第五节 电磁铁

一、铁心线圈的电与磁

铁心线圈分为两种，一种是通直流电励磁的直流铁心线圈，如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈；另外一种是通交流电励磁的交流铁心线圈，如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈。

直流铁心线圈的分析比较简单，因为励磁电流是直流，产生的磁动势是固定的，由式（1-25）知u_L=-e_L=Ldi/dt=LdI/dt=0在线圈和铁心中不会感生电动势，在一定的电压（U）下，线圈中的电流（I）只与线圈本身的电阻（R）有关，即

所以，直流铁心线圈在它额定电压下是不会发生过电流的，功率损耗也只有P=I²R。而交流铁心线圈在电磁关系、电压电流关系及功率损耗等各个方面是有所不同的。

如图1-25所示，当线圈被接到交流电源上，线圈通过交流励磁电流i,则磁动势iN产生交变磁化铁心，使铁心产生铁损，而线圈绕组有电阻也要产生功率损耗（称为铜损），此外磁动势iN产生的磁通量，绝大部分通过铁心而闭合（这部分磁通称为主磁通量或工作磁通量Φ）；而还有很少的一部分磁通量经过空气或其他非导磁媒质而闭合（这部分磁通量称为漏磁通量Φ_σ）。这两个磁通量在线圈中各自产生感应电动势，即主磁通量的e和漏磁通量的e_σ。这两个感应电动势都会影响电压与电流之间的关系。

由此得到交流铁心线圈有如下电与磁的关系：

因为漏磁通量计算比较困难，通常是通过实验来测量。

这样，就可列出铁心线圈的电压方程为

显然，这是一非线性微分方程，不易求解，通常是通过等效正弦量的方法近似求解。

当外加电源是正弦量时，由于是非线性微分方程，电流将是非正弦量，但在电压方程中电阻的压降iR和漏磁电动势e_σ都很小，虽然电流不是正弦量，主磁通量的感应电动势e仍然是接近正弦量，于是将非正弦电流i用它的等效正弦量来代替，则式（1-29）写成相量的形式：

假设主磁通量Φ=Φ_msinωt，则线圈感应电动势e为

式中，E_m=2πfNΦ_m是主磁电动势e的幅值，而其有效值为

写成相量的形式：

由于漏磁通量不经过铁心，而是沿着非铁磁性物质闭合，磁路不饱和，励磁电流i与Φ_σ之间可以认为成线性关系，铁心线圈的漏磁电感为

那么漏电动势为

则线圈的漏电抗X_σ=ωL_σ，同样的道理，对于主磁通量Φ产生的感应电动势E也可以看成一个阻抗压降的形式，这就引入一个励磁阻抗的概念，对分析和计算铁心线圈将带来极大方便。由于主磁通量在铁心中会引起铁损，要消耗有功功率，必须引入一个铁损电阻R_m,另一部分才是主磁通量电抗X_m，于是主磁通量的感应电动势为

式中 Z_m=R_m+X_m,称为励磁阻抗。这样就可画出交流铁心线圈的等效电路图，如图1-26所示。

可见，线圈回路有电阻、有漏电抗还有自感电动势，所以交流铁心线圈中的电流比较小，这是交流磁路与直流磁路的区别。

因为线圈的电阻R和漏电抗X_σ（或漏磁通量Φ_σ）较小，在计算中可以忽略不计。于是

把式(1-34)写成相量的形式：

由式（1-36）可做出如图1-27的相量图。可见，当不计铁心线圈中电阻R和漏电抗X_σ时，铁心线圈中主磁通量Φ是滞后于外加电压U90°，其幅值Φ_m取决于外加正弦电压有效值U和频率f。铁心线圈是把电变为磁或磁变为电的基本电气元件，单独使用成为电抗器，作为限制电路中的高频电流，也称为扼流线圈。

式（1-36）是分析交流电机、变压器以及接触器电路和磁路的常用的公式，应特别注意。

二、电磁铁

电磁铁可分为励磁线圈、铁心及衔铁三部分。如图1-28所示的是电磁接触器的电磁铁的结构型式。

电磁铁在船舶中的应用极为广泛，如各种电动机的控制、主机的自动控制和船舶通信系统控制等都要用到接触器、电磁继电器。而接触器、电磁继电器就是利用电磁铁原理制成的。

1.电磁铁的工作原理

我们以电磁制动器为例，如图1-29所示。当电动机运转时，电磁铁励磁线圈通电，产生吸力克服弹簧的反作用力，将圆盘或衔铁吸向铁心，与电动机带动的可旋转摩擦盘脱离转盘，使电动机可自由起动和运行。

当需要制动电动机时，电磁铁励磁线圈断电，电磁铁失去吸力，在弹簧力的作用下，使圆盘或衔铁压向转盘，靠摩擦力使电动机制动停车。

制动电磁铁应设有手动松闸和动、静片之间的闸隙调节螺钉。

总之，电磁铁通电产生吸力，断电失去吸力。根据工作要求其衔铁和铁心形状可能不同，但原理一样。

2.电磁吸力

电磁吸力的大小与经过气隙进入衔铁的磁力线的多少及分布有关，它与气隙的磁通密度B₀的二次方、气隙截面积S₀成正比，其计算吸力公式为

对于交流电磁铁：B₀=B_msinωt则瞬时吸力为

式中 F_m=0.5S₀。

iB ₀是正弦量，而f是在0到最大值F_m之间周期性地脉动，那么一个周期的平均吸力为

因为：

对于单相的电磁铁，因为f是脉动，当吸力变化到接近于零时，因对衔铁吸力不足而产生振动和噪声，污染环境，影响寿命。为了使铁心端面产生的合成吸力不为零，在端部嵌装一个闭合的铜环，称为短路环，如图1-30所示。由于在短路环中通过交变磁通量，产生感应电动势和楞次电流，以反抗磁通的变化，从而使穿过短路环的磁通量Φ₂的变化滞后于环外的磁通量Φ₁的变化，由于这两个磁通量不会同时过零，又在铁心截面的不同部位，故任何瞬时对衔铁的吸力都不为零，从而减弱或消除振动和噪声。

三相电磁铁，通常采用E形铁心，三相铁心线圈所产生的气隙磁通量不会同时零，因而不会产生振动和噪声，交流电磁铁制动器常用三相交流电磁铁。

三、交流、直流电磁铁的特点

1、直流恒压电磁铁是恒磁动势型

直流电磁铁接到直流电源上，当电压恒定时，电流I=U/R也恒定，所以磁动势IN恒定，即直流电磁铁是一恒磁动势元件。又根据式（1-13）知其磁通量Φ=IN/R_m ,随着电磁铁的气隙的减小（R_m减小）而增加，磁感应强度B_m也随着增加，由式（1-38）知其吸力大大增加。这就是在直流接触器、继电器吸合以后，往往串接经济电阻以减小工作电流（但仍能保持吸合）、达到延长使用寿命的原因。

2.交流恒压电磁铁是恒磁通型

交流接触器接到交流电源上，当交流电源电压恒定时，由式（1-35）可知，在其他参数不变的情况下，交流接触器的电磁铁是一恒磁通元件，由于磁通恒定，其吸力也恒定，无论交流接触器的电磁铁的气隙怎样变化，电流必随之变化。若由于某种原因，在工作中衔铁卡住而吸不上，此时的气隙大于正常吸合时的气隙，电流就增大，时间稍长，线圈则烧毁。而直流电磁铁在衔铁被卡住后线圈是不会烧毁的。

3.交、直流电磁铁的结构不同

由于交流电磁铁的铁心会产生涡流损耗而发热，为减少涡流损耗，它是由硅钢片叠成，而且其端面嵌有短路环，以减少衔铁发生振动并发出噪声；直流电磁铁则由整块铸铁制成，原因是直流电磁铁不存在涡流损耗问题。