蔣小輝，張進(jìn)玉，劉鉞偉，仲毅凱，趙 寵

（1.三峽大學(xué)科技學(xué)院 機(jī)電系，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，各種機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，而這些設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要作用是驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象，通常以液壓、氣壓和電磁式元件和機(jī)構(gòu)為主。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須通過電磁式繼電器實(shí)施其控制回路的啟動(dòng)與停止。電磁式DC 24 V中間繼電器是運(yùn)用最普遍的一種繼電器，由鐵芯、復(fù)位裝置、引腳、接觸點(diǎn)以及銜鐵組成[1]。它的主要技術(shù)參數(shù)包括額定參數(shù)、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、整定參數(shù)（繼電器的動(dòng)作電壓值，大部分控制電器的動(dòng)作電壓值可以調(diào)節(jié)）、靈敏度（一般指繼電器對(duì)信號(hào)的反應(yīng)能力）、觸頭的接通和分?jǐn)嗄芰σ约笆褂脡勖?。電磁式DC 24 V中間繼電器吸合電壓、線圈電阻等參數(shù)又對(duì)其動(dòng)作性能具有較大影響。

1 電磁式直流中間繼電器機(jī)構(gòu)原理

電磁式DC 24 V中間繼電器是電氣控制系統(tǒng)中最典型、應(yīng)用最廣泛、類型眾多的一種繼電器。它的工作原理和構(gòu)造基本相同。就結(jié)構(gòu)而言，電磁式DC 24 V中間繼電器由感測(cè)和執(zhí)行兩個(gè)基本組成部分。感測(cè)部分將信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大和判斷，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分動(dòng)作。

1.1 電磁機(jī)構(gòu)

電磁式低壓電器的感測(cè)元件是電磁機(jī)構(gòu)，作用是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)分合回路功能。電磁機(jī)構(gòu)通常由線圈、鐵心和銜鐵組成[2]。圖1為電磁式DC 24 V中間繼電器結(jié)構(gòu)。

圖1 繼電器電磁機(jī)構(gòu)

1.2 觸點(diǎn)系統(tǒng)

觸點(diǎn)的作用是接通或分?jǐn)嚯娐罚ǔ２捎镁哂休^低和較穩(wěn)定的接觸電阻的銀質(zhì)材料。它的氧化膜電阻率與純銀相似，可以避免觸點(diǎn)表面氧化膜電阻率增加而造成接觸不良。從動(dòng)作狀態(tài)上，它可分為動(dòng)合觸點(diǎn)與動(dòng)斷觸點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上，它可分為有橋式和指形兩種。電磁式DC 24 V中間繼電器大多采用橋式觸點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 橋式觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 電磁式直流中間繼電器動(dòng)作原理

吸引線圈的作用是將電能轉(zhuǎn)換為電磁能[3]。串聯(lián)線圈導(dǎo)線截面積大，匝數(shù)少，阻抗較小。并聯(lián)線圈線截面積小，匝數(shù)多，阻抗較大。當(dāng)線圈通過工作電流時(shí)產(chǎn)生足夠的磁動(dòng)勢(shì)，從而在磁路中形成磁通，使銜鐵獲得足夠的電磁力，克服反作用力而吸合。當(dāng)線圈工作電流消失，磁路中磁通消失，電磁力消失，銜鐵在彈簧力作用下返回。

3 線圈電磁吸力及其動(dòng)作特性

電磁機(jī)構(gòu)工作時(shí)，線圈得電產(chǎn)生電磁吸力作用于銜鐵，并使銜鐵產(chǎn)生機(jī)械位移；線圈失電，電磁力消失，銜鐵在復(fù)位彈簧的作用下回到原位。銜鐵受到電磁吸力和彈簧反力。電磁吸力與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相關(guān)，反力與復(fù)位彈簧機(jī)械特性相關(guān)。當(dāng)電磁吸力大于反力時(shí)，鐵心吸合；反之，鐵心釋放。因此，電磁吸力是決定其能否可靠工作的一個(gè)重要參數(shù)。

電磁吸力F為：

式中，B為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。

直流電磁機(jī)構(gòu)的電磁吸力特性為[4]：

式中：I為線圈中通過的電流（A）；N為線圈的匝數(shù)（匝）；S為氣隙截面積（m2）；δ為氣隙寬度（m）；F為電磁吸力（N）；μ為真空磁導(dǎo)率。從式（2）可以看出，對(duì)于固定線圈通以恒定直流電流時(shí)，其電磁力F僅與δ2成反比。

直流電磁機(jī)構(gòu)吸力特性曲線，如圖3的曲線1所示。曲線1斜率較大，由式（1）可知，銜鐵氣隙小，閉合前后吸力大，線圈電流連續(xù)，工作可靠，可用于運(yùn)動(dòng)頻繁的場(chǎng)合。但是，吸引線圈失電時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)急速減小為0，電磁機(jī)構(gòu)的磁通發(fā)生相應(yīng)的急劇變化，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生極大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一般是線圈額定勵(lì)磁電壓的10～20倍，易使線圈過壓而燒壞。

圖3 電磁吸力特性

4 繼電器線圈電氣特性

吸合時(shí)，隨著繼電器線圈上電壓的升高，它的電流不斷增加。當(dāng)施加電壓值大于吸合電壓時(shí)，電磁線圈電磁吸力大于彈簧片的彈力，動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)閉合，此時(shí)由于銜鐵動(dòng)作而造成磁路中的空氣間隙突然消失，使得線圈中電流突然下降。隨著電壓的繼續(xù)升高，電流繼續(xù)增加，逐漸達(dá)到一個(gè)確定值的水平，使彈簧的彈片進(jìn)一步發(fā)生形變，從而使得銜鐵和鐵芯發(fā)生二次接觸。釋放時(shí)，施加在線圈上的電壓逐漸減少，電流逐漸變小，使得電磁線圈電磁吸力小于彈簧片的彈力。此時(shí)，由于機(jī)械慣性，銜鐵并沒有開始運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)減小電流，銜鐵釋放。此時(shí)由于銜鐵動(dòng)作而造成磁路中突然形成空氣間隙，使得線圈中電流突然上升。銜鐵此時(shí)有被吸合的趨勢(shì)，但是由于電流繼續(xù)下降，電磁線圈電磁吸力依然小于彈簧片的彈力，銜鐵釋放完畢。線圈吸合及釋放時(shí)電流變化，如圖4和圖5所示。

圖4 吸合時(shí)線圈電流變化

圖5 釋放時(shí)線圈電流變化

5 結(jié) 論

當(dāng)繼電器吸引線圈失電時(shí)，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生極大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致線圈斷電瞬間出現(xiàn)較大沖擊電壓，易燒壞線圈。為了防止發(fā)生這類故障，可在直流線圈中采用反并聯(lián)二極管與限流電阻來消除這類危害。線圈斷電時(shí)，剩磁產(chǎn)生吸力，使復(fù)位困難，繼電器動(dòng)作滯后。此時(shí)，可在銜鐵上安裝有一定厚度的非磁性材料或極靴，使銜鐵快速釋放。