第四节电磁铁.doc

第四节 电磁铁

电磁铁是利用通电的铁心线圈所产生的强磁场来吸引铁磁物质（衔铁）动作的电器。它广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。电磁铁由励磁线圈、铁心和衔铁组成，其结构如图3-17所示。工作时，电流通入励磁线圈产生磁场，使铁心和衔铁都被磁化，衔铁受到电磁力的作用与铁心吸合，而电磁铁的衔铁可带动其他机械零件或触点动作，实现各种控制和保护。断电时，磁场消失，衔铁在弹性力的作用下释放。
当衔铁为被加工的工件时，则起到固定工件位置的作用，如磨床中常用的电磁吸盘。因此电磁铁在生产上的应用非常广泛。
根据电磁铁线圈中所通过的电流不同，可分直流电磁铁和交流电磁铁两大类。
一、 直流电磁铁
1、直流电磁铁的吸力
直流电磁铁的励磁电流是直流。可以证明，直流电磁铁的衔铁所受吸力为

式中B0——空气隙的磁感应强度（Wb/m2）；
S——空气隙磁场的截面积（m2）；
F——电磁铁的吸力（N）。
2、直流电磁铁特点
直流电磁铁采用直流电流励磁，铁心中的磁通恒定，没有感应电动势产生，因而线圈的励磁电流由电源电压和线圈内阻决定。如果电源电压和线圈内阻不变，则励磁电流不变，所以磁动势NI也不变。因此直流电磁铁具有以下特点：
· 线圈中的直流励磁电流只取决于电源电压和线圈电阻，是不变的。
· 直流电磁铁在衔铁吸合过程中气隙是逐渐变小的，磁路中磁阻也逐渐变小。
根据磁路欧姆定律（Φ=N I
/Rm）可知，励磁电流不变时，磁通与磁阻成反比，在衔铁吸合过程中磁通逐渐变大，由此说明直流电磁铁的吸力F的大小与衔铁所处空间位置有关，电磁铁在起动（开始吸合）时的吸力，要比工作时（吸合后）的吸力小很多。
二、交流电磁铁
当交流电磁铁的铁心线圈通入正弦交流电时，铁心中便产生交变磁通，线圈的端电压和铁心中磁通有以下关系

式中f——外加励磁交流电的频率（Hz）；
N——铁心线圈的匝数；
Φm——铁心中磁通的最大值（Wb）；
U——外加电源电压的有效值（V）。
从式中我们可看到，当电源频率和线圈匝数一定时，铁心中磁通的最大值与电源电压的有效值成正比。当电压有效值不变时，铁心中磁通的最大值亦保持恒定不变，与磁路无关。
1、交流电磁铁的吸力
交流电磁铁是用交流电励磁的，气隙中的磁感应强度随时间而变化，所以交流电磁铁的吸力也要随时间而变化。一般计算时，只考虑其平均值（平均吸力是最大吸力的一半），其计算公式为

式中Bm——气隙磁感应强度最大值（Wb/m2）；
S——空气隙磁场的截面积（m2）；
Fav——电磁铁的平均吸力（N）。
2、短路环
由以上分析可知，交流电磁铁的吸力随时间在零与最大值之间变化，因而衔铁要发生振动而引起噪声。
在铁心的端面上嵌装一个叫做短路环（又称分磁环）的闭合铜环可以有效地消除这种噪声，如图3-8所示。短路环将原来铁心中的磁通Φ分成Φ1和Φ2两部分，Φ2穿过短路环，在短路环中产生感应电流，感应电流阻碍Φ2的变化，使磁通使Φ1和Φ2产生相位差。这样一来，穿过空气隙的磁通就不会同时为零，吸力也就不会中断，从而减弱了衔铁的振动，降低了噪声。
(《培训教材(中)》图2-11)
3．交流电磁铁的特点
1）在衔铁吸合过程中,交流电磁铁吸力F的大小基本不变。交流电磁铁磁路中，磁通与磁路选用的材料、空气隙的大小没有关系，只由交流电压的大小和频率决定。
2）交流电磁铁的励磁电流（有效值）在吸合前后将有很大的变化。
交流电磁铁吸合前后的空气隙不同，引起磁阻不同。交流电磁铁在起动（开始吸合）时的电流，要比工作时（吸合后）的电流大很多。
由实验可知，U形电磁铁衔铁打开时的励磁电流是吸合后的10-15倍。而线圈的允许电流值是按衔铁吸合后的电流值设计的，所以如果线圈得电而衔铁由于种种原因不能吸合或频繁操作时，线圈易过热甚至烧坏，这也是交流电磁铁比直流电磁铁容易烧坏的原因之一。
交流电磁铁铁心中交变的磁通会产生涡流和磁滞损耗，为了减小铁心损耗，交流电磁铁的铁心是由硅钢片叠成的。
三、电磁铁在汽车中的应用
利用电磁铁磁性强、控制方便等特点，可制成许多控制部件或执行部件应用到汽车上，因此电磁铁在汽车电器设备中广泛应用。如电磁铁常用于各种继电器、电磁阀等设备。它可以控制电路的接通与关断或流量的有无，相当于一个开关元件。下面分别介绍两个应用实例——汽车电控燃油喷射系统中的喷油器和电喇叭电路。
1、汽车电控燃油喷射系统中的喷油器
如图3-19所示，汽车电控燃油喷射系统中的喷油器，其中电磁铁中的衔铁与针阀是一体，喷油器就是采用电磁铁的电磁吸力来打开或关闭燃油计柱塞，从而控制喷油器的喷油量。当发动机ECU发出喷油信号，电磁线圈通电后，产生电磁吸力，吸引衔铁沿着轴向向右移动，并带动针阀克服弹簧弹力离开阀座，燃油即开始喷射。当发动机ECU发出停止喷油指令时，切断喷油器电磁线圈的搭铁回路，电磁吸力消失，在弹簧弹力作用下针阀关闭，喷射停止。
2、电喇叭
汽车电喇叭按外形不同可分为螺旋形、筒形和盆形等，目前国产汽车使用的多为螺旋形和盆形喇叭。两种电喇叭结构和工作原理基本相同，都是利用电磁原理使得喇叭膜片振动，从而发出警报声音。
图3-20为筒形、螺旋形喇叭构造图。当按下按钮19时，电流路径为蓄电池正极-线圈9-触点臂14、15-按钮19-搭铁-蓄电池负极。当电流通过线圈9时，产生电磁吸力，吸下衔铁8，中心杆上的调整螺母11压下活动触点臂15，使触点分开而切断电路．此时，线圈9电流中断，电磁吸力消失，在弹簧片7和膜片3的弹力作用下，衔铁又返回原位，触点闭合，电路又接通。电喇叭利用衔铁触点控制电磁铁电路的通断，使电磁铁不断吸合和断开，产生振荡，发出报警声。这个过程每秒钟重复数次，从而使得钢膜片发生振动。当膜片振动时，喇叭内的空气也将产生振动，从而产生报警声音。