1.2.3 電磁機構

電磁機構是電磁式繼電器、接觸器和斷路器等的主要組成部件之一，其工作原理是將電磁能轉換成機械能，從而帶動觸頭動作。如前所述，電磁機構的線圈整體可視為一個電路，“線圈”是“輸入電路”，“觸頭”是輸出電路。

1.2.3.1 電磁機構的結構形式

電磁機構由吸引線圈（勵磁線圈）和磁路兩個部分組成。磁路包括鐵心、鐵軛、銜鐵和空氣隙。吸引線圈通以一定的電壓或電流產生激勵磁場及吸力，并通過氣隙轉換為機械能，從而帶動銜鐵運動，使觸頭動作，以完成觸頭的斷開和閉合。圖1-9是幾種常用的電磁機構結構型式示意圖。

圖1-9a、b和c所示的銜鐵是做直線運動的直動式鐵心，銜鐵在磁力作用下直線運動，這種結構主要用于中小容量交流接觸器和繼電器中。

圖1-9d所示的銜鐵是沿棱角轉動的拍合式鐵心，其銜鐵繞鐵軛的棱角轉動，磨損較小，鐵心一般用電工軟鐵制成，適用于繼電器。在圖1-9f所示的產品實物中可清楚地看到拍合式鐵心的實際結構。

圖1-9e所示的銜鐵是沿軸轉動的拍合式鐵心，其銜鐵繞軸而轉動，鐵心一般用硅鋼片疊成，常用于較大容量的交流接觸器。

吸引線圈按其通電種類可分為交流電磁線圈和直流電磁線圈。對于交流電磁線圈，當通交流電時，為了減小因渦流造成的能量損失和溫升，鐵心和銜鐵用硅鋼片疊成。對于直流電磁線圈，鐵心和銜鐵用整塊電工軟鐵做成。當線圈做成并聯于電源工作的線圈時，稱為電壓線圈，它的特點是匝數多，線徑較細。當線圈做成串聯于電路工作的線圈時，稱為電流線圈，它的特點是匝數少，線徑較粗。

1.2.3.2 電磁機構的工作原理

電磁機構的工作特性常用吸力特性和反力特性來表達。電磁機構使銜鐵吸合的力與氣隙的關系曲線稱為吸力特性。電磁機構使銜鐵釋放（復位）的力與氣隙的關系曲線稱為反力特性。

1.反力特性

電磁機構使銜鐵釋放的力一般有兩種：一是利用彈簧的反力；二是利用銜鐵的自身重力。

2.吸力特性

電磁機構的吸力與很多因素有關，當鐵心與銜鐵端面互相平行，且氣隙δ比較小，吸力可近似地按下式求得：

式中，B為氣隙磁通密度（T）；S為吸力處端面積（m2）；F_m為電磁吸力的最大值（N）。

在計算F時，可只考慮吸力的平均值，即F=0.5F_m。當端面積S為常數時，吸力F與磁通密度B的二次方成正比，也可認為F與磁通Φ的二次方成正比，而反比于端面積S，即

電磁機構的吸力特性反映了電磁吸力與氣隙的關系，而勵磁電流的種類不同，其吸力特性也不一樣，即交、直流電磁機構的電磁吸力特性是不同的。交流電磁機構勵磁線圈的阻抗主要取決于線圈的電抗（電阻相對很小），則

式中，U為線圈電壓（V）；E為線圈感應電動勢（V）；f為線圈外加電壓的頻率（Hz）；Φ為氣隙磁通（Wb）；N為線圈匝數。

（1）交流電磁機構的吸力特性

當頻率f、匝數N和外加電壓U都為常數時，由式（1-4）可知，磁通Φ也為常數。由式（1-3）可知，此時電磁吸力F為常數，這是因為交流勵磁時，電壓、磁通都隨時間做周期性變化，其電磁吸力也做周期性變化。因此，此處F為常數是指電磁吸力的幅值不變。由于線圈外加電壓U與氣隙δ的變化無關，所以其吸力F也與氣隙δ的大小無關。實際上，考慮到漏磁通的影響，吸力F隨氣隙δ的減小略有增加。其吸力特性如圖1-10所示。

雖然交流電磁機構的氣隙磁通Φ近似不變，但氣隙磁阻隨氣隙長度δ而變化。根據磁路定律，有

式中，N為線圈匝數；R_m為磁阻（Ω）；μ₀為真空磁導率；δ為氣隙（mm）；S為吸力處端面積（m2）。

由式（1-5）可知，交流電磁機構勵磁線圈的電流I與氣隙δ成正比。在吸合過程中，線圈中電流（有效值）變化很大，因為其中電流不僅與線圈電阻有關，還與線圈感抗有關。在吸合過程中，隨著氣隙的減小，磁阻減小，線圈的電感增大，因而電流逐漸減小。因此，如果銜鐵或機械可動部分被卡住或者頻繁動作，通電后銜鐵吸合不上，線圈中就流過較大電流而使線圈嚴重發熱，甚至燒毀。一般U型交流電磁機構的勵磁線圈通電而銜鐵尚未動作時，其電流可達到吸合后額定電流的5～6倍；E型電磁機構則達到10～15倍額定電流，線圈很可能因過電流而燒毀。所以在可靠性要求高或操作頻繁的場合，一般不采用交流電磁機構。

（2）直流電磁機構的吸力特性

直流電磁機構由直流電流勵磁，勵磁電流不受氣隙變化的影響，即其磁動勢NI不受氣隙變化的影響，可用下式表達：

由式（1-6）可知，直流電磁機構的吸力F與氣隙δ的二次方成反比，吸力特性如圖1-11所示。

在直流電磁機構中，勵磁電流僅與線圈電阻有關，不因氣隙的大小而變，銜鐵閉合前后吸力變化很大，氣隙越小，吸力越大。由于銜鐵閉合前后勵磁線圈的電流不變，所以直流電磁機構適用于動作頻繁的場合，且吸合后電磁吸力大，工作可靠性好。但是，當直流電磁機構的勵磁線圈斷電時，磁動勢就由NI急速變為接近于零。電磁機構的磁通也發生相應的急速變化，因而就會在勵磁線圈中感生很大的反電動勢。此反電動勢可達線圈額定電壓的10～20倍，很容易使線圈因過電壓而損壞。為減小此反電動勢，通常在勵磁線圈上并聯一個放電回路，由電阻R和一個硅二極管組成，如圖1-12所示。

這樣，當線圈斷電時，放電電路使原先存儲于磁場中的能量消耗在電阻上，而不致產生過電壓。通常，放電電阻的電阻值可取線圈直流電阻的6～8倍。

3.吸力特性與反力特性的配合

電磁機構欲使銜鐵吸合，在整個吸合過程中，吸力都必須大于反力；但也不能過大，否則會影響電器的機械壽命。反映在特性圖上，就是要保證吸力特性在反力特性的上方。由于鐵磁物質有剩磁，它使電磁機構的勵磁線圈失電后仍有一定的磁性吸力存在，剩磁的吸力隨氣隙δ的增大而減小。所以，當切斷電磁機構的勵磁電流以釋放銜鐵時，其反力特性必須大于剩磁吸力，才能保證銜鐵可靠釋放。所以在特性圖上，電磁機構的反力特性必須介于電磁吸力特性和剩磁特性之間，如圖1-13所示。

在實際使用中，無論是直流還是交流操作，只要線圈兩端電壓大于釋放電壓，閉合狀態的電磁機構都會產生大于反力彈簧反力的吸力，直流電磁機構尤為突出，但對于交流電磁鐵來說，鐵心中的磁通量及吸力是一個周期函數，吸力在零與最大值F_m之間脈動，并包括兩個分量，即直流分量和頻率為2倍電網頻率（2ω）的正弦分量，而吸力總是正的，在磁通每次過零時，即t=0、π/2、T（T為磁通的周期）時，吸力為零，見圖1-14中的波形圖，此時彈簧反力大于電磁吸力，電磁機構釋放，而在π/2～T之間，吸力又大于反力，動鐵心使電磁機構重新吸合。這樣，在f=50Hz時，每周期內銜鐵吸力要兩次過零，電磁機構就出現了頻率為100Hz的持續抖動與撞擊，產生相當大的噪聲，嚴重時將使鐵心損壞，顯然這是不允許存在的。為了避免銜鐵振動，通常在鐵心端面上裝一個用銅制成的分磁環或稱短路環，如圖1-14所示。

短路環就像是一匝兩端接在一起的線圈。短路環把端面S分成環內部分S₁與環外部分S₂（S=S₁+S₂）兩部分。短路環僅包圍了主磁通Φ的一部分。這樣，鐵心中有兩個不同相位的磁通Φ₁和Φ₂，電磁機構的總吸力將是F₁和F₂之和，只要合力始終大于反力，銜鐵的振動現象就會消除。

4.繼電邏輯特性

繼電器（接觸器）等的電磁機構的輸入-輸出關系，以及其觸頭狀態的轉換稱為繼電特性，如圖1-15所示。

設電磁機構線圈的電壓（或電流）為輸入量x，銜鐵位置為輸出量y，則銜鐵吸合位置為y₁，釋放位置為y₀。銜鐵吸合的最小輸入量為x₁，稱為電磁機構的最小動作值；銜鐵釋放的最大輸入量為x₀，稱為電磁機構的最大返回值。當輸入量x＜x₁時銜鐵不動作，其輸出量y=0；當x=x₁時，銜鐵吸合，輸出量y從“0”躍變為“1”；再進一步增大輸入量使x＞x₁，則輸出量仍為y=l。當輸入量x從x₁減小時，在x＞x₀的過程中，雖然吸力特性向下降低，但因銜鐵吸合狀態下的吸力仍比反力大，所以銜鐵不會釋放，輸出量y=1。當x=x₀時，因吸力小于反力，銜鐵才釋放，輸出量（觸頭狀態轉換）由“l”突變為“0”；再減小輸入量，輸出量仍為“0”。可見，電磁機構的輸入-輸出特性或繼電特性為一矩形階躍曲線。電磁機構的繼電邏輯特性決定了電器控制電路的繼電邏輯功能，繼電邏輯特性也稱為邏輯變量，從控制角度說，也就實現了“0”或“1”的轉換，即“開”或“關”的轉換。因此，繼電邏輯控制電路的狀態邏輯函數總是等于“1”，否則就是錯誤的，或在未帶電狀態。

繼電器（接觸器）的釋放值與吸合值之比稱為繼電器的返回系數K_f，它是繼電器（接觸器）的重要參數之一。欲使繼電器（接觸器）吸合，輸入量必須等于或大于吸合值；欲使繼電器（接觸器）釋放，輸入量必須等于或小于釋放值。繼電器（接觸器）的另一個重要參數是吸合時間和釋放時間。吸合時間是指從線圈接收電信號到銜鐵完全吸合所需的時間；釋放時間是指從線圈失電到銜鐵完全釋放所需的時間。一般繼電器（接觸器）的吸合時間與釋放時間為0.05～0.15s，快速繼電器為0.005～0.05s，它的大小影響繼電器（接觸器）的操作頻率。