交流电磁铁的技术改造

摘 要：在工业的电气设备和民用的家用电器中，很多都采用电磁铁作为主要部件，如：起重机、交流接触器、继电器、电磁阀、电磁吸盘等，由于直流电磁铁和交流电磁铁采用的电源不同，所以它们的特性就有所不同，即使额定电压相同的交、直流电磁铁也绝不能互相使用，因为交流电磁铁的铁心要采用硅钢片叠压用漆包制而成，在衔铁的磁极端面上嵌入铜制的短路环，以减少涡流损耗和吸合时的颤动。

关键词：电磁铁；涡流损耗；磁滞损耗；短路环

中图分类号：TM13 文献标识码：A

1 电磁铁的结构和用途

电磁铁由于用途不同，其型式各异，但是基本结构却是相同的，都是由励磁线圈、静铁心和衔铁（动铁心）三个主要部分组成。

电磁铁利用铁磁材料作铁心，在铁心上绕有线圈，利用通电的铁心线圈吸引衔铁而工作的一种电气设备。当电路接通时，线圈通电，产生磁场，衔铁与铁心吸合；当电路断开时，电流为零，磁性减弱，衔铁被释放。

电磁铁根据使用电源的不同，分为直流电磁铁和交流电磁铁。而按用途的不同又可分为起重电磁铁、控制和保护电磁铁以及电磁吸盘等。起重电磁铁主要用于起重设备中，用以起卸和搬运各种钢铁材料及其制件。控制和保护电磁铁常用于接触器、继电器、电磁阀等电器中，用以控制电路的通断和保护电气设备等，因而相当于一个或一组具有开关作用的元件。电磁吸盘主要用于磨床、刨床等机械加工设备上，借助于电磁吸力来固定被加工的钢制工件。除此之外，电磁铁还常用于牵引、制动等方面。

2 直流电磁铁和交流电磁铁的区别

从外形、结构和基本工作原理来看，交、直流电磁铁并没有多大区别，但在电磁关系上却有很大的不同。

直流电磁铁的励磁电流与磁路性质无关，其大小仅决定于线圈两端电压和线圈电阻，线圈再通以直流电流时，电阻是不会改变的，因而磁路中的磁通是恒定的。而交流电磁铁的励磁电流则由磁路性质决定，即由磁路磁阻的大小决定。当电磁铁起动时，衔铁与铁心之间的空气隙最大，空气隙大时磁阻大，励磁电流也大；当衔铁吸合后，空气隙δ=0，当空气隙小时，励磁电流也小。因此，交流电磁铁在使用中，如发现衔铁卡住而不能吸合时，应立即切断电源，排除故障，否则就会因励磁电流过大而使线圈过热而损坏。

式中：F-电磁吸力，单位为N（牛）；B-空气隙中的磁感应强度，单位为T（特）；S-铁心的横截面积，单位为m2。

（1）直流电磁铁在工作过程中，即衔铁吸合时，磁路中的磁通、磁感应强度是恒定的，吸力是稳定的。而交流电磁铁在工作中，磁通和磁感应强度是交变的，吸力因而是脉动的。因此衔铁和铁心吸合时会发生颤动和噪声。

（2）在交变磁通作用下，交流电磁铁的铁心具有磁滞损耗和涡流损耗，工程上将这两种损耗成为铁心损耗，简称铁损。铁磁性物质在交变磁场的作用下，由于其内部的磁畴在不断改变其排列方向时而不可逆转的能量损耗称为磁滞损耗。铁心线圈在交流电源作用下，产生交变的磁通穿过铁心，使得铁心内部产生感应电动势，从而产生感应电流，铁心内的这种感应电流称为涡流如图1所示。

涡流的存在会使电气设备的铁心发热而消耗电功率，称为涡流损耗，这中损耗对电气设备是非常不利的因素。

直流电磁铁不存在磁滞损耗和涡流损耗，铁心因为无铁心损耗，所以在选择铁心时只考虑磁导率要大就可以了，选用软磁性材料作为铁心，而且可以用整块材料做成。

3 交流电磁铁在制作时采取的技术改造

3.1 减少涡流损耗

电气设备采用的大多都是交流电磁铁，为了减小涡流损耗，电气设备的铁心一般都不采用整体的铁心，而采用硅钢片叠成。硅钢片可由含硅2.5%的硅钢轧制而成，其厚度为0.35mm～1mm，硅钢片表面涂有绝缘层，使片与片间相互绝缘。图2为由硅钢片压制成的线圈铁心，使得涡流大大减小。

3.2 减少衔铁的颤动和噪声

由于我国交流电的工频频率为50HZ，因此电磁吸力1秒钟内有100次过零点，由于交流电磁铁的吸力是脉动的，工作时要产生颤动，从而产生噪音和机械磨损。

设电磁铁中磁感应强度B按正弦规律变化，即

B=Bmsinωt

交流电磁铁产生的电磁吸力的瞬时值为

为了减小衔铁的颤动和噪声，可以在磁极部分的端面上嵌装上一个铜制的短路环，如图3所示。当安装了短路环之后，将磁通分裂成Φ1和Φ2两部分，因为铜环中的感应电流有阻碍磁通变化的作用，故磁通Φ2的相位较磁通Φ1的相位滞后90°，从而造成短路环内磁通Ф1与环外磁通Ф2产生相位差，当磁通Φ1过零时，磁通Φ2不过零；而当磁通Φ2过零时，磁通Φ1也不过零。于是有这两部分磁通产生的吸力就不会同时为零，因而消除了颤动。

需要指出的是，交流电磁铁的线圈电流在刚吸合时要比工作时大几到十几倍。由于吸合过程很短，吸合后电流立即降为正常值，因此对线圈没有大的影响。如果由于某种意外原因电磁铁的衔铁被卡住，或因为工作电压低落不能吸合，则线圈会因为长时间过流而烧毁。

需要引起注意的是，即使额定电压相同的交、直流电磁铁也绝不能互相使用。

参考文献

[1]王兆义.电工电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]曾令全.直线螺管形电磁铁吸力特性的改善[J].东北电力学院学报，1997.