低压电器由感应和执行两个部分组成。感应部分接收外界输入的信号，并通过转换、放大与判断作出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制的目的。对于有触头的电磁式低压电器来说，感应部分大多是电磁机构，而执行部分是触头系统。

一、电磁机构的原理

1.电磁机构

电磁机构通常采用电磁铁的形式，它由吸引线圈、铁芯和衔铁3 部分组成，其主要作用是通过电磁感应原理将电能转换成机械能，带动触头动作，完成接通或分断电路的功能。

电磁结构按铁芯形式分为单E 形、单U 形、甲壳螺管形、双E 形等。电磁结构按衔铁相对铁芯的动作方式分为直动式和拍合式两种，如图1-1 及图1-2 所示。如图1-2所示，拍合式电磁机构又分为衔铁沿棱角转动和衔铁沿轴转动两种。直动式电磁机构多用于交流接触器、继电器中，衔铁沿棱角转动的拍合式电磁机构则广泛应用于直流电器中。

图1-1　直动式电磁机构

1—衔铁；2—铁芯；3—吸引线圈

图1-2　拍合式电磁机构

（a）衔铁沿棱角转动；（b）衔铁沿轴转动
1—衔铁；2—铁芯；3—吸引线圈

电磁式电器按电磁铁铁芯的构成可分为直流和交流两类，直流电磁铁的铁芯由整块钢材或工程纯铁制成，而交流电磁铁的铁芯则由硅钢片叠铆而成。

2.吸引线圈

线圈是电磁铁的心脏，也是电能与磁场能量转换的场所，按通入电流种类不同可分为直流型线圈和交流型线圈。直流型线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，使线圈与铁芯直接接触，易于散热。交流型线圈由于铁芯存在磁滞和涡流损耗，发热情况较为严重，因此设有骨架，使铁芯与线圈隔离，并将线圈制成短而厚的矮胖型，从而改善线圈和铁芯的散热情况。

大多数电磁铁线圈并接在电源电压两端，称为电压线圈，其匝数多、阻抗大、电流小，常用绝缘性能较好的电磁线绕制而成。当需反映电流时，线圈则串接于电路中成为电流线圈，其匝数少、导线粗、阻抗较小，常用扁铜带或粗铜线绕制。

二、电磁机构的特性

电磁吸力由电磁机构产生，衔铁在吸合时，电磁吸力必须始终大于反力，衔铁复位时要求反力大于电磁吸力。因此，电磁吸力是决定其能否可靠工作的一个重要参数。

当电磁机构的气隙δ 较小，磁通分布比较均匀时，电磁机构的吸力F吸力可近似地以下式求得：

式中　μ0——空气导磁系数，μ0＝0.4π×10 -6H/m；

　　　S——极靴面积；

　　　B——磁感应强度。

当S 为常数时，F吸力与B2 成正比。

1.直流电磁机构的电磁吸力特性

对于具有电压线圈的直流电磁机构，因为外加电压和线圈电阻不变，流过线圈的电流为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律

从而可以推出电磁吸力F吸力与气隙δ 间的关系为

从式（1-3）可以看出，对固定线圈通以恒定直流电流时，其电磁吸力F吸力仅与δ2 成反比，故电磁吸力特性为二次曲线形状，如图1-3 中的曲线1。衔铁吸合前、后吸力很大，气隙越小，吸力越大，但衔铁吸合前、后吸引线圈的励磁电流不变，故直流电磁机构适用于运动频繁的场合且衔铁吸合后电磁吸力大，工作可靠。

图1-3　电磁吸力特性

1—直流电磁机构；2—交流电磁机构；3—反力特性

2.交流电磁机构的电磁吸力特性

与直流电磁机构相比，交流电磁机构的电磁吸力特性有较大的不同。交流电磁机构多与电路并联使用，当外加电压U 及频率f 为常数时，忽略线圈电阻压降，则

式中　U——线圈电压（V）；

　　　E——线圈感应电动势（V）；

　　　f——线圈电压的频率（Hz）；

　　　N——线圈匝数；

　　　Φ——气隙磁通（Wb）。

当外加电压U、频率f 和线圈匝数N 为常数时，气隙磁通Φ 也为常数。由式（1-4）可知，电磁吸力F吸力也为常数，即交流电磁机构的吸力与气隙无关。实际上，考虑衔铁吸合前、后漏磁的变化时，F吸力随δ 的减小而略有增加，如图1-3 中的曲线2。

对于交流并联电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合的瞬间，吸合电流随δ 的变化成正比变化，为衔铁吸合后的额定电流的很多倍，U 形电磁机构可达5～6 倍，E 形电磁机构可达10～15 倍。若衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流励磁线圈很可能因电流过大而烧毁。所以，在可靠性要求较高或要求频繁动作的控制系统中，一般采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构。

3.电磁吸力特性与反力特性的配合

电磁铁中的衔铁除受电磁吸力作用外，同时还受到与电磁力方向相反的作用力。这些反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性曲线，如图1-3 中的曲线3 即反力特性曲线。

为了使电磁铁能正常工作，在整个吸合过程中，电磁吸力必须始终大于反力，即电磁吸力特性曲线始终处于反力特性曲线的上方，如图1-3 所示。但电磁吸力不能过大或过小，电磁吸力过大，动、静触头接触时以及衔铁与铁芯接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命。电磁吸力过小，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，电磁吸力特性与反力特性必须配合得当。在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与电磁吸力特性有良好的配合。

4.短路环

电磁机构在工作中，衔铁始终受到反作用弹簧、触头弹簧等反作用力F反力的作用。在电磁机构的使用过程中，尽管F吸力的平均值大于F反力，但在某些时候F吸力仍会小于F反力。当F吸力< F反力时，衔铁开始释放，当F吸力> F反力时，衔铁又被吸合，周而复始，从而使衔铁产生振动，发出噪声，还会造成电器结构松散、寿命降低，同时使触头接触不良，易于熔焊和烧损。因此，必须采取措施抑制振动和噪声。

解决该问题的具体办法是在铁芯端部开一个槽，在槽内嵌入铜环，称为短路环（或分磁环），如图1-4 所示。当励磁线圈通入交流电后，在短路环中就有感应电流产生，该感应电流又会产生一个磁通。短路环把铁芯中的磁通分为两部分，即不穿过短路环的Φ1 和穿过短路环的Φ2，短路环的作用使Φ1 和Φ2 产生相移，这两个磁通不会同时过零，而由这两个磁通产生的合成电磁吸力变化较为平坦，使合成电磁吸力始终大于反作用力，从而消除振动和噪声。

图1-4　交流电磁铁的短路环(www.daowen.com)

1—衔铁；2—铁芯；3—线圈；4—短路环

三、电接触

触头是电磁式电器的执行部分，起接通或断开电路的作用。在闭合状态下动、静触头完全接触，并有工作电流通过，称为电接触。电接触的好坏将影响触头的工作可靠性和使用寿命。影响电接触的主要因素是触头的接触电阻，接触电阻太大，容易使触头发热而温度升高，使触头产生熔焊现象，从而降低触头的使用寿命。

1.触头的分类

触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，容许通过较大的电流。辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

电磁式电器的触头在线圈未通电状态下有常开（或动合）和常闭（或动断）两种状态，分别称为常开（或动合）触头和常闭（或动断）触头。当电磁线圈中有电流通过，电磁机构动作时，触头改变原来的状态，常开（动合）触头将闭合，使与其相连的电路接通，常闭（动断）触头将断开，使与其相连的电路断开。能与机械联动的触头称为动触头，固定不动的触头称为静触头。触头的结构主要有图1-5 所示的几种形式。

（1）桥式触头。图1-5 中静触头的两个触头串接于同一条电路中，当衔铁被吸向铁芯时，与衔铁固连在一起的动触头也随之移动，当与静触头接触时，接通同静触头相连的电路。在常开触头闭合的同时，其常闭触头断开。

（2）指形触头。触头接通或分断时产生滚动摩擦，以利于去掉触头表面的氧化膜。指形触头适用于接电次数多、电流大的场合。

图1-5　触头的结构形式

（a）；（b）桥式触头；（c）指形触头（线接触）

2.触头的接触形式

触头的接触形式有点接触、线接触和面接触3 种，如图1-6 所示。点接触由两个半球或一个半球与一个平面形的触头构成，由于接触区域是一个点或面积很小的面，容许通过的电流很小，所以它常用于电流较小的电器中，如继电器的触头和接触器的辅助触头。线接触由两个圆柱面形的触头构成，由于这种接触形式在通断过程中是滑动接触，故可以自动清除触头表面的氧化膜，从而更好地保证触头的良好接触。其常用于中等容量接触器的主触头。面接触是两个平面形的触头相接触，由于接触区域有一定的面积，可以通过很大的电流，所以常用于大容量的接触器中，做主触头用。

图1-6　触头的接触形式

（a）点接触；（b）线接触；（c）面接触

3.接触电阻

电接触时触头的接触电阻将影响其工作情况。在理想情况下，触头闭合时其接触电阻为零，触头断开时接触电阻为无穷大。在闭合过程中接触电阻瞬时由无穷大变为零，在断开过程中接触电阻瞬时由零变为无穷大。实际上，在闭合状态时耦合触头间有接触电阻存在，如果接触电阻太大，可能导致被控电路压降过大或不通。在断开状态时要求触头间有一定的绝缘电阻，绝缘电阻不足可能导致击穿放电，被控电路被接通。

接触电阻大时触头易发热，温度升高，从而使触头易产生熔焊现象，既影响工作的可靠性，又降低了触头的寿命。触头接触电阻的大小主要与触头的接触形式、接触压力，触头材料及触头的表面状况有关。

减小触头接触电阻的方法如下：

（1）增加接触压力，可以增加接触面积，使接触电阻减小，这可通过在动触头上安装一个触头弹簧来实现。

（2）材料的电阻系数越小，接触电阻也越小。在金属中银的电阻系数最小，但银比铜的价格高，实际中常在铜基触头上镀银或嵌银，以减小接触电阻。

（3）改善触头的表面状况，尽量避免或减少触头表面氧化物的形成。注意保持触头表面清洁，避免聚集尘埃。

四、电弧的产生和灭弧方法

1.电弧的产生

在大气中断开电路时，如果被断开电路的电流超过某一数值，断开后加在触头间隙（或称弧隙）两端的电压超过某一数值时，触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象，是一种带电质点（电子或离子）的急流，内部有很高的温度，其成因有两个：

（1）触头分断瞬间，由于间隙很小，电压几乎全部加在触头之间，在触头间形成很强的电场，阴极中的自由电子会逸出到间隙中并向阳极加速运动。前进中的自由电子中途碰撞中性粒子（气体或原子），使其分裂为电子和正离子，电子在向阳极运动的过程中又碰撞其他粒子，这就是碰撞电离。

（2）经碰撞电离后产生的正离子向阴极运动，撞击阴极表面并使其温度逐渐升高，当温度达到一定值时，部分电子将从阴极表面逸出并参与碰撞电离，此时间隙内产生弧光并使温度继续升高，当弧温达到8 000～10 000 K，触头间的中性粒子以很高的速度作不规则的运动并相互剧烈碰撞，也产生电离，这是高温作用使中性粒子碰撞产生的热电离。

这两种电离导致触头间产生大量的离子流，这就是电弧。电弧形成后，热电离占主导地位。

电弧会将触头烧损并使电路的分断时间延长，严重时会引起火灾或其他事故，因此在电器中应采取适当措施熄灭电弧。

2.灭弧方法

（1）电动力灭弧。当触头打开时，在断口中产生两个彼此串联的电弧，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的力F 的作用，使其向外运动并拉长，在这一过程中电弧受到空气冷却而很快熄灭，如图1-7 所示。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器等交流电器中。

（2）灭弧栅灭弧。灭弧栅由多个镀铜薄钢片组成，彼此之间互相绝缘，片间距离为2～3 mm，这些金属片称为栅片，安放在触头上方的灭弧罩内，如图1-8 所示。当电弧进入栅片时被分割成一段段串联的短弧，栅片就是这些短弧的电极，栅片能导出电弧的热量。由于电弧被分割成许多段，每一栅片相当于一个电极，有许多个阳极压降和阴极压降，有利于电弧的熄灭。此外，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却，因此电弧进入栅片后就会很快熄灭。

图1-7　电动力灭弧示意

1—静触头；2—动触头

图1-8　栅片灭弧示意

1—灭弧栅片；2—触头；3—电弧

由于栅片灭弧装置的灭弧效果在电流为交流时要比电流为直流时强得多，因此在交流电器中常采用栅片灭弧。

（3）灭弧罩灭弧。比灭弧栅更为简单的是采用一个陶土和石棉水泥做成的耐高温灭弧罩，灭弧罩可以降低弧温和隔弧。这种灭弧装置主要应用在直流接触器的主触头上。

（4）磁吹灭弧。在触头电路中串入一个具有铁芯的吹弧线圈1，如图1-9 所示。它产生的磁通通过磁导夹板5 引向周围，其方向如图中“×”符号所示。电弧产生后，其磁通方向如图中“⊕”和“⊙”符号所示。产生的电弧可看作一个载流导体，电流方向由静触头流向动触头。根据左手定则可确定电弧在磁场中所受电磁力F 的方向是向上的，电弧在向上运动的过程中，被拉长冷却，电弧很快熄灭。

磁吹线圈被串接在主电路中，作用于电弧的磁场力随电弧电流的大小而改变，电弧电流越大，灭弧能力越强，磁吹力的方向与电流方向无关。所以，磁吹灭弧装置广泛适用于交、直流控制电器中。

（5）窄缝灭弧。这种灭弧方法是利用灭弧罩的窄缝来实现的。灭弧罩内有一个或数个纵缝，缝的下部宽，上部窄，如图1-10 所示，当触头断开时，电弧在电动力的作用下进入缝内，窄缝将电弧分成若干小的电弧，同时可将电弧直径压缩，使电弧同窄缝紧密接触，加强冷却作用，使电弧熄灭加快。窄缝灭弧罩通常用耐弧陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。

图1-9　磁吹灭弧示意

1—吹弧线圈；2—绝缘套；3—铁芯；4—引弧角 5—磁导夹板；6—灭弧罩；7—动触头；8—静触头

图1-10　窄缝灭弧罩的断面