郭玉萍，楊一平

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000）

永磁接觸器工作原理和節(jié)能技術(shù)的研究

郭玉萍，楊一平

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000）

目前，廣泛使用的電磁式交流接觸器、繼電器、電磁閥、牽引電磁鐵等低壓電器元件，線圈工作時消耗電能，當(dāng)其保持工作狀態(tài)時間比較長時，線圈的耗電量就更大。新型節(jié)能型永磁接觸器成功地將新型永磁材料、電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合一體，采用電磁吸合、永磁保持的原理，工作期間線圈耗能量小，節(jié)能效果顯著，為傳統(tǒng)電磁式接觸器替代產(chǎn)品。

電磁式；低壓電器；永磁；電磁吸合；永磁保持

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排已被世界各國作為重要議題來研究。我國是個能源消耗大國，交流接觸器、繼電器、電磁閥、牽引電磁閥等等低壓電器的用量很大，據(jù)有關(guān)部門估計，在線作業(yè)的此類低壓電器有上億件之多，平均每件工作電流按2A計算（220V的交流接觸器吸引線圈工作電流從0.4A～10A；380V的交流接觸器吸引線圈工作電流從0.25～15A；500V的交流接觸器吸引線圈工作電流從0.19～15A），那就是一億安以上個電流，每件節(jié)電按50%計算，其全部節(jié)電量，相當(dāng)可觀。

1 普通電磁式接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理（以CJ20型為例）

1.1 通電磁式接觸器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為CJ20型電磁式接觸器的結(jié)構(gòu)。

1.2 普通電磁式接觸器的工作原理

普通電磁式接觸器的原理就是它工作時，靠線圈帶電，產(chǎn)生電磁力，維持動、靜磁鐵吸合，使得接觸器主、輔觸點閉合，從而使主電路上的負(fù)載工作。傳統(tǒng)電磁式接觸器工作期間，線圈需常時帶電來維持吸合狀態(tài)，不僅線圈耗能，而且電壓波動產(chǎn)生震顫噪音，線圈極易燒毀，觸點壽命降低等。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

2 永磁接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理（以CJ20J型為例）

2.1 永磁接觸器的結(jié)構(gòu)

永磁接觸器采用永磁鐵，將原電磁線圈改變?yōu)橛兄行某轭^電磁線圈，該線圈與電子模塊共同組成復(fù)合電子模塊。如圖2所示，為CJ20J永磁接觸器的結(jié)構(gòu)圖。

2.2 永磁接觸器的工作原理

圖2 永磁接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

永磁接觸器的工作原理就是利用磁極的同性相斥，異性相吸的原理，因安裝在接觸器聯(lián)動機(jī)構(gòu)上的永磁體的極性是固定不變的，而固定在接觸器底座上的特殊工藝制作的復(fù)合電子模塊（相當(dāng)于軟鐵），在外來控制信號作用下，電子模塊產(chǎn)生十幾至二十幾毫秒的正、反向脈沖電流，使軟鐵產(chǎn)生不同的極性。相對永磁體面（下端為N極）來說，吸合時軟鐵上端為S極；保持時軟鐵無極性；釋放時為N極，從而使接觸器的主觸頭達(dá)到吸合、保持與釋放的目的，由于采用電子模塊的控制，可根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定釋放電壓值（斷電為零電壓），并可延遲一段時間再發(fā)出反向脈沖電流，以實現(xiàn)低電壓延時釋放或斷電延時釋放的功能，免受網(wǎng)電壓大幅度波動的干擾，達(dá)到穩(wěn)定電氣控制系統(tǒng)的目的。

2.3 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)和線圈的工作原理

2.3.1 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)吸合瞬間的情況

永磁接觸器線圈和電磁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。工作時SB2接通，線圈1-2通電，產(chǎn)生較大的吸合力，改力克服彈簧反力使磁鐵瞬間吸合。圖3（a）（b）為永磁鐵吸合瞬間，線圈的工作情況和電磁結(jié)構(gòu)中磁場的分布情況、磁極的受力情況，在圖3（a）中，按下SB2按鈕，1-2之間的線圈工作，在上正下負(fù)電源作用下，使得圖3（b）中的復(fù)合電子模塊產(chǎn)生上端為S極的磁場，此磁場與永磁鐵的N極吸引，吸引力遠(yuǎn)大于彈簧反力，使得永磁鐵和復(fù)合電子模塊瞬間吸合。同時電源對電容C4進(jìn)行充電，如圖3（a）所示，為電容C4充電情況。

2.3.2 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)的吸合保持情況

圖3 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)和線圈

在圖3（a）中，當(dāng)吸合后，松開按鈕SB2，1-2之間的線圈斷電，此時，軟鐵被永磁鐵的N極吸引，吸引力大于彈簧反力，使得永磁鐵和復(fù)合電子模塊保持原來的吸合狀態(tài)（如圖4所示）。

圖4 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)的吸合保持情況

2.3.3 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)的斷電釋放情況

當(dāng)需釋放時，按下按鈕SB1，供給復(fù)合電子模塊線圈的主電源解除，此時，電容C4作為復(fù)合電子模塊線圈3-2部分的電源，進(jìn)行放電，如圖5所示，在線圈上產(chǎn)生上負(fù)下正的電源，在這個電源作用下，使得圖5（b）中的復(fù)合電子模塊產(chǎn)生上端為N極的磁場，此磁場與永磁鐵的N極推斥，小電磁線圈產(chǎn)生反向磁場推斥力和彈簧反力的合力，使得永磁鐵和復(fù)合電子模塊瞬間快速分離，如圖5（b）所示。

圖5 永磁接觸器電磁結(jié)構(gòu)釋放和線圈

2.4 永磁接觸器電子模塊工作原理

2.4.1 永磁接觸器復(fù)合模塊中電子模塊的參考電路如圖6所示。

2.4.2 永磁接觸器電子模塊的工作原理

圖6 永磁接觸器電子模塊的參考電路

按下SB2按鈕，復(fù)合模塊的全部線圈1-2得電，如圖3（a）所示。接觸器線圈上端在大電流下，產(chǎn)生與永磁鐵N極相反的極性S極，這樣，永磁鐵的N極與復(fù)合電子模塊的S極相互吸引，克服復(fù)位彈簧的彈力，瞬間吸合，同時觸點KM自鎖，使得電源保持接通；松開SB2 ，復(fù)合模塊的全部線圈1-2斷電，軟鐵與永磁鐵產(chǎn)生的磁力克服復(fù)位彈簧的彈力仍然保持吸合；當(dāng)按下SB1停止按鈕時，主電源斷電，電容C4作為復(fù)合模塊線圈3-2的電源，進(jìn)行瞬間高電壓、大電流放電，使得KM線圈3-2產(chǎn)生反方向的磁場，該磁場力與復(fù)位彈簧的合力克服軟鐵與永磁鐵產(chǎn)生的磁力使得接觸器瞬間釋放。

2.4.3 電子模塊中各電子元件的作用

R1為壓敏電阻；二極管D5，電阻R2、R3，電容C1、C2，穩(wěn)壓管D8，MOSTET管Q2組成欠壓監(jiān)視電路，當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，Q2關(guān)斷，主電源關(guān)斷；二極管D6，電容C3，電阻R4、R5，組成分壓電路，C3為濾波電容，當(dāng)通以額定電壓時，R5上分得的電壓大于0.6V，使三極管Q1飽和導(dǎo)通，Q1的集電極 C 極被拉成低電位，MOSTET管Q3截止，電阻R7和Q3所在的支路被關(guān)斷；二極管D7、電容C4、復(fù)合模塊線圈KM構(gòu)成充電主回路，如圖4（a）所示。

電壓為額定值時，電解電容C4兩端電壓高于額定電壓，電容C4充電時：1）線圈中的電流形成磁場 ，保持永磁鐵與復(fù)合電子模塊處于吸合位置；2）充好電的電容在斷電時，作為電源，為保持永磁鐵與復(fù)合電子模塊排斥分開提供動力準(zhǔn)備。當(dāng)欠壓(在額定值10%-70%范圍內(nèi))或失壓時，Q1截止，C4兩端的電壓通過電阻R6加在Q3的柵源極，Q3導(dǎo)通，并聯(lián)的穩(wěn)壓管D9對Q3進(jìn)行保護(hù)；由C4、Q3、復(fù)合模塊線圈KM構(gòu)成放電回路，如圖5（a）所示線圈產(chǎn)生的磁勢上端為N極，正好與永磁磁勢下端N極相反，彈簧反力和電磁力排斥力推動動永磁鐵與復(fù)合模塊分離，實現(xiàn)接觸器動靜觸點分離功能。

3 永磁接觸器性能

3.1 不受網(wǎng)電壓干擾，不打顫

在額定電壓30%到130%電壓波動范圍內(nèi)，仍然能可靠的吸合，觸頭沒有顫動現(xiàn)象。

3.2 節(jié)電率大于99.8%

舉例說明：超級節(jié)能的永磁式交流接觸器CJ20J-40工作電流是0.8mA，年耗電量是2.66KW/h。傳統(tǒng)接觸器CJ20-40工作電流是90mA，年耗電量是296.26KW.h

3.3 可選擇釋放電壓

永磁式接觸器采用復(fù)合電子模塊控制吸合系統(tǒng)，在釋放電壓上精確控制，可實現(xiàn)欠壓、過壓、斷相、過流、二次保護(hù)等，具備了“智能型”控制系統(tǒng)二次開發(fā)平臺。

3.4 獨(dú)特的延時釋放功能

永磁式交流接觸器能夠在自身電子模塊里設(shè)計延時釋放功能，大大降低設(shè)備投資成本和維護(hù)成本。

3.5 無噪音、無溫升

永磁式交流接觸器因為電子模塊內(nèi)選用的是微功耗電子元件，所以在穩(wěn)定工作狀態(tài)的維持電流一般在微安級，最多達(dá)到毫安級。而且數(shù)值都是維持在相當(dāng)?shù)偷臓顟B(tài)下，穩(wěn)定性能非?？煽?，模塊沒有自身溫度，更沒有噪音。

4 結(jié)論

永磁式接觸器是一種大電流電磁結(jié)構(gòu)吸合，觸點導(dǎo)通；小電流電磁結(jié)構(gòu)保持吸合，觸點導(dǎo)通；高電壓、大電流電磁結(jié)構(gòu)瞬間釋放，觸點斷開的電器元件。具有工作可靠，節(jié)電、無噪聲，結(jié)構(gòu)簡單等特點，為我國節(jié)能減排工程重點推廣的節(jié)能產(chǎn)品。

[1] Sato J. Sakaguchi O. Kubota N.et al .New technology for medium voltage solid insulated switchgear[C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference. Yokahama.Japan. 2002.

[2] 馬少華, 王季梅.72.5kV高壓真空斷路器永磁操動機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計[J].中國電機(jī)工程學(xué)報.2001, 21(12)： 109-114.

[3] 林莘, 徐建源, 高會軍. 永磁操動機(jī)構(gòu)動態(tài)特性計算與分析[J].

[4] 房淑華, 林鶴云, 等. 永磁接觸器磁場有限元分析及控制單元設(shè)計. 2006, 26(22).

[5] 河南松峰電子實驗室數(shù)據(jù).

Research to permanent magnetic contactor principle of work with power-saving technology

GUO Yu-ping, YANG Yi-ping

TP368;TP393

B

1009-0134(2011)5(下)-0149-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).47

2010-11-21

郭玉萍（1966－），女，實驗師，本科，主要從事機(jī)電一體化專業(yè)的理論和實踐的教學(xué)工作以及產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合工作。