电磁式控制电器的基本结构和原理

从结构上看，电磁式控制电器有3个基本组成部分：触点、灭弧装置和电磁机构。

1.触点

触点是一切有触点电器的执行部件，这些电器就是通过触点的动作来接通和断开被控电路的。

（1）触点的分断过程及电弧的产生

触点通常由动、静触点组合而成。两个触点之间的接触，从本质上来说是许多个点的接触。因此，在两个触点分开时势必最终要出现只有一个点在接触的现象。如果原先触点处于闭合状态，两个触点间有电流流过；分开时该触点处的电流密度惊人地增大（可达10³～10⁸A/cm²），致使触点金属熔化，并随着触点的互相分离形成熔化了的高温金属液桥。一旦金属液桥被拉断，触点就完全分开，此时在断开处会立即产生电弧。随着触点的分离电弧被熄灭了，则相应的电路才被断开。带电触点的分断过程就是电弧的形成及抑制过程。

（2）触点的接通过程及电接触原理

有触点电器接通被控电路是靠触点的闭合来实现的。一般说来，触点的接触面积越大，触点的接触电阻越小，则触点接通电路的性能越好。在触点接触处的电阻称为触点接触电阻。为了减少损耗、降低温升，希望接触电阻尽量小些。

接触电阻的大小与触点的接触形式、接触压力、触点材料电阻率、机械性能和表面状况有关。一般来说，接触面积大，接触压力大，触点材料电阻率小，塑性形变好，表面光滑的触点的接触电阻较小。

（3）触点的基本结构形式

触点的接触形式有点接触、线接触和面接触3种，分别如图3-1a、图3-1b、图3-1c所示。

图3-1 触点的3种接触形式

在这3种接触形式中，点接触的接触点数最少，因此它只能用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点和继电器的触点。面接触的接触点数最多，它允许通过较大的电流，多用于较大容量接触器的主触点。线接触的接触区域是一条直线，其触点在通断过程中有滚动动作，如图3-1b所示。开始接触时，动静触点在A点接触，靠弹簧的压力经B点滚到C点。断开时作相反运动。这种滚动线接触多用于中等容量的触点，如接触器的主触点。

触点的结构形式：在常用继电器和接触器中，触点的结构形式主要有单断点指形触点和双断点桥式触点。

图3-1b所示为单断点指形触点。图3-2所示为双断点桥式触点的结构示意图。单断点指形触点只有一个断口，一般多用于接触器的主触点。

图3-2 双断点桥式触点

2.灭弧原理及灭弧装置

如前所述，当动、静触点在通电状态下脱离接触时，两者之间的间隙会产生电弧。电弧实际上是一种气体放电现象。所谓气体放电就是气体中有大量的带电质点作定向运动。在触点分离的瞬间，动、静触点的间隙很小，电路电压几乎全部降落在触点之间，在触点间形成很高的电场强度，以致发生电场发射。发射的自由电子在电场作用下向阳极加速运动。高速运动的电子撞击气体原子时产生撞击电离。电离出的电子在向阳极运动过程中又将撞击其他原子，又使其他原子电离。撞击电离的正离子则向阴极加速运动，撞在阴极上会使阴极温度逐渐升高，到达一定温度时，会发生热电子发射。热发射的电子又参与撞击电离。这样在触点间隙中形成了炽热的电子流，即为电弧。

电弧的存在不但妨碍了电路及时可靠地分断，而且会使触点受到磨损。为此，必须采取适当且有效的措施，以保护触点系统，降低它的磨损，提高它的分断能力，从而保证整个电器的工作安全可靠。

根据前述电弧产生的物理过程可知，欲使电弧熄灭，应设法降低电弧区温度和电场强度；加强消电离作用。当电离速度低于消电离速度时，电弧即逐渐熄灭。常用的灭弧方法有拉长电弧、切断或分隔电弧等。

（1）多断点灭弧

在交流继电器和接触器中常采用桥式触点（见图3-2），这种触点有两个断点。

当采用双极或三极接触器控制一条电路时，可灵活地将两个极或3个极串联起来作为一个触点使用，成为多断点形式，其灭弧效果将大大提高。一般交流继电器和小电流接触器采用桥式触点灭弧，而不再加设其他灭弧装置。

（2）磁吹式灭弧装置

这种灭弧装置的原理是使电弧处于磁场中间，电磁场力“吹”长电弧，使其进入冷却装置，加速电弧冷却，促使电弧迅速熄灭，如图3-3所示。

这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，电弧电流越大，吹弧能力越强，且不受电路电流方向影响（当电流方向改变时，磁场方向随之改变，结果电磁力方向不变）。它广泛地应用于直流接触器中。

图3-3 磁吹式灭弧装置

1—铁心 2—绝缘管 3—吹弧线圈 4—导磁颊片 5—灭弧罩 6—熄弧角

图3-4 灭弧栅灭弧的原理

1—静触点 2—动触点 3—灭弧栅片 4—长电弧 5—短电弧

（3）灭弧栅(www.xing528.com)

灭弧栅灭弧的原理如图3-4所示。灭弧栅由许多镀铜薄钢片组成，安放在触点上方的灭弧罩内（图中未画出灭弧罩）。一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧。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，同时由于栅片的散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。这是一种常用的交流灭弧装置。

（4）灭弧罩

上面提到的磁吹式灭弧装置和灭弧栅灭弧装置都带有灭弧罩，它通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。其作用一是分隔各路电弧，以防止发生短路；二是使电弧与灭弧罩的绝缘壁接触，使电弧迅速冷却而熄灭。

3.电磁机构

电磁机构是电磁式继电器和接触器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动静触点使之闭合或断开。

（1）电磁机构的结构形式

电磁机构由吸引线圈（励磁线圈）和磁路两个部分组成。磁路包括铁心、铁轭、衔铁和空气隙。吸引线圈通电后产生励磁磁场，并利用气隙把电磁能转换为机械能，带动衔铁运动以完成触点的断开和闭合。

电磁机构的分类有多种，按衔铁的运动方式可分为：

1）衔铁沿棱角转动的拍合式铁心。如图3-5a和图3-5b所示，其衔铁绕铁轭的棱角转动，磨损较小，铁心用软铁制成，适用于直流继电器和接触器。

2）衔铁沿轴转动的拍合式铁心。如图3-5c和图3-5d所示，其衔铁绕轴而转动，用于交流接触器，铁心用硅钢片制成。

3）衔铁作直线运动的直动式铁心。如图3-5e、图3-5f和图3-5g所示，衔铁在线圈内成直线运动，较多用于交流继电器和接触器中。

按磁系统形状可分为U形（见图3-5c）和E形（见图3-5d）两种。

按励磁线圈的种类可分为交流线圈和直流线圈两种。

按励磁线圈的联结方式可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种。

图3-5 常用电磁机构的结构形式

1—铁心 2—线圈 3—衔铁

（2）电磁机构的工作原理

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表征。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。

吸力特性：电磁机构的吸力特性反映的是其电磁吸力与气隙的关系。由于励磁电流的种类对吸力特性的影响很大，所以交、直流电磁机构有不同的吸力特性。

剩磁的吸力特性：由于铁磁物质有剩磁，它使电磁机构的励磁线圈失电后仍有一定的磁性吸力存在。剩磁的吸力随气隙的增大而减小。剩磁的吸力特性如图3-6曲线4所示。

反力特性：电磁机构使衔铁释放的力一般有两种：一种是利用弹簧的反力（见图3-5b）；一种是利用衔铁的自身重力（见图3-5d）。

吸力特性与反力特性的配合：电磁机构欲使衔铁吸合，在整个吸合过程中，吸力都必须大于反力；但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命。反映在特性图上，就是要保证吸力特性在反力特性的上方。当切断电磁机构的励磁电流以释放衔铁时，其反力特性必须大于剩磁吸力，才能保证衔铁可靠释放。所以在特性图上，电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间，如图3-6所示。在实际使用中，常常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。

电磁机构的输入-输出特性：电磁机构励磁线圈的电压（或电流）为其输入量，衔铁的位置为其输出量，衔铁位置与励磁线圈的电压（或电流）的关系称为输入-输出特性。

图3-6 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 4—剩磁吸力特性

若以y代表电磁机构的输出量，并将衔铁处于吸合位置记作y=1；把衔铁处于释放位置记作y=0。当吸力特性处于反力特性上方时，衔铁被吸合；当吸力特性处于衔铁的下方时，衔铁被释放。若电磁机构的输入量用x来表示，使吸力特性处于反力特性上方的最小输入量以x_c表示，一般称其为电磁机构的动作值；使吸力特性处于反力特性下方的最大输入量以x_f表示，一般称其为返回值。为使电器工作可靠起见，一般的额定输入量x_e大于x_c。

电磁机构的输入-输出特性如图3-7所示。当输入量x＜x_c时衔铁不动作，其输出量y=0；当x=x_c时，衔铁吸合，输出量y从零跃变为1；再进一步增大输入量使x＞x_c，则输出量仍为y=1。当输入量x从x_f减小的时候，在x＞x_f的过程中虽然吸力特性降低，但因衔铁吸合状态下的吸力仍比反力大，所以衔铁不会释放，输出量y=1；当x=x_f时，因吸力小于反力，衔铁才释放，输出量由1突变为零；再减小输入量，输出量仍为零。

可见，电磁机构的输入-输出特性为一矩形曲线，此类矩形特性曲线统称为继电特性。

图3-7 电磁机构的

输入-输出特性