我們很多人都聽說過繼電器是靠磁吸引來工作的。我們知道，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，就會產(chǎn)生磁場。這個(gè)磁場然后吸引電樞，電樞反過來移動(dòng)觸點(diǎn)。

很好。

然而，這個(gè)模型是不完整的，無法解釋我們在繼電器中很容易看到的常見物理屬性。在本文中，我們將探討這些結(jié)構(gòu)，從而更好地理解繼電器。有了這些磁路知識，我們可以更好地理解高級繼電器結(jié)構(gòu)，并將我們的理解擴(kuò)展到變壓器和電機(jī)等密切相關(guān)的主題。

磁通的性質(zhì)

讓我們從兩個(gè)簡單的公理開始:

• 沒有通量線這種東西。我們用的不是線，而是環(huán)，它是連續(xù)的場，可以穿過空氣，但更喜歡穿過含鐵材料。

• 磁環(huán)“尋求”盡可能短的能級。這有兩個(gè)規(guī)定。首先，在黑色金屬中旅行比在空中旅行更可取。第二，磁通回路會主動(dòng)尋求通過對抗彈簧張力和重力來縮短路徑。

考慮到這兩個(gè)特性，我們現(xiàn)在可以通過檢查物理結(jié)構(gòu)來改進(jìn)繼電器的概念模型。

典型的繼電器

圖1 為典型繼電器的特寫圖片，并附有其磁路的簡化表示。讓我們把重點(diǎn)放在與磁路相關(guān)的大型金屬結(jié)構(gòu)上，包括線圈的鐵芯、軛和電樞。這些元件中的每一個(gè)都是由鐵質(zhì)材料構(gòu)成的，為磁回路提供了低阻路徑。我們在幾乎每個(gè)繼電器中都發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)。

圖 1 :繼電器及其簡化磁路的特寫圖片。

我們觀察到，與塑料等材料相比，這種材料很重，成本高，而且可能難以制造。因此，我們必須得出結(jié)論，含鐵的金屬是繼電器必要組成部分。因此，我們應(yīng)該把這種普遍的構(gòu)造實(shí)踐納入我們的繼電器操作的概念模型中。

圖2 給出了開路繼電器和閉路繼電器的磁通路徑。驅(qū)動(dòng)器 (產(chǎn)生磁通的外力) 是線圈。磁場的強(qiáng)度與線圈的匝數(shù)以及通過線圈的電流成正比。在左邊，磁通環(huán)可以看到從螺線管的核心，軛和電樞板旅行。然后它們跳過氣隙，回到它們開始的地方。

這就解決了我們的第一個(gè)公作原理: 磁通量在環(huán)路中傳播，并傾向于限制在含鐵材料中。磁通量在磁芯、磁軛和電樞的范圍內(nèi)自由傳播，直到它別無選擇。由此產(chǎn)生的 最短路徑 是通過電樞到螺線管磁芯的氣隙。

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圖 2 :開路繼電器和閉路繼電器的磁路圖。

現(xiàn)在我們可以應(yīng)用第二個(gè)公作原理了。

就像橡皮筋綁在氣球上一樣，磁環(huán)對環(huán)內(nèi)的所有組件都施加了力。這種作用使凈周長盡可能小。在這個(gè)繼電器的例子中，電樞是自由移動(dòng)的。當(dāng)磁場強(qiáng)大到足以克服彈簧張力時(shí)，它就會這樣做。結(jié)果是更短的環(huán)路長度和相應(yīng)的能量狀態(tài)的減少，因?yàn)榇磐ò阼F芯、軛和電樞等含鐵材料中。

回顧圖1，我們看到所有這三個(gè)組件都是金屬，具有良好的厚度，為磁通量提供了低磁阻路徑。這是繼電器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，你再也不能忽視。

技術(shù)貼士 :低能量狀態(tài)的概念可能很難理解。請考慮我們?nèi)祟惖膮⒄障?我們知道物體會下落。當(dāng)物體翻倒并躺在地上時(shí)，它們處于最低能量狀態(tài)。磁鐵似乎與這一觀察結(jié)果相矛盾，因?yàn)樗鼈兛梢栽俅巍袄瓌?dòng)”重力，例如，在冰箱上固定一幅畫。磁鐵會保持在原來的位置上，顯然是在“對抗”重力。當(dāng)我們考慮通量和環(huán)路長度時(shí)，這個(gè)矛盾就解決了。磁體“掉上去”是因?yàn)榇磐ㄈΡ豢s短了。我們可以說，磁環(huán)尋找的是磁阻最小的路徑。與此相關(guān)的是，這就是磁鐵的 N 極和 S 極相互尋找的原因。環(huán)路直徑較小，系統(tǒng)處于較低的能量狀態(tài)。

回顧

說線圈吸引電樞太簡單了。

相反，我們應(yīng)該說磁通尋求最小化環(huán)路長度。繼電器元件的設(shè)計(jì)目的是為磁通量提供低磁阻，以便在電樞和線圈之間的距離處感受到像收縮橡皮筋一樣的磁通量。