1、第一篇 执行元件,第一章 电磁铁和电磁继电器,下一页,第一篇 执行元件,第一章 电磁铁和电磁继电器 1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特征 1.2 电磁继电器和接触器 1.3 新型继电器举例,上一页 下一页,第一章 电磁铁和电磁继电器,电磁铁和电磁继电器都是利用电磁力（或力矩)把电能（或电信号) 转换成机械能（或位移信号)的电磁元件。由工作原理可知，电磁铁主 要由励磁线圈、静止铁心、衔铁（动铁心)和返回弹簧等组成。按照产 生电磁吸力的原理，电磁铁可分为三大类，如图1.0.2所示，即拍合 式、吸入式和旋转式。电磁继电器、接触器的工作原理与电磁铁相同， 只是结构上增加了触头（或触点)系统。按励磁电流的
2、不同，电磁铁可分为直流和交流电磁铁两大类。,下一页 返回,图1.0.2 电磁铁的分类,（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋转式 1-动铁心；2-线圈；3-静铁心；4-导磁外壳；5-旋转衔铁,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,电磁铁是靠电磁吸力（或力矩)做功的。电磁铁作为能量转换装 置，通过磁场作媒介，把输入的电能转换为机械能。因此讨论电磁铁的 吸力和吸力特性，先要分析电磁铁中的能量关系。 1.1.1 电磁铁中的能量转换图1.1.1所示的直流拍合式电磁铁中，假设电压U、电流i、电势e和 磁通为相关方向。衔铁位移以静铁心端面为坐标原点，向上为正。 为讨论方便做如下假设： （1)认为铁心不饱
3、和（铁心导磁系数Fe为常数)； （2)忽略漏磁影响； （3)当工作气隙1变化时，铁心饱和程度不变； ,上一页 下一页,图1.1.1 直流电磁铁原理图,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,（4)衔铁与静止铁心之间的气隙为1，并保持1不变，即衔铁不动。当开关K合上瞬间，由于线圈存在自感，电流不能马上达到稳 定状态，根据电路的基尔霍夫第二定律，此时电路平衡方程式为e=iR-UU=-e+iR= (1.1.1) 式中，R线圈回路总电阻； e线圈的自感电势； 线圈的磁链，=N； N线圈匝数。 对直流电磁铁，当电流达到稳定后, =0,自感电势为零，I=,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特
4、性,将式（1.1.1)两边乘以idt，并积分得= + (1.1.2) 式中， 从0到t1时间内电源提供的能量；从0到t1时间内电阻消耗的能量；从0到t1时间内转换为磁场的能量。,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特,转换为磁场的能量一部分储存在铁心内，另一部分储存在气隙 内。这可用图解法求出。如图1.1.2所示的磁系统的总磁势Fm=IN。当 气隙为1时，气隙磁导线AB1的斜率tan1= ，它与该系 统磁化曲线OB1的交点B1即为此时该磁系统的工作点。此时 铁心内磁压降 如图中OC1，气隙内磁压降 为C1A。 Fm=IN= + 。该磁系统由t=0到t1时刻，主磁 通 由0到1，转换为
5、磁场内储存的总磁能,上一页 下一页,图1.1.2 线性磁系统的磁场能量,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,= = =,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,1.1.2 电磁铁的静吸力特征电磁铁的静吸力特性是指衔铁处在不同位置并且静止时，保持线圈 电流（磁势)不变的情况下，作用在衔铁上的电磁吸力Fd（或电磁力矩 Md)和工作气隙的关系，即Fd=f（)或Md=f（)。 设时间从t1t2时，衔铁在电磁力作用下做机械运动，电磁力方 向指向静铁心端面，那么气隙1下降到2，此时气隙磁阻为 2/(0A)，A为气隙截面积，相应气隙磁导线斜率tan2=0A/2， 大于tan1=0A/1，如
6、图1.1.3所示。 前面已求出当气隙为1时磁场储存的能量,上一页 下一页,图1.1.3 图解法求线性磁系统的电磁吸力,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,= 当气隙为2时磁场储存的能量为=电磁铁线圈始终接在电源上，时间从t1t2，1下降到2时， 该磁系统又从电源吸收了一部分能量，并转换为磁场能量，所增加的 磁场能量由 可求出，以Wm表示。 ,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,Wm= =由能量守恒定律，磁系统原来储存的能量 ，又从电源吸收的 能量Wm和现在磁系统所储存的能量 及电磁力作用下衔铁从1移动 到2所做的机械功W平衡。机械功W=Fdp(21)=Fdp。 用式表达为
7、W= +Wm- = - -= -,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,当很小时， 很小，可以忽略，由此 - =- （1.1.3）式中， 为气隙磁导， = ，负号表示电磁作用方向始 终指向气隙减小方向。对衔铁作旋转运动的电磁铁，用完全相同的方法可推出 作用在衔铁上的电磁力矩为= （1.1.5）,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,当磁通单位为Wb，磁压降U单位为A，气隙磁阻R单位为H-1， 气隙长度单位为m时，电磁力Fdp单位为N，电磁力矩Md单位为Nm。 1.1.3 图同结构电磁铁的静吸力特征 一、拍合式电磁铁 它的结构特点是气隙不大，气隙内磁场分布均匀，当铁心
8、不饱和时 ，=IN,则 = 二、吸入式电磁铁,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,在吸入式电磁铁中，除了工作气隙中会产生电磁力外，在螺管式 励磁线圈与衔铁侧面气隙中，由于衔铁运动时漏磁通将发生变化，也 会产生吸力，称为螺管力，如图1.1.5所示。当不考虑导磁体的磁阻和非工作气隙的影响时，吸入式电磁铁衔 铁所受的电磁力为=- - （1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式电磁铁中，作用在衔铁上的电磁力是 两部分力的合成。,上一页 下一页,图1.1.5 螺管力的产生,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,三、旋转式电磁铁旋转式电磁铁转动时，通常漏磁变化不大，因此可用式（1.1
9、.5) 来计算电磁力矩。与拍合式电磁铁不同的是其衔铁的运动方向垂直于 磁力线方向。电磁力矩的方向总是力图使衔铁运动到整个磁路磁阻最 小的位置，如图1.0.2（c)所示的旋转式电磁铁中，电磁力矩的方向为 顺时针方向。当衔铁转动时，气隙的大小并不改变，但气隙截面积 A随转角而变化。如不考虑漏磁，则气隙磁导可由下式计算= =,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,衔铁旋转时，左、右两个气隙的极面下磁导都发生变化，都有力矩 产生，因此电磁转矩为=- （1.1.8）例1 一个电磁铁如图1.1.8所示，衔铁R和中心铁柱的截面积都为A，气 隙长度为，励磁线圈匝数为N。当接在直流电源上时，电流为
10、I，假设 铁心磁导率Fe=，不计气隙的边缘效应和漏磁，忽略衔铁与固定铁 心滑动面之间的气隙，求作用在衔铁上的电磁力Fdp。,上一页 下一页,图1.1.8 例1题图,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,由已知条件可知该磁路是线性的，铁心磁压降可忽略不计，则 U=IN。气隙磁导为=1.1.4 交流嗲磁铁的吸力电磁铁的励磁绕组由交流电源供电的，称为交流电磁铁。一般情况 下，如果电源电压是正弦的交流电压，则磁通也是时间的正弦函数。任 一瞬时的电磁吸力fd取决于该瞬时的磁通值，因此其电磁吸力也将是周 期性地变化的。,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,上一页 下一页,设工作气隙中的
11、磁通为 = ， 为磁通的最大值。 当电磁铁磁路不饱和，并忽略漏磁影响时，对拍合式交流电磁铁的电 磁力可按下式计算 = 将 代入得= = - （1.1.9）式中，Fdm最大电磁吸力。电磁吸力fd(t)与时间关系如图1.1.9 所示。由式（1.1.9)可知，交流电磁吸力包括两个分量，即=,图1.1.9 拍合式交流电磁铁磁通与电磁力,返回,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,例2 图1.1.8所示的电磁铁，其他条件均不改变。当励磁线圈接在交流 电源上，感应电势为e= Esint时，如忽略线圈电阻和漏磁通，求作 用在衔铁上的电磁力。 解：由题意，此时气隙磁通 为=- = 则电磁力为 = 平均电磁力为
12、= 这里,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,1.1.5 电磁铁的特性参数与应用 一、电磁铁的特性参数 通常以下列特性参数来表示电磁铁的工作性能： (1)吸力特性 指电磁铁在一定的励磁磁势下衔铁的吸力（力矩)与衔铁 行程（转角)间的关系。特别是衔铁的行程和衔铁在初始位置时的吸力 值，是使用者在选用电磁铁时要注意的两个重要参数。 (2)额定工作电压 指电磁铁可靠工作时绕组线圈所加的电压（V)。 (3)电磁铁的吸合电压Uxh（或吸合电流Ixh) 它是能使衔铁从初始位置运 动到完全吸合位置的线圈最小电压（或电流)值。在此电压（或电流)作 用下，电磁铁吸力特性处处都应大于（或等于)衔铁
13、对应位置的反作用 力（或力矩)。,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,(4)电磁铁的释放电压Usf（或电流Isf) 它是指能使衔铁从吸合位置返 回初始位置的线圈最大电压（或电流)值。此时对应的电磁吸力（力矩) 都应等于或小于作用在衔铁上的反作用力（力矩)。 (5)贮备系数Kcb = (6)返回系数Kfh =(7)吸合时间txh 电磁铁线圈接通额定电压的瞬间到衔铁运动到完全吸合所需要的时间。 (8)释放时间tsf 电磁铁线圈断开电源瞬间到衔铁回复到初始位置所需要的时间。,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,二、电磁铁的应用 电磁铁结构简单，动作速度快，维护方便，能
14、产生较大的吸力，因而是 自动控制中重要的电磁元件之一。它不仅可以作为独立的元件直接应 用，而且还是众多电磁元件的主体部件之一，应用十分广泛，下面仅举 几个应用实例。 1.电磁冷气阀电磁冷气阀在国防和民用工业中被广泛应用。它的结构如图1.1.11所 示。 2.双绕组操纵电磁铁这种电磁铁实际上可看作是组合在一起的两个电磁铁，如图1.1.12所,上一页 下一页,1.1 电磁铁的静吸力和静吸力特性,示。当线圈1、2均没通电时，衔铁处于中间位置（零位)。当线圈1通电 时，衔铁在电磁力作用下将向左移动。而当线圈1不通电，线圈2通电 时，衔铁又将向右移动，因此它是一种双向运动的电磁铁。 3.电磁离合器电磁离
15、合器的结构如图1.1.13所示。图中虚线表示由线圈电流产生 的磁通。电磁铁的衔铁通过花键与从动轴联结。 4.微动同步力矩器图1.1.14所示的旋转式电磁铁在航空陀螺仪表中又称微动同步力矩 器。图中转子轴为弹性扭力轴。,上一页 返回,图1.1.11 电磁冷气阀,1、2活门；3衔铁；4铁心；5线圈；6弹簧,返回,图1.1.12 双绕组操纵电磁铁,1、2绕组；3衔铁；4台座,返回,图1.1.13 电磁离合器,（a）工作原理图；（b）结构图 1主动轴；2从动轴；3衔铁；4线圈；5导磁体；6安装法兰盘,返回,图1.1.14 微动同步力矩器,返回,1.2 电磁继电器和接触器,1.2.1 结构和工作原理电磁
16、继电器是一种具有跳跃输出特性的用于传输信号的电磁器件。 它的基本组成是在电磁铁基础上加上触点系统而构成。图1.2.1是其原 理结构图和符号图。 1.2.2 静吸力特征和范例特征配合继电器（或接触器)能否可靠地工作，取决于静吸力特性与反作用 力特性恰当地配合，即要使衔铁顺利地动作，使常开触点可靠地闭合 （或常闭触点打开)，也就必须使吸力特性在继电器动作过程中，在任 何气隙位置上，吸力始终大于反作用力，用数学式表达为FDFF,下一页 返回,图1.2.1 直流电磁继电器,（a）结构图；（b）符号图,返回,1.2 电磁继电器和接触器,所谓反力特性是指衔铁沿电磁力方向运动时所要克服的阻力Ff和工 作气隙
17、的关系，即Ff=f()。在图1.2.7中同时画出了该继电器在不同线圈磁势时的静吸力特性 Fd=f()。图中(IN)cd称为触动磁势，对应的励磁电压、励磁电流称为 触动电压Ucd和触动电流Icd。为了保证继电器可靠地工作，吸合时，电磁吸力必须始终大于反 力，即静吸力特性曲线必须在反力特性上面；释放时，电磁吸力必须始 终小于反力，即静吸力特性曲线必须在反力特性下面。 1.2.3 继电器的触点与火化继电器的触点系统是由导电性好、耐腐蚀、耐磨擦的贵金属如银、 铂、金及其合金材料制成的触点组成。,上一页 下一页,图1.2.7 静吸力特性及反作用力特性的配合,返回,1.2 电磁继电器和接触器,为了消除触点
18、间的火花，往往可以采用一些灭火花电路。灭火花电 路的基本原理是提供一个放电回路，将输出回路中电感负载所储存的能 量以其他能量形式消耗掉。除了采用灭火花电路以外，在一些可靠性要 求较高的场合，如航空航天、矿井等，还广泛采用密封继电器（或接触 器)。这时整个继电器用金属外罩完全密封起来，罩内还可充以惰性气 体，这就保证了触点有一个不受外界环境影响的、洁净的工作条件，提 高了可靠性。 1.2.4 继电器的主要技术指标 （1)灵敏度 指继电器在规定负载条件下的最小吸合功率，单位为W或 mW。,上一页 下一页,1.2 电磁继电器和接触器,(2)触点负荷 指继电器触点所承受的开路电压和闭路电流值。 (3)
19、动作时间 包含吸合时间txh和释放时间tsf。吸合时间是指继电器励 磁线圈加额定电压后，从通电瞬间到常开（闭)触点闭合（打开)所需的 时间。释放时间是指线圈从断电瞬间到常开（闭)触点断开（闭合)所需 的时间。单位为s或ms。 (4)返回系数Kfh 定义 = = 为继电器的返回系数，总是小于1。 (5)储备系数 = 。一般 大于1.5。,上一页 返回,1.3 新型继电器举例,一、舌簧继电器舌簧继电器的结构简单，由线圈和舌簧管组成，如图1.3.1所示。 舌簧管是用烧结的方法将舌簧片封结在玻璃管内而成。 舌簧继电器具有下列特点： （1)舌簧管结构简单，体积小，质量轻，容易实现自动化生产，价格便 宜；
20、 （2)触点单独密封在充有惰性气体的玻璃管中，为触点工作可靠性的提 高创造了有利条件； （3)可动部分质量小，且属无铰链联结，所以动作快，一般吸合与释放 时间均在0.52 ms以内。,下一页 返回,图1.3.1 具有一对触点的舌簧继电器,（a）原理结构图；（b）工作原理图,返回,1.3 新型继电器举例,（4)吸合功率小，灵敏度高，多用半导体元件启动。舌簧继电器的主要缺点是触点较容易出现冷焊（非通电熔化而造成 的触点间的黏结现象)；触点断开容量较低，过载能力较差；触点距离 近，耐压较低；簧片断开瞬间易出现颤抖现象等。 二、无触点继电器 1.固态继电器（SSR）及其应用固态继电器是一种新型的无触点
21、继电器，如图1.3.3所示。这种器件 为四端器件，1、2为输入端，3、4为输出端。输入端与输出端之间无公 共连线，它们之间信号的耦合目前大量采用的是光电耦合器件。,上一页 下一页,图1.3.3 固态继电器,（a）交流型；（b）直流型,返回,1.3 新型继电器举例,2.晶闸管无触点开关图1.3.6为用晶闸管组成的交流单相开关。它的通断由晶闸管控制极 是否加触发电压（控制电压)决定。 3.逻辑电路构成无触点开关及其应用逻辑电路构成的无触点开关包括两类：一类是半导体逻辑门电路，如 与门、非门、或门、与非门和或非门。它们是根据输入电平的组合来得 到输出结果；另一类是各种触发器，它们是一种具有记忆功能的器件。从上述实例中可看出，无触点控制中无论是门电路还是触发器，它 们输出电平很低，功率不大，均不足以直接去驱动控制对象，因此都必 须在它们之间增加接口和放大电路。此外，无触点开关一般可以有多个,上一页 下一页,1.3 新型继电器举例,输入，但输出只有一个，这在需要用一个输入去控制多个输出场合，会 带来使用上的不便。,上一页 返回,
