1.2 电磁式低压电器的基础知识

电磁式电器在电气控制线路中的使用量较大，其类型也很多，但各类电磁式电器在工作原理和结构上基本相同。从结构上看，电器一般都由两个基本组成部分构成，即感测部分和执行部分。感测部分接收外界输入的信号，并通过转换、放大、判断，做出有规律的反应；而执行部分则根据指令信号，输出相应的指令，执行电路的通、断控制，实现控制目的。对于电磁式电器，感测部分由电磁机构构成，而执行部分则由触点系统构成。

1.2.1 电磁机构

电磁机构是电磁式电器的重要组成部分之一，其作用是将电磁能转换成机械能，带动触点闭合或断开，实现对电路的接通与分断控制。

1.电磁机构的结构及工作原理

电磁机构由吸引线圈、铁芯（静铁芯）、衔铁（动铁芯）、铁轭和空气隙等部分组成。其中吸引线圈、铁芯是静止不动的，只有衔铁是可动的。其作用原理是：当线圈中有电流通过时，产生电磁吸力，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使衔铁与铁芯闭合，衔铁带动连接机构运动，从而带动相应的触点动作，完成对接通与分断电路的控制。常用的电磁机构的结构如图1.1所示。

电磁机构一般有如下三种分类方法。

1）按衔铁的运动方式分类

（1）衔铁绕棱角转动拍合式，如图1.1（a）所示。衔铁绕铁轭的棱角而转动，磨损较小。铁芯用软铁，适用于直流接触器和继电器。

（2）衔铁绕轴转动拍合式，如图1.1（b）所示。衔铁绕固定轴转动，铁芯用硅钢片叠成，适用于交流接触器。

（3）衔铁直线运动式，如图1.1（c）所示。衔铁在线圈内作直线运动。多用于交流接触器和继电器。

2）按电磁系统形状分类

电磁机构按照铁芯的形状可分为U形和E形，如图1.1所示。

3）按线圈的连接方式分类

电磁机构按照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两种，如图1.2所示。

（1）串联电磁机构。电磁机构的线圈串联于电路中，如图1.2（a）所示。串联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小，而衔铁的动作不会引起线圈中电流的变化。这种接入方式的线圈又称为电流线圈，具有这种电磁机构的电器都属于电流型电器。为了不影响电路中负载的端电压和电流，要求线圈的内阻很小，因此，串联电磁机构的线圈导线截面积较大，且线圈匝数较少。

（2）并联电磁机构。电磁机构的线圈并联于电路中，如图1.2（b）所示。并联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈两端的电压大小，这种接入方式的线圈又称为电压线圈，具有这种电磁机构的电器均属于电压型电器。

电磁铁按吸引线圈通电电流的性质不同可分为直流电磁铁与交流电磁铁。直流电磁铁的铁芯由整块铸铁构成，而交流电磁铁的铁芯则用硅钢片叠成，以减小铁损（磁滞损耗及涡流损耗）。

在实际应用中，由于直流电磁铁仅有线圈发热，所以线圈匝数多、导线细，制成细长型，且不设线圈骨架，线圈与铁芯直接接触，利于线圈的散热。而交流电磁铁由于铁芯和线圈均发热，所以线圈匝数少、导线粗，制成短粗型，吸引线圈设有骨架，且铁芯与线圈隔离，利于铁芯和线圈的散热。

2.电磁机构的工作特性

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示，两者之间的配合关系将直接影响电磁式电器的工作可靠性。

1）吸力特性

电磁机构的电磁吸力与工作气隙的关系称为吸力特性。电磁铁的吸力公式为：

式中，F——电磁吸力（N）；B——工作气隙中磁感应强度（T）；S——铁芯截面积（m2）。

由上式可知：当S一定时，F∝B2，也就是F∝Φ2，其中Φ为气隙磁通。因此，励磁电流的种类不同，吸力特性也将不同。下面就交流电磁机构和直流电磁机构的吸力特性分别进行说明。

（1）交流电磁机构的吸力特性：假设线圈电压 U不变，则 U≈E=4.44fΦN，Φ=U/4.44fN，式中E为线圈感应电动势，f为电源频率，Φ为气隙磁通，N为线圈匝数。当U、f、N为常数时，Φ为常数，则F也为常数，即F与气隙的大小δ无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，F随着δ的减小而略有增大。由于Φ不变，则流过线圈的电流I随气隙磁阻（即随气隙大小δ）的变化成正比例变化，其电磁机构的吸力特性如图1.3所示。

（2）直流电磁机构的吸力特性：对于直流线圈，当电压U及线圈电阻R不变时，流过线圈的电流I不变。由磁路定律Φ=IN/Rm可知（式中Rm为气隙磁阻），F∝Φ2∝1/R2m∝1/δ2，即电磁吸力F与气隙大小δ的平方成反比。直流电磁机构的吸力特性如图1.4所示。

由以上分析可以看出，直流电磁机构的吸力与气隙大小的平方成反比，而交流电磁机构的吸力与气隙的大小无关。因此，直流电磁机构的吸力特性曲线比交流电磁机构的吸力特性曲线要陡。

2）反力特性

电磁机构的反作用力与工作气隙的关系称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。在忽略电磁机构运动部件重力的情况下，电磁机构的反作用力主要由释放弹簧和触点弹簧的反作用力构成，用F表示。由于弹簧的作用力与其长度成线性关系，所以反力特性曲线都是直线段，如图1.5中的曲线3所示。δ1为气隙的最大值，此时对应的动、静触点之间的距离称为触点开距，也称为触点行程。在衔铁闭合过程中，当气隙由δ1开始减小时，反力逐渐增大，如曲线3中的ɑb段所示，这一段表现为释放弹簧的反力变化。当气隙减小到δ2位置时，动、静触点刚刚接触。由于触点弹簧预先被压缩了一段，因而当动、静触点刚刚接触时触点弹簧会产生一个压力，称为初压力。此时初压力作用到衔铁上，反力突增，曲线也突变，如曲线3中的bc段所示，这一段表现为触点弹簧的初压力变化。当气隙由δ2再减小时，释放弹簧与触点弹簧同时起作用，使反力变化增大。气隙越小触点压得越紧，反力越大，线段越陡，如曲线3中的cd段所示。

触点弹簧压缩的距离称为触点的超行程，即从静、动触点刚开始接触到触点压紧而动触点向前压紧的距离。触点完全闭合后动触点已不再向前运动时的触点压力称为终压力。

由以上分析可以看出，气隙减小的过程就是触点闭合的过程。触点开距、超行程、初压力、终压力是触点的四个主要参数。触点开距将保证断开电弧和在规定的试验电压下不被击穿；超行程是保证触点的可靠接触所必不可少的；初压力主要是为了限制并防止触点在刚接触时发生机械振动；终压力是为了保证触点在闭合状态下接触电阻较小，使触点的温升不超过允许临界值。

改变释放弹簧的松紧，可以改变反力特性曲线的位置。若将释放弹簧调紧，则反力特性曲线上移；若将释放弹簧调松，则反力特性曲线下移。

3）电磁机构的吸力特性与反力特性的配合关系

对电磁机构的吸力特性与反力特性要进行适当的配合，以便保证衔铁产生可靠吸合动作的前提下能尽量减少衔铁和铁芯柱端面间的机械磨损和触点间的电磨损。因此，在整个吸合过程中，吸力都应大于反作用力，即吸力特性曲线高于反力特性曲线，但吸力不能过大或过小。

吸力过大时会产生很大的冲击力，使衔铁与铁芯柱端面造成严重的机械磨损。此外，过大的冲击力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。吸力过小时可能使衔铁无法吸合而导致线圈严重过热乃至烧坏，即使衔铁能够吸合也会使衔铁运动速度降低，难以满足电器高频率操作的要求。

在实际应用中，可通过调整释放弹簧或触点初压力来改变反力特性，使之与吸力特性有良好的配合。

4）交流电磁机构的短路环

对于单相交流电磁机构，通常在铁芯和衔铁的端面上开一个槽，在槽内安置一个铜制的短路环（也叫分磁环），如图1.6所示。这是因为在电磁机构的磁场中，磁感应强度按正弦规律变化，即B=Bmsinωt，由式（1.1）可知，吸力F将在最大值与零之间变化，而电磁机构在工作过程中，衔铁始终受到反作用力的作用，当反作用力大于吸力F时，衔铁被拉开；而当吸力大于反作用力时，衔铁又吸合，在如此反复循环的过程中，衔铁将会产生强烈的振动和噪声。因此，必须采取措施，消除振动和噪声。

在铁芯端面装设短路环后，气隙磁通Φ分为两部分，即不穿过短路环的Φ1和穿过短路环的Φ2，且Φ2滞后于Φ1。它们不仅相位不同而且幅值也不一样，如图1.7所示。由这两个磁通产生的电磁力F1与F2在不同时刻过零点，如果短路环设计得比较合理，使Φ1、Φ2的相位φ相差90°，并且F1、F2的大小近似相等，则合成的磁力曲线就会相当平坦。只要最小吸力大于反作用力，那么衔铁将会牢牢地被吸住，不会产生振动和噪声。

1.2.2 触点系统

触点系统是电器的执行机构，电器通过触点的动作来分、合被控制的电路。因此，触点系统的好坏直接影响整个电器的工作性能。影响触点工作情况的主要因素是触点的接触电阻，因为接触电阻大，易使触点发热导致温度升高，从而使触点易产生熔焊现象，这样既影响工作的可靠性又降低了触点的使用寿命。触点的接触电阻不仅与触点的接触形式有关，而且还与接触压力、触点材料及触点表面状况有关。

1.触点材料

为使触点具有良好的接触性能，触点通常采用铜质材料制成。但在使用过程中，铜的表面容易氧化而生成一层氧化膜，使触点接触电阻增大，容易引起触点过热，影响电器的使用寿命。因此，对于电流容量较小的电器，常采用银质材料作为触点材料，因为银的氧化膜电阻率与纯银相似，从而避免触点表面氧化膜电阻率增加而造成触点接触不良。另外，材料的电阻系数越小，接触电阻也越小。在金属中银的电阻系数最小，但银比铜的价格高，实际生产中常在铜基触点上镀银或嵌银，以减小接触电阻。

2.触点的接触形式

触点的接触形式有点接触、线接触和面接触三种，如图1.8所示。

如图1.8（a）所示为点接触，由两个半球或一个半球与一个平面形触点构成。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，所以它常用于电流较小的电器中，如继电器的触点和接触器的辅助触点。如图1.8（b）所示为线接触，由两个圆柱面形触点构成，又称为指形触点。它的接触区域是一条直线或一条窄面，允许通过的电流较大，常用于中等容量接触器的主触点。由于这种接触形式在电路的通断过程中是滑动接触的，如图1.9所示，接通时，接触点由A→B→C变化；断开时，接触点则由C→B→A变化，这样就可以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。如图1.8（c）所示为面接触，由两个平面形触点构成。由于接触区域有一定的面积，因此可以通过很大的电流，常用于大容量接触器的主触点。

3.触点的状态

触点有四种工作状态，即闭合状态、断开过程、断开状态、闭合过程。在理想的情况下，触点闭合时其接触电阻为零；触点断开时其接触电阻为无穷大；在闭合过程中，接触电阻瞬时由无穷大变为零；在断开过程中，接触电阻瞬时由零变为无穷大。但实际上，在闭合状态时触点间有接触电阻存在，若接触电阻太大，就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，若绝缘电阻不足就可能导致击穿放电，致使被控电路导通；在闭合过程中有触点弹跳现象，可能破坏触点的可靠闭合；在断开过程中可能产生电弧，会破坏触点的可靠断开。

由于触点表面不平整与氧化层的存在，两个触点的接触处会有一定的电阻。因此，在实际应用中应采取相应的措施减小接触电阻。

4.影响接触电阻的因数及其减小方法

由于触点表面总是凹凸不平的，电流的导通与触点的形状、接触压力、温度、材料性能等有关。其中，接触压力是一个非常重要的因素。增加接触压力，可以增加接触面积，使接触电阻减小。为此，在动触点上安装一个触点弹簧，如图1.10（a）所示。该弹簧预先被压缩了一段，因而产生一个初压力F1，如图1.10（b）所示。触点闭合后由于弹簧在超行程内继续压缩而产生终压力F2，如图1.10（c）所示。弹簧压缩的距离l为触点的超行程，即从静、动触点刚开始接触到触点向前压紧的距离。有了超行程，触点在有磨损的情况下，仍具有一定的压力，可使接触电阻减小。当然，触点磨损严重时应及时更换触点。

为了避免金属表面生成的氧化物使接触电阻增大而影响触点工作，在小容量电器中可采用银或镀银触点；在大容量电器中，可采用具有滑动作用的指形触点，这样在每次闭合过程中都可以磨去氧化膜，从而让清洁的金属接触面相互接触，以增强触点的导电性。此外，触点上的尘垢也会影响其导电性，因此，当触点表面聚集了尘垢以后，需用无水乙醇或四氯化碳揩拭干净。如果触点表面被电弧灼烧而出现烟熏状，也需要按上述方法处理干净。

1.2.3 电弧的产生和灭弧方法

1.电弧的产生

当触点切断电路时，如果电路中的电压超过10～20V和电流超过80～100mA，在拉开的两个触点之间将出现强烈的火花，这实际上是一种气体放电的现象，通常称为“电弧”。其主要特点是外部有白炽弧光，内部的温度很高且有密度很大的电流，具有导电性。

电弧形成的过程是：当触点间刚出现断口时，触点间的距离极小，电场强度极大，在高热和强电场的作用下，气隙中的电子高速运动产生游离碰撞，在游离因素的作用下，触点间的气隙中会产生大量的带电粒子使气体导电，形成炽热的电子流，即电弧。

电弧的产生一方面烧蚀触点，降低电器寿命和电器工作的可靠性，另一方面会使触点分断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故。因此在电路中应采取适当的措施熄灭电弧。

2.常用的灭弧方法和装置

根据电流性质的不同，电弧分为直流电弧和交流电弧。交流电弧有自然过零点，容易被熄灭；而直流电弧则不易被熄灭。

由上述电弧产生的过程可知，熄灭电弧的原理是抑制游离因素，增强去游离因素。在低压电器的灭弧过程中，为使电弧熄灭，可采用将电弧拉长、使弧柱冷却、把电弧分成若干短弧等方法。常用的灭弧装置有以下几种。

1）电动力灭弧

如图1.11所示是双断点桥式触点灭弧原理示意图。所谓双断点就是在一个回路中有两个产生和断开电弧的间隙。当触点分断时，在左右两个弧隙中产生两个彼此串联的电弧，在电动力F的作用下向两侧方向运动，使电弧拉长，在拉长过程中电弧遇到空气迅速冷却而很快熄灭。这种方法多适用于交流接触器等交流低压电器中。

2）磁吹灭弧

借助电弧与弧隙磁场相互作用而产生的电磁力实现灭弧，称为磁吹灭弧，如图1.12所示。在触点电路中串入一个具有铁芯的吹弧线圈，它产生的磁通通过导磁夹板引向触点周围，其方向如图中“×”所示。当电弧产生后，电弧电流产生的磁通方向如图中“⊗”和“⊙”所示。产生的电弧可看成是一个载流导体，电流方向由静触点流向动触点。这时，根据左手定则可确定出电弧在磁场中所受电磁力F的方向是向上的。由于电弧向上运动，它一方面被拉长，另一方面又被冷却，使电弧很快熄灭。熄弧角除了有引导电弧运动的作用外，还能把电弧从触点处引开，从而起到保护触点的作用。

由于吹弧线圈串联于主电路中，所以作用于电弧的磁场力随电弧电流的大小而改变，电弧电流越大，灭弧能力越强，而且磁吹力的方向与电流方向无关。所以，磁吹灭弧装置适用于交直流低压电器中。

3）栅片灭弧

栅片灭弧的原理示意图如图1.13所示。灭弧栅由多个镀铜薄钢片组成，彼此之间互相绝缘，片间距离为2～3mm，这些金属片称为栅片。一旦产生电弧，电弧周围产生磁场，导磁的栅片将电弧吸入栅片间，电弧被栅片分割成数段，栅片彼此绝缘，每片相当于一个电极。当交流电压过零时电弧自然熄灭。电弧要重燃，两栅片间必须有150～250V电弧压降。这样，一方面电源电压不足以维持电弧；另一方面，由于栅片的散热作用，电弧自然被熄灭后很难重燃。栅片灭弧常用于交流接触器中。

4）灭弧罩灭弧

比栅片灭弧更为简单的是采用一个陶土和石棉、水泥做成的耐高温的灭弧罩。电弧进入灭弧罩后，可以降低电弧温度和隔离电弧，可用于交流和直流灭弧。

5）窄缝灭弧

在电弧所形成的磁场电动力的作用下，电弧被拉长并进入灭弧罩的窄缝中，几条纵缝可将电弧分割成数段且与固体介质相接触，电弧受冷却而迅速熄灭。这种方法多用于交流接触器中。

1.2.4 低压电器的主要技术参数

由于电路的工作电压或电流等级不同、通断的频繁程度不同、负载的性质不同等原因，必须对电器提出不同的技术要求，从而使电器有不同的使用类别，保证电器能可靠地接通和断开电路。

1.使用类别

低压电器主触点和辅助触点的使用类别与典型用途如表1.1所示。

2.额定工作电压

额定工作电压是指在规定条件下，能保证电器正常工作的电压值。一般指触点额定电压值。电磁式电器还规定了电磁线圈的额定工作电压。

3.额定工作电流

额定工作电流是根据电器的具体使用条件确定的电流值，它和额定电压、电源频率、使用类别、触点寿命及防护参数等因素有关。同一个开关电器的使用条件不同时，其工作电流值也不同。

4.通断能力

通断能力以控制规定的非正常负载时所能接通和断开的电流值来衡量。接通能力是指开关闭合时不会造成触点熔焊的能力。断开能力是指开关断开时能可靠灭弧的能力。

5.寿命

低压电器的寿命包括机械寿命和电寿命。机械寿命指的是电器在无电流情况下能可靠操作的次数；电寿命指的是在所规定的使用条件下不需要修理或更换零件进行可靠操作的次数。