1.2 電磁式低壓電器的結構及工作原理

電氣控制系統中以電磁式電器的應用最為普遍。電磁式低壓電器是利用電磁感應原理實現電器功能的電器類型，此類電器在工作原理及結構組成上大體相同。接觸器和繼電器是控制系統中最常用的兩種電磁式低壓電器，其結構由電磁機構、觸點系統以及滅弧裝置三部分組成。

1.2.1 電磁機構

電磁機構由線圈、鐵心（靜鐵心）、銜鐵（動鐵心）及氣隙組成。銜鐵與受控電路的觸點系統相連。在線圈中通以一定的電壓或電流產生勵磁信號，鐵心中就會產生磁場，并通過氣隙轉化成機械能，從而吸引銜鐵，帶動觸點系統斷開或接通受控電路。通過電磁感應原理將電能轉化成機械能。

1.電磁機構的結構

常用電磁機構的結構如圖1-1所示。根據結構的不同存在多種分類方法。

（1）按銜鐵的運動方式分類

銜鐵沿棱角轉動的拍合式鐵心，如圖1-1a所示。銜鐵繞靜鐵心的棱角轉動，磨損較小，鐵心用軟鐵制成，適用于直流接觸器和繼電器。

銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵心，如圖1-1b所示。銜鐵繞軸轉動，鐵心用硅鋼片疊成，常用于較大容量的交流接觸器中。

銜鐵作直線運動的直動式鐵心，如圖1-1c所示。銜鐵在磁力作用下直線運動，較多用于中小容量的交流接觸器和繼電器中。

圖1-1 常用電磁機構結構

1-銜鐵 2-鐵心 3-線圈

（2）按鐵心形狀分類

按鐵心形狀分為圖1-1a所示的U形和圖1-1b所示的E形。

（3）按勵磁線圈的通電種類分類

按勵磁線圈的通電種類分為交流勵磁線圈和直流勵磁線圈。交流勵磁線圈通以交流電時，為了減小因渦流造成的能量損耗和溫升，鐵心和銜鐵需用硅鋼片疊成；對于直流勵磁線圈，鐵心和銜鐵可以用整塊電工軟鋼做成。

（4）按勵磁線圈的連接方式分類

按照勵磁線圈的連接方式，可分為并聯和串聯。并聯于電路工作的勵磁線圈稱為電壓線圈，如圖1-2所示。線圈的匝數多，阻抗大，電流小，常用絕緣較好的電線繞制。

串聯于電路工作的勵磁線圈稱為電流線圈，如圖1-3所示。線圈的匝數少，阻抗小。銜鐵動作與否取決于線圈中電流的大小，銜鐵動作不改變線圈中的電流大小。

圖1-2 電壓線圈

圖1-3 電流線圈

2.電磁機構的工作原理

勵磁線圈通電以后，作用在銜鐵上的力有電磁吸力和反力。鐵心吸引銜鐵帶動觸點改變電路通斷狀態的力稱為電磁吸力。而反力則是由釋放彈簧和觸點彈簧所產生的力。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。電磁機構的工作特性常用吸力特性和反力特性來表示。

（1）吸力特性

電磁機構的吸力與很多因素有關，當氣隙δ比較小時，吸力可按下式近似求得：

F=4B²S×10⁵ （1-1）

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

當吸力處端面積S為常數時，電磁吸力F與氣隙磁通密度的二次方B²成正比，也可認為F與磁通的二次方Φ²成正比。即

F∝Φ² （1-2）

電磁機構的吸力特性反應的是電磁吸力與氣隙的關系。勵磁線圈中電流的種類不同，吸力特性也不同。

1）交流電磁機構的吸力特性。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?。?，那么

U≈E=4.44fΦN（1-3）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。

交流勵磁時，電壓、磁通都會隨時間作周期性變化，所以電磁吸力也會做周期性變化。式（1-3）中，當頻率f、匝數N和外加電壓U都為常數時，Φ也為常數，所以電磁吸力F也為常數，這里是指其幅值不變。電磁吸力F與氣隙δ沒有關系，但實際上，吸力F隨氣隙δ的減小略有增加，其吸力特性如圖1-4所示。根據磁路定律，交流勵磁線圈的電流I與氣隙δ成正比。在交流電磁機構中，勵磁線圈通電而銜鐵尚未動作時，電流會達到吸合后額定電流的幾倍甚至幾十倍。如果銜鐵過度頻繁地動作或者卡住不吸合，勵磁線圈很可能會燒毀。所以在一些操作比較頻繁或性能要求比較高的場合，不適合使用交流電磁機構。

2）直流電磁機構的吸力特性。對于直流電磁機構，當外加電壓恒定時，勵磁電路電流僅與線圈電阻有關，不受氣隙變化的影響，即

式中，I為線圈電流（A）；U為外加電壓（V）；R為直流電阻（Ω）。

當電壓恒定時，磁通Φ與氣隙δ有關，即

式中，N為線圈匝數；R_m為磁阻（H^-1）；μ₀為真空磁導率（H/m）；δ為氣隙（mm）；S為吸力處端面積（m²）。所以，直流電磁機構的吸力F與氣隙δ的二次方成反比，即

其吸力特性如圖1-5所示。

圖1-4 交流電磁機構的吸力特性

圖1-5 直流電磁機構的吸力特性

直流電磁機構中，勵磁線圈通電銜鐵閉合前后，只要外加電壓恒定，則電流不變。因此，直流電磁機構適合在一些動作比較頻繁的場合、性能要求比較高的場合使用。但當勵磁線圈斷電時，I×N急速下降至0，電磁機構中磁通急速變化在勵磁線圈中產生較大的反電動勢，易使線圈過電壓燒毀。解決方法是可以在勵磁線圈上并聯一電阻，當勵磁線圈斷電以后，勵磁線圈和電阻形成放電電路，將磁場中的能量轉化為電阻上的熱能消耗掉，避免產生過電壓現象。電阻R在電路長期正常通電工作時會產生能量損耗，此時，要與電阻串聯一個二極管，在正常工作時放電電路不工作，如圖1-6所示。

圖1-6 直流線圈上并聯放電回路

（2）反力特性

電磁機構使銜鐵釋放的力有兩種，一種是彈簧的反力；另一種是銜鐵自身的重力。彈簧反力與其形變位移成正比。自重的反力與氣隙的大小無關。反力特性如圖1-7中曲線3所示。為了保證使銜鐵能牢牢吸合，反作用力特性必須與吸力特性配合好。吸合過程中，吸力作用要大于反力作用，但也不能過大或過小。吸力過大時，沖力也大，易損壞觸點和銜鐵，影響電器的使用壽命。吸力過小時，沖力不足，銜鐵運動速度過慢，難以滿足高頻通斷電路的要求。釋放過程中，反力作用要大于吸力作用，才能保證銜鐵可靠釋放。實際使用中，可調整反力彈簧或觸點初壓力以改變反力特性，使之與吸力特性有良好的配合，有助于電器在控制系統中發揮良好的性能。

圖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 觸點系統

觸點是低壓電磁式電器的執行部分，起通、斷電路的作用。在有觸點的電氣元器件中，基本功能是靠觸點來完成的。因此，要求使用導電、導熱及耐磨性良好的金屬材料做觸點，故應考慮其材質和結構設計。對于電流容量較小的低壓電器，如微型的繼電器，常采用銀質材料作觸點。其優點是銀的氧化膜電阻率與純銀相近，與其他材質（比如銅）相比，可以避免因長時間工作，觸點表面氧化膜電阻率增加而造成觸點接觸電阻增大，有較低而穩定的接觸電阻。對于大中容量的低壓電器，一般采用銅質材料，避免或減少觸點表面氧化物，保持觸點清潔。

觸點可分為動觸點和靜觸點，與機械裝置聯動的觸點稱為動觸點，固定不動的觸點稱為靜觸點。電磁式電器在線圈未通電時，觸點有常開（動合）和常閉（動斷）兩種觸點。原始狀態下，常開觸點是斷開狀態，動觸點與靜觸點處于斷開狀態。常閉觸點中動觸點和靜觸點處于閉合狀態。當線圈通電時，常開觸點改變狀態，動觸點與靜觸點閉合，接通電路。常閉觸點中動觸點與靜觸點斷開，使得電路斷開。

觸點的接觸形式有三種：點接觸、面接觸和線接觸。點接觸是半球形與半球形或半球形與平面形接觸，適用于電流小、觸點壓力小的電器中，如圖1-8a所示；面接觸是平面對平面，適用于大電流的場合，如圖1-8b所示；線接觸是圓柱形對圓柱形或圓柱形對平面形，適用于電流較大、觸點分合頻繁的場合。線接觸其觸點在接觸過程中是滾動動作，如圖1-8c所示。開始接觸時，動觸點和靜觸點在A點接觸，靠彈簧的壓力，觸點由A點經B點滾動到C點。閉合狀態下，長期工作在C點。斷開時運動過程與閉合時相反。動觸點滾動的過程中產生摩擦，可以自動清除觸點表面的氧化膜。

圖1-8 觸點接觸形式

觸點的結構類型有兩種，分為橋式觸點和指形觸點。橋式觸點如圖1-9a和圖1-9b所示，多為點接觸和面接觸，圖中橋式觸點為常開觸點。當線圈通電后，動觸點跟隨銜鐵向鐵心運動，與靜觸點接觸，接通電路。圖1-9c為指形觸點，觸點閉合、斷開的過程中有滾滑運動，可自動清除觸點表面氧化物，多作為接觸器的主觸點使用。

圖1-9 觸點結構形式

1.2.3 滅弧裝置

觸點由閉合到斷開時，觸點間間隙較小，電場強度極大，金屬觸點內部電荷在電場力作用下產生大量運動的帶電粒子，形成電子流產生電弧，出現放電現象。電弧伴隨高溫、高熱和強光，會燒毀觸點，使電路不能正常通斷，發生故障。要保證電路與電氣元器件的安全工作，對切換較大電流的觸點系統，必須采取有效的滅弧措施。要熄滅電弧，必須降低電弧的溫度和電磁強度。降低電弧溫度可增大散熱面積，將電弧與冷卻介質接觸。增大觸點間隙，增大電弧長度，可降低電磁強度。常用的滅弧方法有電動力滅弧、柵片滅弧、磁吹式滅弧及滅弧罩。

1.電動力滅弧

電動力滅弧如圖1-10所示，當觸點斷開時，觸點間產生電子流。電流在觸點間隙中產生磁通方向垂直紙面向里的磁場。利用法拉利電磁感應定律左手定則，觸點間的電弧受到力F的作用將電弧從觸點間向外拉伸，使其迅速冷卻熄滅。

2.柵片滅弧

滅弧柵片是一些片間距離2～3mm的絕緣鍍銅鋼片組成，如圖1-11所示。當電弧產生后，會受到力F的作用被拉入到柵片中，被分割成一段一段的短弧。當短弧的交流電壓過零時，電弧熄滅。電弧熄滅后很難重燃，重燃需要相鄰柵片間必須要有150～250V的電壓降限制條件，而且柵片具有散熱作用，能夠很快帶走電弧上的熱量。

圖1-10 電動力滅弧

1—靜觸點 2—動觸點 3—電弧

圖1-11 柵片滅弧

1—觸點 2—滅弧柵片 3—電弧

3.磁吹式滅弧

利用電弧電流本身滅弧，電弧電流越大，滅弧能力也越強。磁吹式滅弧如圖1-12所示。在觸點電路中串入磁吹線圈3，該線圈產生的磁通經過導磁夾板4引向觸點7和9周圍，根據右手定則在電弧處磁通方向為。觸點電弧產生的磁通方向在電弧下方為，電弧上方為⊙。在電弧下方兩個磁通是相加的，而在電弧上方是彼此相減的。在磁場作用下產生向上運動的力F將電弧拉長，經引弧角6引入滅弧罩5中，電弧被拉長并受到冷卻而很快被熄滅，這種方式廣泛應用于直流滅弧裝置中，如直流接觸器中。

4.滅弧罩

滅弧罩利用窄縫實現滅弧，如圖1-13所示。滅弧罩中有多條上窄下寬的縱縫，當觸點

圖1-12 磁吹式滅弧

1—鐵心 2—絕緣管 3—磁吹線圈 4—導磁夾板 5—滅弧罩 6—引弧角 7—動觸點 8—電弧 9—靜觸點

圖1-13 窄縫滅弧

斷開時，電弧受到力的作用進入縱縫中，電弧被分割成若干短弧。同時，短弧的直徑在縱縫中不斷被壓縮，使得電弧與滅弧罩縱縫緊密接觸。滅弧罩通常用耐熱陶土、石棉水泥或耐熱塑料等材料制成。滅弧罩能冷卻電弧，快速熄滅電弧。