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SIMATIC S7-1500 (Hu, Jia Ning)可編程控制器

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電磁鐵是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)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(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。當(dāng)電源斷開時(shí)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(dòng)作可使其他機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。

▲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，一旦通電后就會(huì)帶有磁性，再次斷電后磁性也會(huì)隨之消失。實(shí)際上斷電時(shí)電磁鐵的磁性并不是消失得一干二凈，而是或多或少會(huì)有一點(diǎn)剩磁的存在，只不過(guò)是把該剩磁給忽略掉了。

電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)是由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結(jié)構(gòu)如下圖27-2所示。

▲圖27-2

通電線圈激發(fā)磁場(chǎng)，使得磁通在鐵心與銜鐵之間構(gòu)成磁路。銜鐵為可活動(dòng)部分，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)鐵心帶有磁性，從而吸引銜鐵與鐵心貼合。在這里順便帶大家回顧一下，我們之前也學(xué)習(xí)過(guò)，如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，把線圈燒壞。

既然電磁鐵磁性存在的根本在于是否有勵(lì)磁電流的存在，那么，顯然電磁鐵也可以根據(jù)使用的電源類型進(jìn)行分類，即用直流電源勵(lì)磁的電磁鐵稱為直流電磁鐵；用交流電源勵(lì)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(nèi)部插入鐵心，鐵心被通電螺線管的磁場(chǎng)磁化。磁化后的鐵心也變成了一個(gè)磁體，又由于兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。

為了使電磁鐵的磁性更強(qiáng)，鐵心通常被制成蹄形。但要注意的一點(diǎn)是蹄形鐵心上線圈的繞向要相反，一邊順時(shí)針，另一邊必須逆時(shí)針。因?yàn)槿绻€圈的繞向相同，兩線圈對(duì)鐵心的磁化作用將相互抵消，使鐵心不顯磁性。

那么，影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素又有哪些呢？根據(jù)它的工作原理，鐵心的存在顯然可以大大增強(qiáng)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(shí)影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素有很大，例如鐵心的材料、電流的大小、線圈匝數(shù)的多少等等。不難證明，電磁線圈匝數(shù)越多，通過(guò)線圈的電流越大，線圈的磁性越強(qiáng)，插入鐵心后，線圈的磁性更是大大增強(qiáng)。根據(jù)磁路歐姆定律IN=φRm，當(dāng)磁路磁阻不變時(shí)，不管是電流的增大或者是線圈匝數(shù)的增多，都會(huì)使磁通增大，即使電磁鐵的磁性增強(qiáng)；另外，當(dāng)線圈匝數(shù)和通過(guò)線圈的電流不變時(shí)，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(yīng)用，例如電磁起重機(jī)、電磁繼電器、和電鈴等。

▲圖27-3

我們以電磁繼電器為例簡(jiǎn)單講一下電磁鐵的應(yīng)用。圖27-3為電磁繼電器的結(jié)構(gòu)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(diǎn)和彈簧組成，其中電磁鐵通電與否可以控制觸點(diǎn)的閉合與斷開，例如當(dāng)電磁繼電器外接電源，并與電機(jī)電路相連接，當(dāng)電源側(cè)閉合，電流流過(guò)繼電器內(nèi)部的線圈，使得電磁鐵帶有磁性，銜鐵被吸合，觸點(diǎn)閉合，電機(jī)回路被接通。

對(duì)電磁鐵有了一定的了解后，大家有沒有想過(guò)，電磁鐵的吸力是不是可以無(wú)限增大的？其實(shí)，電磁鐵的吸力，是可以通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)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(yīng)強(qiáng)度B0的平方成正比，其基本公式如圖27-4所示，不難發(fā)現(xiàn)，一旦電磁鐵的結(jié)構(gòu)確定，氣隙截面S0通常也是不變的，而氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B0是可變的。

▲圖27-4

直流電磁鐵的吸力依據(jù)上述的基本公式直接求取。因?yàn)橥娋€圈的電流不變，所以氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)交流電磁鐵中的磁場(chǎng)也是交變的，那么在交流電路中的電磁鐵吸力計(jì)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(jì)算過(guò)程，由交流電磁鐵的電源為正弦交流電，此時(shí)可設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0=Bmsinωt，其中Bm是磁感應(yīng)強(qiáng)度大值。把B0=Bmsinωt代入吸力基本公式，結(jié)果如圖所示，其中的積分計(jì)算較為復(fù)雜，在此不做詳解，大家只需記得計(jì)算結(jié)果即可。瞬時(shí)吸力與其平均值（有效值）的計(jì)算結(jié)果如圖27-5所示。根據(jù)瞬時(shí)吸力的公式可以發(fā)現(xiàn)，吸力的變化頻率（2ω）為正弦交流電源變化頻率（ω）的2倍，且其值總是大于等于零，即電磁鐵吸力方向恒定不變，其波形圖如圖所示。

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

▲圖27-6

如圖27-6所示，工作時(shí)，電磁鐵中有交變磁通φ1穿過(guò)短路環(huán)，在短路環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，該感應(yīng)電流會(huì)阻礙磁通的變化。磁通φ2還是與原磁通一致，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁通φ1在相位上落后于磁通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(chǎn)生的吸力F1、F2不同時(shí)為零，此時(shí)作用在銜鐵上的力是F1 F2也不為零，實(shí)現(xiàn)消除振動(dòng)和噪聲。

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