数时，电磁吸力F与气隙磁通密度的二次方B²成正比，也可认为F与磁通的二次方Φ²成正比。即

F∝Φ² （1-2）

电磁机构的吸力特性反应的是电磁吸力与气隙的关系。励磁线圈中电流的种类不同，吸力特性也不同。

1）交流电磁机构的吸力特性。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），那么

U≈E=4.44fΦN（1-3）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。

交流励磁时，电压、磁通都会随时间作周期性变化，所以电磁吸力也会做周期性变化。式（1-3）中，当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，Φ也为常数，所以电磁吸力F也为常数，这里是指其幅值不变。电磁吸力F与气隙δ没有关系，但实际上，吸力F随气隙δ的减小略有增加，其吸力特性如图1-4所示。根据磁路定律，交流励磁线圈的电流I与气隙δ成正比。在交流电磁机构中，励磁线圈通电而衔铁尚未动作时，电流会达到吸合后额定电流的几倍甚至几十倍。如果衔铁过度频繁地动作或者卡住不吸合，励磁线圈很可能会烧毁。所以在一些操作比较频繁或性能要求比较高的场合，不适合使用交流电磁机构。

2）直流电磁机构的吸力特性。对于直流电磁机构，当外加电压恒定时，励磁电路电流仅与线圈电阻有关，不受气隙变化的影响，即

式中，I为线圈电流（A）；U为外加电压（V）；R为直流电阻（Ω）。

当电压恒定时，磁通Φ与气隙δ有关，即

式中，N为线圈匝数；R_m为磁阻（H^-1）；μ₀为真空磁导率（H/m）；δ为气隙（mm）；S为吸力处端面积（m²）。所以，直流电磁机构的吸力F与气隙δ的二次方成反比，即

其吸力特性如图1-5所示。

图1-4 交流电磁机构的吸力特性

图1-5 直流电磁机构的吸力特性

直流电磁机构中，励磁线圈通电衔铁闭合前后，只要外加电压恒定，则电流不变。因此，直流电磁机构适合在一些动作比较频繁的场合、性能要求比较高的场合使用。但当励磁线圈断电时，I×N急速下降至0，电磁机构中磁通急速变化在励磁线圈中产生较大的反电动势，易使线圈过电压烧毁。解决方法是可以在励磁线圈上并联一电阻，当励磁线圈断电以后，励磁线圈和电阻形成放电电路，将磁场中的能量转化为电阻上的热能消耗掉，避免产生过电压现象。电阻R在电路长期正常通电工作时会产生能量损耗，此时，要与电阻串联一个二极管，在正常工作时放电电路不工作，如图1-6所示。

图1-6 直流线圈上并联放电回路

（2）反力特性

电磁机构使衔铁释放的力有两种，一种是弹簧的反力；另一种是衔铁自身的重力。弹簧反力与其形变位移成正比。自重的反力与气隙的大小无关。反力特性如图1-7中曲线3所示。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。吸合过程中，吸力作用要大于反力作用，但也不能过大或过小。吸力过大时，冲力也大，易损坏触点和衔铁，影响电器的使用寿命。吸力过小时，冲力不足，衔铁运动速度过慢，难以满足高频通断电路的要求。释放过程中，反力作用要大于吸力作用，才能保证衔铁可靠释放。实际使用中，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的配合，有助于电器在控制系统中发挥良好的性能。

图1-7 吸力特性和反力特性

1—直流吸力特性 2—交流吸力特性 3—反力特性

1.2.2 触点系统

触点是低压电磁式电器的执行部分，起通、断电路的作用。在有触点的电气元器件中，基本功能是靠触点来完成的。因此，要求使用导电、导热及耐磨性良好的金属材料做触点，故应考虑其材质和结构设计。对于电流容量较小的低压电器，如微型的继电器，常采用银质材料作触点。其优点是银的氧化膜电阻率与纯银相近，与其他材质（比如铜）相比，可以避免因长时间工作，触点表面氧化膜电阻率增加而造成触点接触电阻增大，有较低而稳定的接触电阻。对于大中容量的低压电器，一般采用铜质材料，避免或减少触点表面氧化物，保持触点清洁。

触点可分为动触点和静触点，与机械装置联动的触点称为动触点，固定不动的触点称为静触点。电磁式电器在线圈未通电时，触点有常开（动合）和常闭（动断）两种触点。原始状态下，常开触点是断开状态，动触点与静触点处于断开状态。常闭触点中动触点和静触点处于闭合状态。当线圈通电时，常开触点改变状态，动触点与静触点闭合，接通电路。常闭触点中动触点与静触点断开，使得电路断开。

触点的接触形式有三种：点接触、面接触和线接触。点接触是半球形与半球形或半球形与平面形接触，适用于电流小、触点压力小的电器中，如图1-8a所示；面接触是平面对平面，适用于大电流的场合，如图1-8b所示；线接触是圆柱形对圆柱形或圆柱形对平面形，适用于电流较大、触点分合频繁的场合。线接触其触点在接触过程中是滚动动作，如图1-8c所示。开始接触时，动触点和静触点在A点接触，靠弹簧的压力，触点由A点经B点滚动到C点。闭合状态下，长期工作在C点。断开时运动过程与闭合时相反。动触点滚动的过程中产生摩擦，可以自动清除触点表面的氧化膜。

图1-8 触点接触形式

触点的结构类型有两种，分为桥式触点和指形触点。桥式触点如图1-9a和图1-9b所示，多为点接触和面接触，图中桥式触点为常开触点。当线圈通电后，动触点跟随衔铁向铁心运动，与静触点接触，接通电路。图1-9c为指形触点，触点闭合、断开的过程中有滚滑运动，可自动清除触点表面氧化物，多作为接触器的主触点使用。

图1-9 触点结构形式

1.2.3 灭弧装置

触点由闭合到断开时，触点间间隙较小，电场强度极大，金属触点内部电荷在电场力作用下产生大量运动的带电粒子，形成电子流产生电弧，出现放电现象。电弧伴随高温、高热和强光，会烧毁触点，使电路不能正常通断，发生故障。要保证电路与电气元器件的安全工作，对切换较大电流的触点系统，必须采取有效的灭弧措施。要熄灭电弧，必须降低电弧的温度和电磁强度。降低电弧温度可增大散热面积，将电弧与冷却介质接触。增大触点间隙，增大电弧长度，可降低电磁强度。常用的灭弧方法有电动力灭弧、栅片灭弧、磁吹式灭弧及灭弧罩。

1.电动力灭弧

电动力灭弧如图1-10所示，当触点断开时，触点间产生电子流。电流在触点间隙中产生磁通方向垂直纸面向里的磁场。利用法拉利电磁感应定律左手定则，触点间的电弧受到力F的作用将电弧从触点间向外拉伸，使其迅速冷却熄灭。

2.栅片灭弧

灭弧栅片是一些片间距离2～3mm的绝缘镀铜钢片组成，如图1-11所示。当电弧产生后，会受到力F的作用被拉入到栅片中，被分割成一段一段的短弧。当短弧的交流电压过零时，电弧熄灭。电弧熄灭后很难重燃，重燃需要相邻栅片间必须要有150～250V的电压降限制条件，而且栅片具有散热作用，能够很快带走电弧上的热量。

图1-10 电动力灭弧

1—静触点 2—动触点 3—电弧

图1-11 栅片灭弧

1—触点 2—灭弧栅片 3—电弧

3.磁吹式灭弧

利用电弧电流本身灭弧，电弧电流越大，灭弧能力也越强。磁吹式灭弧如图1-12所示。在触点电路中串入磁吹线圈3，该线圈产生的磁通经过导磁夹板4引向触点7和9周围，根据右手定则在电弧处磁通方向为。触点电弧产生的磁通方向在电弧下方为，电弧上方为⊙。在电弧下方两个磁通是相加的，而在电弧上方是彼此相减的。在磁场作用下产生向上运动的力F将电弧拉长，经引弧角6引入灭弧罩5中，电弧被拉长并受到冷却而很快被熄灭，这种方式广泛应用于直流灭弧装置中，如直流接触器中。

4.灭弧罩

灭弧罩利用窄缝实现灭弧，如图1-13所示。灭弧罩中有多条上窄下宽的纵缝，当触点

图1-12 磁吹式灭弧

1—铁心 2—绝缘管 3—磁吹线圈 4—导磁夹板 5—灭弧罩 6—引弧角 7—动触点 8—电弧 9—静触点

图1-13 窄缝灭弧

断开时，电弧受到力的作用进入纵缝中，电弧被分割成若干短弧。同时，短弧的直径在纵缝中不断被压缩，使得电弧与灭弧罩纵缝紧密接触。灭弧罩通常用耐热陶土、石棉水泥或耐热塑料等材料制成。灭弧罩能冷却电弧，快速熄灭电弧。