電工基礎:電磁鐵是什麼?(27)

2020-11-23 技成培訓網

#電工基礎#上兩次的學習內容都是講的交流鐵心線圈，那麼，電磁鐵與交流鐵心線圈有著怎麼樣的異同之處呢？它在實際中的應用又有哪些呢？接下來，我將為大家一一揭曉。現在，歡迎大家閱讀《電工基礎》學習分享系列之「電磁鐵」篇。

電磁鐵是什麼？簡單來說，就是一個帶有鐵心的螺線管，它是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件於固定位置的一種電器。當電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其他零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其他機械裝置發生聯動。

▲圖27-1

如上圖27-1所示，理想情況下，電磁鐵在沒有通電的情況下是沒有磁性的，一旦通電後就會帶有磁性，再次斷電後磁性也會隨之消失。實際上斷電時電磁鐵的磁性並不是消失得一乾二淨，而是或多或少會有一點剩磁的存在，只不過是把該剩磁給忽略掉了。

電磁鐵的基本結構是由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結構如下圖27-2所示。

▲圖27-2

通電線圈激發磁場，使得磁通在鐵心與銜鐵之間構成磁路。銜鐵為可活動部分，當電磁鐵通電時鐵心帶有磁性，從而吸引銜鐵與鐵心貼合。在這裡順便帶大家回顧一下，我們之前也學習過，如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導致過熱，把線圈燒壞。

既然電磁鐵磁性存在的根本在於是否有勵磁電流的存在，那麼，顯然電磁鐵也可以根據使用的電源類型進行分類，即用直流電源勵磁的電磁鐵稱為直流電磁鐵；用交流電源勵磁的電磁鐵稱為交流電磁鐵。

不管是直流電磁鐵亦或是交流電磁鐵，它們的工作原理都是一樣的。即在通電螺線管內部插入鐵心，鐵心被通電螺線管的磁場磁化。磁化後的鐵心也變成了一個磁體，又由於兩個磁場互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強。

為了使電磁鐵的磁性更強，鐵心通常被製成蹄形。但要注意的一點是蹄形鐵芯上線圈的繞向要相反，一邊順時針，另一邊必須逆時針。因為如果線圈的繞向相同，兩線圈對鐵心的磁化作用將相互抵消，使鐵心不顯磁性。

那麼，影響電磁鐵磁性強弱的因素又有哪些呢？根據它的工作原理，鐵心的存在顯然可以大大增強電磁鐵的磁性，除了鐵心存在與否外，還有沒有其他的影響因素呢？其實影響電磁鐵磁性強弱的因素有很大，例如鐵心的材料、電流的大小、線圈匝數的多少等等。不難證明，電磁線圈匝數越多，通過線圈的電流越大，線圈的磁性越強，插入鐵心後，線圈的磁性更是大大增強。根據磁路歐姆定律IN=φRm，當磁路磁阻不變時，不管是電流的增大或者是線圈匝數的增多，都會使磁通增大，即使電磁鐵的磁性增強；另外，當線圈匝數和通過線圈的電流不變時，鐵心材料的磁阻越小，磁通也是越大。

電磁鐵在我們的日常生活中有著極其廣泛的應用，例如電磁起重機、電磁繼電器、電話和電鈴等。

▲圖27-3

我們以電磁繼電器為例簡單講一下電磁鐵的應用。圖27-3為電磁繼電器的結構與它的一些控制作用圖。電磁繼電器是由電磁鐵（包括銜鐵）、觸點和彈簧組成，其中電磁鐵通電與否可以控制觸點的閉合與斷開，例如當電磁繼電器外接電源，並與電機電路相連接，當電源側閉合，電流流過繼電器內部的線圈，使得電磁鐵帶有磁性，銜鐵被吸合，觸點閉合，電機迴路被接通。

對電磁鐵有了一定的了解後，大家有沒有想過，電磁鐵的吸力是不是可以無限增大的？其實，電磁鐵的吸力，是可以通過公式進行計算的。

電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積S0及氣隙中的磁感應強度B0的平方成正比，其基本公式如圖27-4所示，不難發現，一旦電磁鐵的結構確定，氣隙截面S0通常也是不變的，而氣隙中磁感應強度B0是可變的。

▲圖27-4

直流電磁鐵的吸力依據上述的基本公式直接求取。因為通電線圈的電流不變，所以氣隙中磁感應強度B0也不變，把已知條件直接代入電磁鐵吸力的基本公式即可求出吸力的大小。但是在交流電路中，電流是交變的，即此時交流電磁鐵中的磁場也是交變得，那麼在交流電路中的電磁鐵吸力計算又是怎樣的呢？

▲圖27-5

如上圖27-5所示為交流電磁鐵吸力的計算過程，由交流電磁鐵的電源為正弦交流電，此時可設磁感應強度為B0=Bmsinωt，其中Bm是磁感應強度最大值。

把B0=Bmsinωt代入吸力基本公式，結果如圖所示，其中的積分計算較為複雜，在此不做詳解，大家只需記得計算結果即可。瞬時吸力與其平均值（有效值）的計算結果如圖27-5所示。

根據瞬時吸力的公式可以發現，吸力的變化頻率（2ω）為正弦交流電源變化頻率（ω）的2倍，且其值總是大於等於零，即電磁鐵吸力方向恆定不變，其波形圖如圖所示。

綜上所述，交流電磁鐵的吸力在零與最大值之間脈動。銜鐵以兩倍電源頻率在顫動，引起噪聲，同時觸點容易損壞。為了消除這種現象，一般在磁極的部分端面上套一個磁環（或稱短路環），即把磁極端面分為兩部分，一部分有磁環，一部分沒有磁環。

▲圖27-6

如圖27-6所示，工作時，電磁鐵中有交變磁通φ1穿過短路環，在短路環中產生感應電流，根據楞次定律，該感應電流會阻礙磁通的變化。磁通φ2還是與原磁通一致，根據電磁感應定律，磁通φ1在相位上落後於磁通φ2，即在磁極端面兩部分的磁通φ1和φ2之間存在相位差，由φ1、φ2產生的吸力F1、F2不同時為零，此時作用在銜鐵上的力是F1 F2也不為零，實現消除振動和噪聲。

電磁鐵的應用這麼廣泛，對它的了解越深入，想必不管是在生活中還是工作上，都會給我們帶來一定的益處。而且學無止境，對於知識量的擴充，那當然是多多益善啦。（技成培訓原創，作者：楊思慧，未經授權不得轉載，違者必究！）

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