電磁式DC 24 V中間繼電器動作性能研究

蔣小輝，張進玉，劉鉞偉，仲毅凱，趙 寵

（1.三峽大學科技學院 機電系，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著控制技術的進步，各種機電設備的自動化程度越來越高，而這些設備執行機構的主要作用是驅動受控對象，通常以液壓、氣壓和電磁式元件和機構為主。這些執行機構必須通過電磁式繼電器實施其控制回路的啟動與停止。電磁式DC 24 V中間繼電器是運用最普遍的一種繼電器，由鐵芯、復位裝置、引腳、接觸點以及銜鐵組成[1]。它的主要技術參數包括額定參數、吸合時間、釋放時間、整定參數（繼電器的動作電壓值，大部分控制電器的動作電壓值可以調節）、靈敏度（一般指繼電器對信號的反應能力）、觸頭的接通和分斷能力以及使用壽命。電磁式DC 24 V中間繼電器吸合電壓、線圈電阻等參數又對其動作性能具有較大影響。

1 電磁式直流中間繼電器機構原理

電磁式DC 24 V中間繼電器是電氣控制系統中最典型、應用最廣泛、類型眾多的一種繼電器。它的工作原理和構造基本相同。就結構而言，電磁式DC 24 V中間繼電器由感測和執行兩個基本組成部分。感測部分將信號轉換、放大和判斷，驅動執行部分動作。

1.1 電磁機構

電磁式低壓電器的感測元件是電磁機構，作用是將電能轉換成機械能，帶動觸點動作，實現分合回路功能。電磁機構通常由線圈、鐵心和銜鐵組成[2]。圖1為電磁式DC 24 V中間繼電器結構。

圖1 繼電器電磁機構

1.2 觸點系統

觸點的作用是接通或分斷電路，通常采用具有較低和較穩定的接觸電阻的銀質材料。它的氧化膜電阻率與純銀相似，可以避免觸點表面氧化膜電阻率增加而造成接觸不良。從動作狀態上，它可分為動合觸點與動斷觸點。從結構上，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，結構如圖2所示。

圖2 橋式觸點結構

2 電磁式直流中間繼電器動作原理

吸引線圈的作用是將電能轉換為電磁能[3]。串聯線圈導線截面積大，匝數少，阻抗較小。并聯線圈線截面積小，匝數多，阻抗較大。當線圈通過工作電流時產生足夠的磁動勢，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作特性

電磁機構工作時，線圈得電產生電磁吸力作用于銜鐵，并使銜鐵產生機械位移；線圈失電，電磁力消失，銜鐵在復位彈簧的作用下回到原位。銜鐵受到電磁吸力和彈簧反力。電磁吸力與線圈產生的磁場大小相關，反力與復位彈簧機械特性相關。當電磁吸力大于反力時，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重要參數。

電磁吸力F為：

式中，B為氣隙磁感應強度。

直流電磁機構的電磁吸力特性為[4]：

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

直流電磁機構吸力特性曲線，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，工作可靠，可用于運動頻繁的場合。但是，吸引線圈失電時，磁動勢急速減小為0，電磁機構的磁通發生相應的急劇變化，勵磁線圈中產生極大的感應電動勢，此感應電動勢一般是線圈額定勵磁電壓的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，隨著繼電器線圈上電壓的升高，它的電流不斷增加。當施加電壓值大于吸合電壓時，電磁線圈電磁吸力大于彈簧片的彈力，動觸點和靜觸點閉合，此時由于銜鐵動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。隨著電壓的繼續升高，電流繼續增加，逐漸達到一個確定值的水平，使彈簧的彈片進一步發生形變，從而使得銜鐵和鐵芯發生二次接觸。釋放時，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，由于機械慣性，銜鐵并沒有開始運動，繼續減小電流，銜鐵釋放。此時由于銜鐵動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。銜鐵此時有被吸合的趨勢，但是由于電流繼續下降，電磁線圈電磁吸力依然小于彈簧片的彈力，銜鐵釋放完畢。線圈吸合及釋放時電流變化，如圖4和圖5所示。

圖4 吸合時線圈電流變化

圖5 釋放時線圈電流變化

5 結 論

當繼電器吸引線圈失電時，勵磁線圈中產生極大的感應電動勢，導致線圈斷電瞬間出現較大沖擊電壓，易燒壞線圈。為了防止發生這類故障，可在直流線圈中采用反并聯二極管與限流電阻來消除這類危害。線圈斷電時，剩磁產生吸力，使復位困難，繼電器動作滯后。此時，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。