电磁铁是什么？专业电气学姐带你全方位解读（二十七）
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上两次的学习内容都是讲的交流铁心线圈，那么，电磁铁与交流铁心线圈有着怎么样的异同之处呢？它在实际中的应用又有哪些呢？接下来，我将为大家一一揭晓。现在，欢迎大家阅读《电工基础》学习分享系列之“电磁铁”篇。
电磁铁是什么？简单来说，就是一个带有铁心的螺线管，它是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其他零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。
▲图27-1
如上图27-1所示，理想情况下，电磁铁在没有通电的情况下是没有磁性的，一旦通电后就会带有磁性，再次断电后磁性也会随之消失。实际上断电时电磁铁的磁性并不是消失得一干二净，而是或多或少会有一点剩磁的存在，只不过是把该剩磁给忽略掉了。
电磁铁的基本结构是由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如下图27-2所示。
▲图27-2
通电线圈激发磁场，使得磁通在铁心与衔铁之间构成磁路。衔铁为可活动部分，当电磁铁通电时铁心带有磁性，从而吸引衔铁与铁心贴合。在这里顺便带大家回顾一下，我们之前也学习过，如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。
既然电磁铁磁性存在的根本在于是否有励磁电流的存在，那么，显然电磁铁也可以根据使用的电源类型进行分类，即用直流电源励磁的电磁铁称为直流电磁铁；用交流电源励磁的电磁铁称为交流电磁铁。
不管是直流电磁铁亦或是交流电磁铁，它们的工作原理都是一样的。即在通电螺线管内部插入铁心，铁心被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁心也变成了一个磁体，又由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。
为了使电磁铁的磁性更强，铁心通常被制成蹄形。但要注意的一点是蹄形铁心上线圈的绕向要相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。因为如果线圈的绕向相同，两线圈对铁心的磁化作用将相互抵消，使铁心不显磁性。
那么，影响电磁铁磁性强弱的因素又有哪些呢？根据它的工作原理，铁心的存在显然可以大大增强电磁铁的磁性，除了铁心存在与否外，还有没有其他的影响因素呢？其实影响电磁铁磁性强弱的因素有很大，例如铁心的材料、电流的大小、线圈匝数的多少等等。不难证明，电磁线圈匝数越多，通过线圈的电流越大，线圈的磁性越强，插入铁心后，线圈的磁性更是大大增强。根据磁路欧姆定律IN=φRm，当磁路磁阻不变时，不管是电流的增大或者是线圈匝数的增多，都会使磁通增大，即使电磁铁的磁性增强；另外，当线圈匝数和通过线圈的电流不变时，铁心材料的磁阻越小，磁通也是越大。
电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，例如电磁起重机、电磁继电器、电话和电铃等。
▲图27-3
我们以电磁继电器为例简单讲一下电磁铁的应用。图27-3为电磁继电器的结构与它的一些控制作用图。电磁继电器是由电磁铁（包括衔铁）、触点和弹簧组成，其中电磁铁通电与否可以控制触点的闭合与断开，例如当电磁继电器外接电源，并与电机电路相连接，当电源侧闭合，电流流过继电器内部的线圈，使得电磁铁带有磁性，衔铁被吸合，触点闭合，电机回路被接通。
对电磁铁有了一定的了解后，大家有没有想过，电磁铁的吸力是不是可以无限增大的？其实，电磁铁的吸力，是可以通过公式进行计算的。
电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的(píng)方成正比，其基本公式如图27-4所示，不难发现，一旦电磁铁的结构确定，气隙截面S0通常也是不变的，而气隙中磁感应强度B0是可变的。
▲图27-4
直流电磁铁的吸力依据上述的基本公式直接求取。因为通电线圈的电流不变，所以气隙中磁感应强度B0也不变，把已知条件直接代入电磁铁吸力的基本公式即可求出吸力的大小。但是在交流电路中，电流是交变的，即此时交流电磁铁中的磁场也是交变的，那么在交流电路中的电磁铁吸力计算又是怎样的呢？
▲图27-5
如上图27-5所示为交流电磁铁吸力的计算过程，由交流电磁铁的电源为正弦交流电，此时可设磁感应强度为B0=Bmsinωt，其中Bm是磁感应强度大值。把B0=Bmsinωt代入吸力基本公式，结果如图所示，其中的积分计算较为复杂，在此不做详解，大家只需记得计算结果即可。瞬时吸力与其(píng)均值（有效值）的计算结果如图27-5所示。根据瞬时吸力的公式可以发现，吸力的变化频率（2ω）为正弦交流电源变化频率（ω）的2倍，且其值总是大于等于零，即电磁铁吸力方向恒定不变，其波形图如图所示。
综上所述，交流电磁铁的吸力在零与大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪声，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，一般在磁极的部分端面上套一个磁环（或称短路环），即把磁极端面分为两部分，一部分有磁环，一部分没有磁环。
▲图27-6
如图27-6所示，工作时，电磁铁中有交变磁通φ1穿过短路环，在短路环中产生感应电流，根据楞次定律，该感应电流会阻碍磁通的变化。磁通φ2还是与原磁通一致，根据电磁感应定律，磁通φ1在相位上落后于磁通φ2，即在磁极端面两部分的磁通φ1和φ2之间存在相位差，由φ1、φ2产生的吸力F1、F2不同时为零，此时作用在衔铁上的力是F1 F2也不为零，实现消除振动和噪声。
电磁铁的应用这么广泛，对它的了解越深入，想必不管是在生活中还是工作上，都会给我们带来一定的益处。而且学无止境，对于知识量的扩充，那当然是多多益善啦。
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