第一篇-執(zhí)行元件課件

第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特征1.2電磁繼電器和接觸器1.3新型繼電器舉例上一頁

下一頁第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器上一頁下一頁1第一章電磁鐵和電磁繼電器電磁鐵和電磁繼電器都是利用電磁力（或力矩)把電能（或電信號)轉(zhuǎn)換成機械能（或位移信號)的電磁元件。由工作原理可知，電磁鐵主要由勵磁線圈、靜止鐵心、銜鐵（動鐵心)和返回彈簧等組成。按照產(chǎn)生電磁吸力的原理，電磁鐵可分為三大類，如圖1.0.2所示，即拍合式、吸入式和旋轉(zhuǎn)式。電磁繼電器、接觸器的工作原理與電磁鐵相同，只是結構上增加了觸頭（或觸點)系統(tǒng)。按勵磁電流的不同，電磁鐵可分為直流和交流電磁鐵兩大類。

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返回第一章電磁鐵和電磁繼電器電磁鐵和電磁繼電器都是利用2圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋轉(zhuǎn)式1-動鐵心；2-線圈；3-靜鐵心；4-導磁外殼；5-旋轉(zhuǎn)銜鐵返回圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）31.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩)做功的。電磁鐵作為能量轉(zhuǎn)換裝置，通過磁場作媒介，把輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能。因此討論電磁鐵的吸力和吸力特性，先要分析電磁鐵中的能量關系。1.1.1電磁鐵中的能量轉(zhuǎn)換

圖1.1.1所示的直流拍合式電磁鐵中，假設電壓U、電流i、電勢e和磁通Φ為相關方向。銜鐵位移以靜鐵心端面為坐標原點，向上為正。為討論方便做如下假設：（1)認為鐵心不飽和（鐵心導磁系數(shù)μFe為常數(shù))；（2)忽略漏磁影響；（3)當工作氣隙δ1變化時，鐵心飽和程度不變；上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩4圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回51.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的氣隙為δ1，并保持δ1不變，即銜鐵不動。當開關K合上瞬間，由于線圈存在自感，電流不能馬上達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)電路的基爾霍夫第二定律，此時電路平衡方程式為

e=iR-UU=-e+iR=(1.1.1)式中，R——線圈回路總電阻；e——線圈的自感電勢；Ψ——線圈的磁鏈，Ψ=NΦ；N——線圈匝數(shù)。對直流電磁鐵，當電流達到穩(wěn)定后,

=0,自感電勢為零，I=上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的61.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以idt，并積分得

=+(1.1.2)式中，

——從0到t1時間內(nèi)電源提供的能量；

——從0到t1時間內(nèi)電阻消耗的能量；

——從0到t1時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為磁場的能量。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以71.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特

轉(zhuǎn)換為磁場的能量一部分儲存在鐵心內(nèi)，另一部分儲存在氣隙內(nèi)。這可用圖解法求出。如圖1.1.2所示的磁系統(tǒng)的總磁勢Fm=IN。當氣隙為δ1時，氣隙磁導線AB1的斜率tanα1=，它與該系統(tǒng)磁化曲線OB1的交點B1即為此時該磁系統(tǒng)的工作點。此時鐵心內(nèi)磁壓降如圖中OC1，氣隙內(nèi)磁壓降為C1A。Fm=IN=+。該磁系統(tǒng)由t=0到t1時刻，主磁通由0到Φδ1，轉(zhuǎn)換為磁場內(nèi)儲存的總磁能上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特上一頁下一頁8圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回91.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

====上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁101.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.2電磁鐵的靜吸力特征電磁鐵的靜吸力特性是指銜鐵處在不同位置并且靜止時，保持線圈電流（磁勢)不變的情況下，作用在銜鐵上的電磁吸力Fd（或電磁力矩Md)和工作氣隙δ的關系，即Fd=f（δ)或Md=f（α)。

設時間從t1→t2時，銜鐵在電磁力作用下做機械運動，電磁力方向指向靜鐵心端面，那么氣隙δ1下降到δ2，此時氣隙磁阻為δ2/(μ0A)，A為氣隙截面積，相應氣隙磁導線斜率tanα2=μ0A/δ2，大于tanα1=μ0A/δ1，如圖1.1.3所示。前面已求出當氣隙為δ1時磁場儲存的能量

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁11圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回121.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

=

當氣隙為δ2時磁場儲存的能量為

=

電磁鐵線圈始終接在電源上，時間從t1→t2，δ1下降到δ2時，該磁系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，所增加的磁場能量由可求出，以Wm表示。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁131.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

Wm==

由能量守恒定律，磁系統(tǒng)原來儲存的能量，又從電源吸收的能量Wm和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲存的能量及電磁力作用下銜鐵從δ1移動到δ2所做的機械功ΔW平衡。機械功ΔW=Fdp(δ2－δ1)=－FdpΔδ。用式表達為ΔW=+Wm-=--=-上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁141.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性當Δδ很小時，很小，可以忽略，由此

-=-（1.1.3）式中，為氣隙磁導，=，負號表示電磁作用方向始終指向氣隙減小方向。對銜鐵作旋轉(zhuǎn)運動的電磁鐵，用完全相同的方法可推出作用在銜鐵上的電磁力矩為

=（1.1.5）上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁151.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

當磁通Φδ單位為Wb，磁壓降Uδ單位為A，氣隙磁阻Rδ單位為H-1，氣隙長度單位為m時，電磁力Fdp單位為N，電磁力矩Md單位為N·m。1.1.3圖同結構電磁鐵的靜吸力特征一、拍合式電磁鐵

它的結構特點是氣隙不大，氣隙內(nèi)磁場分布均勻，當鐵心不飽和時

，

=IN,則=二、吸入式電磁鐵上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁161.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

在吸入式電磁鐵中，除了工作氣隙中會產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵磁線圈與銜鐵側(cè)面氣隙中，由于銜鐵運動時漏磁通將發(fā)生變化，也會產(chǎn)生吸力，稱為螺管力，如圖1.1.5所示。當不考慮導磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時，吸入式電磁鐵銜鐵所受的電磁力為

=--（1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式電磁鐵中，作用在銜鐵上的電磁力是兩部分力的合成。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁17圖1.1.5螺管力的產(chǎn)生返回圖1.1.5螺管力的產(chǎn)生返回181.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性三、旋轉(zhuǎn)式電磁鐵

旋轉(zhuǎn)式電磁鐵轉(zhuǎn)動時，通常漏磁變化不大，因此可用式（1.1.5)來計算電磁力矩。與拍合式電磁鐵不同的是其銜鐵的運動方向垂直于磁力線方向。電磁力矩的方向總是力圖使銜鐵運動到整個磁路磁阻最小的位置，如圖1.0.2（c)所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵中，電磁力矩的方向為順時針方向。當銜鐵轉(zhuǎn)動時，氣隙δ的大小并不改變，但氣隙截面積Aδ隨轉(zhuǎn)角α而變化。如不考慮漏磁，則氣隙磁導可由下式計算

==上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁191.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性銜鐵旋轉(zhuǎn)時，左、右兩個氣隙的極面下磁導都發(fā)生變化，都有力矩產(chǎn)生，因此電磁轉(zhuǎn)矩為

=-（1.1.8）例1一個電磁鐵如圖1.1.8所示，銜鐵R和中心鐵柱的截面積都為A，氣隙長度為δ，勵磁線圈匝數(shù)為N。當接在直流電源上時，電流為I，假設鐵心磁導率μFe=∞，不計氣隙的邊緣效應和漏磁，忽略銜鐵與固定鐵心滑動面之間的氣隙，求作用在銜鐵上的電磁力Fdp。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁20圖1.1.8例1題圖返回圖1.1.8例1題圖返回211.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

由已知條件可知該磁路是線性的，鐵心磁壓降可忽略不計，則Uδ=IN。氣隙磁導為

=1.1.4交流嗲磁鐵的吸力電磁鐵的勵磁繞組由交流電源供電的，稱為交流電磁鐵。一般情況下，如果電源電壓是正弦的交流電壓，則磁通也是時間的正弦函數(shù)。任一瞬時的電磁吸力fd取決于該瞬時的磁通值，因此其電磁吸力也將是周期性地變化的。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁221.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁

下一頁設工作氣隙中的磁通為=，為磁通的最大值。當電磁鐵磁路不飽和，并忽略漏磁影響時，對拍合式交流電磁鐵的電磁力可按下式計算=

將代入得==-（1.1.9）式中，F(xiàn)dm——最大電磁吸力。電磁吸力fd(t)與時間關系如圖1.1.9所示。由式（1.1.9)可知，交流電磁吸力包括兩個分量，即=

1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁23圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回241.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性例2圖1.1.8所示的電磁鐵，其他條件均不改變。當勵磁線圈接在交流電源上，感應電勢為e=Esinωt時，如忽略線圈電阻和漏磁通，求作用在銜鐵上的電磁力。解：由題意，此時氣隙磁通為

=-=

則電磁力為

=·平均電磁力為=這里上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁251.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.5電磁鐵的特性參數(shù)與應用一、電磁鐵的特性參數(shù)通常以下列特性參數(shù)來表示電磁鐵的工作性能：(1)吸力特性指電磁鐵在一定的勵磁磁勢下銜鐵的吸力（力矩)與銜鐵行程（轉(zhuǎn)角)間的關系。特別是銜鐵的行程和銜鐵在初始位置時的吸力值，是使用者在選用電磁鐵時要注意的兩個重要參數(shù)。(2)額定工作電壓指電磁鐵可靠工作時繞組線圈所加的電壓（V)。(3)電磁鐵的吸合電壓Uxh（或吸合電流Ixh)它是能使銜鐵從初始位置運動到完全吸合位置的線圈最小電壓（或電流)值。在此電壓（或電流)作用下，電磁鐵吸力特性處處都應大于（或等于)銜鐵對應位置的反作用力（或力矩)。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁261.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性(4)電磁鐵的釋放電壓Usf（或電流Isf)它是指能使銜鐵從吸合位置返回初始位置的線圈最大電壓（或電流)值。此時對應的電磁吸力（力矩)都應等于或小于作用在銜鐵上的反作用力（力矩)。(5)貯備系數(shù)Kcb=

(6)返回系數(shù)Kfh=(7)吸合時間txh

電磁鐵線圈接通額定電壓的瞬間到銜鐵運動到完全吸合所需要的時間。(8)釋放時間tsf

電磁鐵線圈斷開電源瞬間到銜鐵回復到初始位置所需要的時間。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁271.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性二、電磁鐵的應用電磁鐵結構簡單，動作速度快，維護方便，能產(chǎn)生較大的吸力，因而是自動控制中重要的電磁元件之一。它不僅可以作為獨立的元件直接應用，而且還是眾多電磁元件的主體部件之一，應用十分廣泛，下面僅舉幾個應用實例。1.電磁冷氣閥電磁冷氣閥在國防和民用工業(yè)中被廣泛應用。它的結構如圖1.1.11所示。2.雙繞組操縱電磁鐵這種電磁鐵實際上可看作是組合在一起的兩個電磁鐵，如圖1.1.12所上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁281.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性示。當線圈1、2均沒通電時，銜鐵處于中間位置（零位)。當線圈1通電時，銜鐵在電磁力作用下將向左移動。而當線圈1不通電，線圈2通電時，銜鐵又將向右移動，因此它是一種雙向運動的電磁鐵。3.電磁離合器電磁離合器的結構如圖1.1.13所示。圖中虛線表示由線圈電流產(chǎn)生的磁通。電磁鐵的銜鐵通過花鍵與從動軸聯(lián)結。4.微動同步力矩器

圖1.1.14所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵在航空陀螺儀表中又稱微動同步力矩器。圖中轉(zhuǎn)子軸為彈性扭力軸。

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返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁返回29圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；5—線圈；6—彈簧返回圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；30圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—臺座返回圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—31圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結構圖1—主動軸；2—從動軸；3—銜鐵；4—線圈；5—導磁體；6—安裝法蘭盤返回圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結構圖返回32圖1.1.14微動同步力矩器返回圖1.1.14微動同步力矩器返回331.2電磁繼電器和接觸器1.2.1結構和工作原理電磁繼電器是一種具有跳躍輸出特性的用于傳輸信號的電磁器件。它的基本組成是在電磁鐵基礎上加上觸點系統(tǒng)而構成。圖1.2.1是其原理結構圖和符號圖。1.2.2靜吸力特征和范例特征配合繼電器（或接觸器)能否可靠地工作，取決于靜吸力特性與反作用力特性恰當?shù)嘏浜希匆广曡F順利地動作，使常開觸點可靠地閉合（或常閉觸點打開)，也就必須使吸力特性在繼電器動作過程中，在任何氣隙位置上，吸力始終大于反作用力，用數(shù)學式表達為

FD>FF

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返回1.2電磁繼電器和接觸器下一頁返回34圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結構圖；（b）符號圖返回圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結構圖；（b）符號圖返回351.2電磁繼電器和接觸器所謂反力特性是指銜鐵沿電磁力方向運動時所要克服的阻力Ff和工作氣隙的關系，即Ff=f(δ)。在圖1.2.7中同時畫出了該繼電器在不同線圈磁勢時的靜吸力特性Fd=f(δ)。圖中(IN)cd稱為觸動磁勢，對應的勵磁電壓、勵磁電流稱為觸動電壓Ucd和觸動電流Icd。為了保證繼電器可靠地工作，吸合時，電磁吸力必須始終大于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性上面；釋放時，電磁吸力必須始終小于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性下面。1.2.3繼電器的觸點與火化繼電器的觸點系統(tǒng)是由導電性好、耐腐蝕、耐磨擦的貴金屬如銀、鉑、金及其合金材料制成的觸點組成。

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下一頁1.2電磁繼電器和接觸器上一頁下一頁36圖1.2.7靜吸力特性及反作用力特性的配合返回圖1.2.7靜吸力特性及反作用力特性的配合返回371.2電磁繼電器和接觸器為了消除觸點間的火花，往往可以采用一些滅火花電路。滅火花電路的基本原理是提供一個放電回路，將輸出回路中電感負載所儲存的能量以其他能量形式消耗掉。除了采用滅火花電路以外，在一些可靠性要求較高的場合，如航空航天、礦井等，還廣泛采用密封繼電器（或接觸器)。這時整個繼電器用金屬外罩完全密封起來，罩內(nèi)還可充以惰性氣體，這就保證了觸點有一個不受外界環(huán)境影響的、潔凈的工作條件，提高了可靠性。1.2.4繼電器的主要技術指標（1)靈敏度指繼電器在規(guī)定負載條件下的最小吸合功率，單位為W或

mW。上一頁

下一頁1.2電磁繼電器和接觸器上一頁下一頁381.2電磁繼電器和接觸器(2)觸點負荷指繼電器觸點所承受的開路電壓和閉路電流值。(3)動作時間包含吸合時間txh和釋放時間tsf。吸合時間是指繼電器勵磁線圈加額定電壓后，從通電瞬間到常開（閉)觸點閉合（打開)所需的時間。釋放時間是指線圈從斷電瞬間到常開（閉)觸點斷開（閉合)所需的時間。單位為s或ms。(4)返回系數(shù)Kfh定義==為繼電器的返回系數(shù)，總是小于1。(5)儲備系數(shù)=。一般大于1.5。上一頁

返回1.2電磁繼電器和接觸器上一頁返回391.3新型繼電器舉例一、舌簧繼電器舌簧繼電器的結構簡單，由線圈和舌簧管組成，如圖1.3.1所示。舌簧管是用燒結的方法將舌簧片封結在玻璃管內(nèi)而成。舌簧繼電器具有下列特點：（1)舌簧管結構簡單，體積小，質(zhì)量輕，容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，價格便宜；（2)觸點單獨密封在充有惰性氣體的玻璃管中，為觸點工作可靠性的提高創(chuàng)造了有利條件；（3)可動部分質(zhì)量小，且屬無鉸鏈聯(lián)結，所以動作快，一般吸合與釋放時間均在0.5～2ms以內(nèi)。下一頁

返回1.3新型繼電器舉例下一頁返回40圖1.3.1具有一對觸點的舌簧繼電器（a）原理結構圖；（b）工作原理圖返回圖1.3.1具有一對觸點的舌簧繼電器（a）原理結構圖；（b411.3新型繼電器舉例（4)吸合功率小，靈敏度高，多用半導體元件啟動。舌簧繼電器的主要缺點是觸點較容易出現(xiàn)冷焊（非通電熔化而造成的觸點間的黏結現(xiàn)象)；觸點斷開容量較低，過載能力較差；觸點距離近，耐壓較低；簧片斷開瞬間易出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象等。二、無觸點繼電器1.固態(tài)繼電器（SSR）及其應用固態(tài)繼電器是一種新型的無觸點繼電器，如圖1.3.3所示。這種器件為四端器件，1、2為輸入端，3、4為輸出端。輸入端與輸出端之間無公共連線，它們之間信號的耦合目前大量采用的是光電耦合器件。

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下一頁1.3新型繼電器舉例上一頁下一頁42圖1.3.3固態(tài)繼電器（a）交流型；（b）直流型返回圖1.3.3固態(tài)繼電器（a）交流型；（b）直流型返回431.3新型繼電器舉例2.晶閘管無觸點開關圖1.3.6為用晶閘管組成的交流單相開關。它的通斷由晶閘管控制極是否加觸發(fā)電壓（控制電壓)決定。3.邏輯電路構成無觸點開關及其應用邏輯電路構成的無觸點開關包括兩類：一類是半導體邏輯門電路，如與門、非門、或門、與非門和或非門。它們是根據(jù)輸入電平的組合來得到輸出結果；另一類是各種觸發(fā)器，它們是一種具有記憶功能的器件。從上述實例中可看出，無觸點控制中無論是門電路還是觸發(fā)器，它們輸出電平很低，功率不大，均不足以直接去驅(qū)動控制對象，因此都必須在它們之間增加接口和放大電路。此外，無觸點開關一般可以有多個上一頁

下一頁1.3新型繼電器舉例上一頁下一頁441.3新型繼電器舉例輸入，但輸出只有一個，這在需要用一個輸入去控制多個輸出場合，會帶來使用上的不便。上一頁

返回1.3新型繼電器舉例上一頁返回45第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特征1.2電磁繼電器和接觸器1.3新型繼電器舉例上一頁

下一頁第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器上一頁下一頁46第一章電磁鐵和電磁繼電器電磁鐵和電磁繼電器都是利用電磁力（或力矩)把電能（或電信號)轉(zhuǎn)換成機械能（或位移信號)的電磁元件。由工作原理可知，電磁鐵主要由勵磁線圈、靜止鐵心、銜鐵（動鐵心)和返回彈簧等組成。按照產(chǎn)生電磁吸力的原理，電磁鐵可分為三大類，如圖1.0.2所示，即拍合式、吸入式和旋轉(zhuǎn)式。電磁繼電器、接觸器的工作原理與電磁鐵相同，只是結構上增加了觸頭（或觸點)系統(tǒng)。按勵磁電流的不同，電磁鐵可分為直流和交流電磁鐵兩大類。

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返回第一章電磁鐵和電磁繼電器電磁鐵和電磁繼電器都是利用47圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋轉(zhuǎn)式1-動鐵心；2-線圈；3-靜鐵心；4-導磁外殼；5-旋轉(zhuǎn)銜鐵返回圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）481.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩)做功的。電磁鐵作為能量轉(zhuǎn)換裝置，通過磁場作媒介，把輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能。因此討論電磁鐵的吸力和吸力特性，先要分析電磁鐵中的能量關系。1.1.1電磁鐵中的能量轉(zhuǎn)換

圖1.1.1所示的直流拍合式電磁鐵中，假設電壓U、電流i、電勢e和磁通Φ為相關方向。銜鐵位移以靜鐵心端面為坐標原點，向上為正。為討論方便做如下假設：（1)認為鐵心不飽和（鐵心導磁系數(shù)μFe為常數(shù))；（2)忽略漏磁影響；（3)當工作氣隙δ1變化時，鐵心飽和程度不變；上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩49圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回501.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的氣隙為δ1，并保持δ1不變，即銜鐵不動。當開關K合上瞬間，由于線圈存在自感，電流不能馬上達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)電路的基爾霍夫第二定律，此時電路平衡方程式為

e=iR-UU=-e+iR=(1.1.1)式中，R——線圈回路總電阻；e——線圈的自感電勢；Ψ——線圈的磁鏈，Ψ=NΦ；N——線圈匝數(shù)。對直流電磁鐵，當電流達到穩(wěn)定后,

=0,自感電勢為零，I=上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的511.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以idt，并積分得

=+(1.1.2)式中，

——從0到t1時間內(nèi)電源提供的能量；

——從0到t1時間內(nèi)電阻消耗的能量；

——從0到t1時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為磁場的能量。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以521.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特

轉(zhuǎn)換為磁場的能量一部分儲存在鐵心內(nèi)，另一部分儲存在氣隙內(nèi)。這可用圖解法求出。如圖1.1.2所示的磁系統(tǒng)的總磁勢Fm=IN。當氣隙為δ1時，氣隙磁導線AB1的斜率tanα1=，它與該系統(tǒng)磁化曲線OB1的交點B1即為此時該磁系統(tǒng)的工作點。此時鐵心內(nèi)磁壓降如圖中OC1，氣隙內(nèi)磁壓降為C1A。Fm=IN=+。該磁系統(tǒng)由t=0到t1時刻，主磁通由0到Φδ1，轉(zhuǎn)換為磁場內(nèi)儲存的總磁能上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特上一頁下一頁53圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回541.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

====上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁551.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.2電磁鐵的靜吸力特征電磁鐵的靜吸力特性是指銜鐵處在不同位置并且靜止時，保持線圈電流（磁勢)不變的情況下，作用在銜鐵上的電磁吸力Fd（或電磁力矩Md)和工作氣隙δ的關系，即Fd=f（δ)或Md=f（α)。

設時間從t1→t2時，銜鐵在電磁力作用下做機械運動，電磁力方向指向靜鐵心端面，那么氣隙δ1下降到δ2，此時氣隙磁阻為δ2/(μ0A)，A為氣隙截面積，相應氣隙磁導線斜率tanα2=μ0A/δ2，大于tanα1=μ0A/δ1，如圖1.1.3所示。前面已求出當氣隙為δ1時磁場儲存的能量

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁56圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回571.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

=

當氣隙為δ2時磁場儲存的能量為

=

電磁鐵線圈始終接在電源上，時間從t1→t2，δ1下降到δ2時，該磁系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，所增加的磁場能量由可求出，以Wm表示。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁581.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

Wm==

由能量守恒定律，磁系統(tǒng)原來儲存的能量，又從電源吸收的能量Wm和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲存的能量及電磁力作用下銜鐵從δ1移動到δ2所做的機械功ΔW平衡。機械功ΔW=Fdp(δ2－δ1)=－FdpΔδ。用式表達為ΔW=+Wm-=--=-上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁591.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性當Δδ很小時，很小，可以忽略，由此

-=-（1.1.3）式中，為氣隙磁導，=，負號表示電磁作用方向始終指向氣隙減小方向。對銜鐵作旋轉(zhuǎn)運動的電磁鐵，用完全相同的方法可推出作用在銜鐵上的電磁力矩為

=（1.1.5）上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁601.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

當磁通Φδ單位為Wb，磁壓降Uδ單位為A，氣隙磁阻Rδ單位為H-1，氣隙長度單位為m時，電磁力Fdp單位為N，電磁力矩Md單位為N·m。1.1.3圖同結構電磁鐵的靜吸力特征一、拍合式電磁鐵

它的結構特點是氣隙不大，氣隙內(nèi)磁場分布均勻，當鐵心不飽和時

，

=IN,則=二、吸入式電磁鐵上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁611.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

在吸入式電磁鐵中，除了工作氣隙中會產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵磁線圈與銜鐵側(cè)面氣隙中，由于銜鐵運動時漏磁通將發(fā)生變化，也會產(chǎn)生吸力，稱為螺管力，如圖1.1.5所示。當不考慮導磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時，吸入式電磁鐵銜鐵所受的電磁力為

=--（1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式電磁鐵中，作用在銜鐵上的電磁力是兩部分力的合成。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁62圖1.1.5螺管力的產(chǎn)生返回圖1.1.5螺管力的產(chǎn)生返回631.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性三、旋轉(zhuǎn)式電磁鐵

旋轉(zhuǎn)式電磁鐵轉(zhuǎn)動時，通常漏磁變化不大，因此可用式（1.1.5)來計算電磁力矩。與拍合式電磁鐵不同的是其銜鐵的運動方向垂直于磁力線方向。電磁力矩的方向總是力圖使銜鐵運動到整個磁路磁阻最小的位置，如圖1.0.2（c)所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵中，電磁力矩的方向為順時針方向。當銜鐵轉(zhuǎn)動時，氣隙δ的大小并不改變，但氣隙截面積Aδ隨轉(zhuǎn)角α而變化。如不考慮漏磁，則氣隙磁導可由下式計算

==上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁641.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性銜鐵旋轉(zhuǎn)時，左、右兩個氣隙的極面下磁導都發(fā)生變化，都有力矩產(chǎn)生，因此電磁轉(zhuǎn)矩為

=-（1.1.8）例1一個電磁鐵如圖1.1.8所示，銜鐵R和中心鐵柱的截面積都為A，氣隙長度為δ，勵磁線圈匝數(shù)為N。當接在直流電源上時，電流為I，假設鐵心磁導率μFe=∞，不計氣隙的邊緣效應和漏磁，忽略銜鐵與固定鐵心滑動面之間的氣隙，求作用在銜鐵上的電磁力Fdp。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁65圖1.1.8例1題圖返回圖1.1.8例1題圖返回661.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

由已知條件可知該磁路是線性的，鐵心磁壓降可忽略不計，則Uδ=IN。氣隙磁導為

=1.1.4交流嗲磁鐵的吸力電磁鐵的勵磁繞組由交流電源供電的，稱為交流電磁鐵。一般情況下，如果電源電壓是正弦的交流電壓，則磁通也是時間的正弦函數(shù)。任一瞬時的電磁吸力fd取決于該瞬時的磁通值，因此其電磁吸力也將是周期性地變化的。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁671.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁

下一頁設工作氣隙中的磁通為=，為磁通的最大值。當電磁鐵磁路不飽和，并忽略漏磁影響時，對拍合式交流電磁鐵的電磁力可按下式計算=

將代入得==-（1.1.9）式中，F(xiàn)dm——最大電磁吸力。電磁吸力fd(t)與時間關系如圖1.1.9所示。由式（1.1.9)可知，交流電磁吸力包括兩個分量，即=

1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁68圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回691.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性例2圖1.1.8所示的電磁鐵，其他條件均不改變。當勵磁線圈接在交流電源上，感應電勢為e=Esinωt時，如忽略線圈電阻和漏磁通，求作用在銜鐵上的電磁力。解：由題意，此時氣隙磁通為

=-=

則電磁力為

=·平均電磁力為=這里上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁701.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.5電磁鐵的特性參數(shù)與應用一、電磁鐵的特性參數(shù)通常以下列特性參數(shù)來表示電磁鐵的工作性能：(1)吸力特性指電磁鐵在一定的勵磁磁勢下銜鐵的吸力（力矩)與銜鐵行程（轉(zhuǎn)角)間的關系。特別是銜鐵的行程和銜鐵在初始位置時的吸力值，是使用者在選用電磁鐵時要注意的兩個重要參數(shù)。(2)額定工作電壓指電磁鐵可靠工作時繞組線圈所加的電壓（V)。(3)電磁鐵的吸合電壓Uxh（或吸合電流Ixh)它是能使銜鐵從初始位置運動到完全吸合位置的線圈最小電壓（或電流)值。在此電壓（或電流)作用下，電磁鐵吸力特性處處都應大于（或等于)銜鐵對應位置的反作用力（或力矩)。上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁711.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性(4)電磁鐵的釋放電壓Usf（或電流Isf)它是指能使銜鐵從吸合位置返回初始位置的線圈最大電壓（或電流)值。此時對應的電磁吸力（力矩)都應等于或小于作用在銜鐵上的反作用力（力矩)。(5)貯備系數(shù)Kcb=

(6)返回系數(shù)Kfh=(7)吸合時間txh

電磁鐵線圈接通額定電壓的瞬間到銜鐵運動到完全吸合所需要的時間。(8)釋放時間tsf

電磁鐵線圈斷開電源瞬間到銜鐵回復到初始位置所需要的時間。

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下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁721.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性二、電磁鐵的應用電磁鐵結構簡單，動作速度快，維護方便，能產(chǎn)生較大的吸力，因而是自動控制中重要的電磁元件之一。它不僅可以作為獨立的元件直接應用，而且還是眾多電磁元件的主體部件之一，應用十分廣泛，下面僅舉幾個應用實例。1.電磁冷氣閥電磁冷氣閥在國防和民用工業(yè)中被廣泛應用。它的結構如圖1.1.11所示。2.雙繞組操縱電磁鐵這種電磁鐵實際上可看作是組合在一起的兩個電磁鐵，如圖1.1.12所上一頁

下一頁1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁下一頁731.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性示。當線圈1、2均沒通電時，銜鐵處于中間位置（零位)。當線圈1通電時，銜鐵在電磁力作用下將向左移動。而當線圈1不通電，線圈2通電時，銜鐵又將向右移動，因此它是一種雙向運動的電磁鐵。3.電磁離合器電磁離合器的結構如圖1.1.13所示。圖中虛線表示由線圈電流產(chǎn)生的磁通。電磁鐵的銜鐵通過花鍵與從動軸聯(lián)結。4.微動同步力矩器

圖1.1.14所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵在航空陀螺儀表中又稱微動同步力矩器。圖中轉(zhuǎn)子軸為彈性扭力軸。

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返回1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性上一頁返回74圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；5—線圈；6—彈簧返回圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；75圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—臺座返回圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—76圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結構圖1—主動軸；2—從動軸；3—銜鐵；4—線圈；5—導磁體；6—安裝法蘭盤返回圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結構圖返回77圖1.1.14微動同步力矩器返回圖1.1.14微動同步力矩器返回781.2電磁繼電器和接觸器1.2.1結構和工作原理電磁繼電器是一種具有跳躍輸出特性的用于傳輸信號的電磁器件。它的基本組成是在電磁鐵基礎上加上觸點系統(tǒng)而構成。圖1.2.1是其原理結構圖和符號圖。1.2.2靜吸力特征和范例特征配合繼電器（或接觸器)能否可靠地工作，取決于靜吸力特性與反作用力特性恰當?shù)嘏浜?，即要使銜鐵順利地動作，使常開觸點可靠地閉合（或常閉觸點打開)，也就必須使吸力特性在繼電器動作過程中，在任何氣隙位置上，吸力始終大于反作用力，用數(shù)學式表達為

FD>FF

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返回1.2電磁繼電器和接觸器下一頁返回79圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結構圖；（b）符號圖返回圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結構圖；（b）符號圖返回801.2電磁繼電器和接觸器所謂反力特性是指銜鐵沿電磁力方向運動時所要克服的阻力Ff和工作氣隙的關系，即Ff=f(δ)。在圖1.2.7中同時畫出了該繼電器在不同線圈磁勢時的靜吸力特性Fd=f(δ)。圖中(IN)cd稱為觸動磁勢，對應的勵磁電壓、勵磁電流稱為觸動電壓Ucd和觸動電流Icd。為了保證繼電器可靠地工作，吸合時，電磁吸力必須始終大于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性上面；釋放時，電磁吸力必須始終小于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性下面。1.2.3繼電器的觸點與火化