电磁式DC 24 V中间继电器动作性能研究

蒋小辉，张进玉，刘钺伟，仲毅凯，赵 宠

（1.三峡大学科技学院 机电系，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

随着控制技术的进步，各种机电设备的自动化程度越来越高，而这些设备执行机构的主要作用是驱动受控对象，通常以液压、气压和电磁式元件和机构为主。这些执行机构必须通过电磁式继电器实施其控制回路的启动与停止。电磁式DC 24 V中间继电器是运用最普遍的一种继电器，由铁芯、复位装置、引脚、接触点以及衔铁组成[1]。它的主要技术参数包括额定参数、吸合时间、释放时间、整定参数（继电器的动作电压值，大部分控制电器的动作电压值可以调节）、灵敏度（一般指继电器对信号的反应能力）、触头的接通和分断能力以及使用寿命。电磁式DC 24 V中间继电器吸合电压、线圈电阻等参数又对其动作性能具有较大影响。

1 电磁式直流中间继电器机构原理

电磁式DC 24 V中间继电器是电气控制系统中最典型、应用最广泛、类型众多的一种继电器。它的工作原理和构造基本相同。就结构而言，电磁式DC 24 V中间继电器由感测和执行两个基本组成部分。感测部分将信号转换、放大和判断，驱动执行部分动作。

1.1 电磁机构

电磁式低压电器的感测元件是电磁机构，作用是将电能转换成机械能，带动触点动作，实现分合回路功能。电磁机构通常由线圈、铁心和衔铁组成[2]。图1为电磁式DC 24 V中间继电器结构。

图1 继电器电磁机构

1.2 触点系统

触点的作用是接通或分断电路，通常采用具有较低和较稳定的接触电阻的银质材料。它的氧化膜电阻率与纯银相似，可以避免触点表面氧化膜电阻率增加而造成接触不良。从动作状态上，它可分为动合触点与动断触点。从结构上，它可分为有桥式和指形两种。电磁式DC 24 V中间继电器大多采用桥式触点，结构如图2所示。

图2 桥式触点结构

2 电磁式直流中间继电器动作原理

吸引线圈的作用是将电能转换为电磁能[3]。串联线圈导线截面积大，匝数少，阻抗较小。并联线圈线截面积小，匝数多，阻抗较大。当线圈通过工作电流时产生足够的磁动势，从而在磁路中形成磁通，使衔铁获得足够的电磁力，克服反作用力而吸合。当线圈工作电流消失，磁路中磁通消失，电磁力消失，衔铁在弹簧力作用下返回。

3 线圈电磁吸力及其动作特性

电磁机构工作时，线圈得电产生电磁吸力作用于衔铁，并使衔铁产生机械位移；线圈失电，电磁力消失，衔铁在复位弹簧的作用下回到原位。衔铁受到电磁吸力和弹簧反力。电磁吸力与线圈产生的磁场大小相关，反力与复位弹簧机械特性相关。当电磁吸力大于反力时，铁心吸合；反之，铁心释放。因此，电磁吸力是决定其能否可靠工作的一个重要参数。

电磁吸力F为：

式中，B为气隙磁感应强度。

直流电磁机构的电磁吸力特性为[4]：

式中：I为线圈中通过的电流（A）；N为线圈的匝数（匝）；S为气隙截面积（m2）；δ为气隙宽度（m）；F为电磁吸力（N）；μ为真空磁导率。从式（2）可以看出，对于固定线圈通以恒定直流电流时，其电磁力F仅与δ2成反比。

直流电磁机构吸力特性曲线，如图3的曲线1所示。曲线1斜率较大，由式（1）可知，衔铁气隙小，闭合前后吸力大，线圈电流连续，工作可靠，可用于运动频繁的场合。但是，吸引线圈失电时，磁动势急速减小为0，电磁机构的磁通发生相应的急剧变化，励磁线圈中产生极大的感应电动势，此感应电动势一般是线圈额定励磁电压的10～20倍，易使线圈过压而烧坏。

图3 电磁吸力特性

4 继电器线圈电气特性

吸合时，随着继电器线圈上电压的升高，它的电流不断增加。当施加电压值大于吸合电压时，电磁线圈电磁吸力大于弹簧片的弹力，动触点和静触点闭合，此时由于衔铁动作而造成磁路中的空气间隙突然消失，使得线圈中电流突然下降。随着电压的继续升高，电流继续增加，逐渐达到一个确定值的水平，使弹簧的弹片进一步发生形变，从而使得衔铁和铁芯发生二次接触。释放时，施加在线圈上的电压逐渐减少，电流逐渐变小，使得电磁线圈电磁吸力小于弹簧片的弹力。此时，由于机械惯性，衔铁并没有开始运动，继续减小电流，衔铁释放。此时由于衔铁动作而造成磁路中突然形成空气间隙，使得线圈中电流突然上升。衔铁此时有被吸合的趋势，但是由于电流继续下降，电磁线圈电磁吸力依然小于弹簧片的弹力，衔铁释放完毕。线圈吸合及释放时电流变化，如图4和图5所示。

图4 吸合时线圈电流变化

图5 释放时线圈电流变化

5 结 论

当继电器吸引线圈失电时，励磁线圈中产生极大的感应电动势，导致线圈断电瞬间出现较大冲击电压，易烧坏线圈。为了防止发生这类故障，可在直流线圈中采用反并联二极管与限流电阻来消除这类危害。线圈断电时，剩磁产生吸力，使复位困难，继电器动作滞后。此时，可在衔铁上安装有一定厚度的非磁性材料或极靴，使衔铁快速释放。