最近，我從 DigiKey 的庫存中拿出一個小型接觸器，用來展示三相馬達反向起動器的功能。當然，我做了正確的事，拆開了這個接觸器，以便了解它的整體結構，並找出它感覺卡住的原因。大多數接觸器的銜鐵都可以自由移動，但這個接觸器的銜鐵卻“卡住了”，需要用 螺絲起子用力按壓才能使其開始移動（通過按壓銜鐵裸露的部分來強制繼電器動作）。拆開後，一切都變得清晰起來：線圈機構包含兩個永久磁鐵，線圈附近還有幾塊金屬片。
本文介紹了永久磁鐵的結構和用途，重點介紹了此設計提高電樞速度和節能的特性。在繼續之前，我鼓勵您閱讀有關繼電器中磁通行為的支持初步文章。磁通量的概念就像氣球上的收縮橡皮筋一樣，對於理解接觸器中磁場的相互作用至關重要。
關於電機啟動器的更多資訊
本文是介紹馬達起動器並探討其重要且有時較隱密的應用系列文章的一部分。請參閱以下相關文章以了解更多資訊：
- Introduction to the Magnetic Motor Starter
- Introduction to the 3-Wire Start-Stop Circuit
- 使用中介繼電器提高接觸器速度
- How Does a Motor Starter’s Thermal Overload Block Work?
帶永久磁鐵的繼電器和接觸器都有線圈極性。
我們先來談談線圈極性。大多數繼電器並不關心線圈中的電流方向。但是，這個接觸器的線圈是有極性的。正極必須連接到 A1，負極必須連接到 A2。如果接錯了，繼電器將不會動作。
當我們反接線圈並用機械力推動銜鐵時，情況變得更加有趣。在線圈通電的情況下，銜鐵紋絲不動。然而，如果持續施加手動力，當線圈斷電時，柱塞就會移動。這些線索強烈表明電磁鐵和永久磁鐵之間存在磁場相互作用。這個反極性實驗表明，磁場相互抵消，從而提高了組件的運動速度。這與反極性時它們相互阻礙的觀察結果相反。最後，我們觀察到，至少在線圈處於常斷狀態時，永久磁鐵的磁力比電磁鐵強。
技術提示：許多繼電器和接觸器都包含一個整合的突波抑制二極體。在嘗試對線圈施加反極性之前，必須將其移除。
線圈組件概覽（顯示線圈和永久磁鐵）
Schneider DPE09BL 繼電器的線圈組件如圖 1 所示。此繼電器採用 24VDC 線圈以及包含兩個永久磁鐵的軟鐵組件。圖 2 為放大圖，展示了組件及其側板的俯視圖。
圖1：接觸器線圈組件的圖片，其中包含永久磁鐵。圖中也包括線圈在斷電狀態下的示意圖。
圖 2：線圈組件頂部的放大視圖。
電磁鐵與永久磁鐵相互作用的解釋
此線圈組件的工作原理並非顯而易見。以下是我盡力描述其工作原理的嘗試。我承認，這可能不完整，甚至遺漏了一些重要的設計細節。然而，我對這些資訊的正確性相當有信心，因為前面描述的反極性會產生如此強大的保持力。如果當極性反轉時，永久磁鐵和電磁體能夠如此緊密地相互吸引，那麼當施加正極性時，它們必然會以大小相等的力相互排斥。歡迎您提出意見和更正。
圖 3 中的三個面板試圖顯示繼電器在三種狀態下的磁場分佈，包括斷開、零時通電和最終接通狀態。請記住，磁場形成閉合迴路。磁場傾向於在鐵磁性材料中傳播，而不是在空氣中傳播。最後，磁場會尋找最短路徑，並會移動材料來實現這一目標。
圖 3：示意圖顯示了三種活化狀態下永久磁鐵和電磁鐵之間的相互作用。
由左至右依序為：
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左圖：這是繼電器的鬆弛（斷開）狀態。銜鐵在彈簧力（圖中未顯示）的作用下向上移動。電磁鐵處於斷開狀態，以藍色鐵磁棒表示。磁通環沿著兩側向上移動，向下穿過斷電的線圈芯，越過下板，然後向上返回到磁鐵的南極。
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中圖：此面板表示繼電器在電磁鐵啟動瞬間的狀態。電磁鐵現在用一條綠色條表示，並標明了假定的磁極性。銜鐵仍由彈簧張力支撐。請注意，永久磁鐵和電磁鐵的磁極方向相反。我們可以看到，在下銜鐵板上，磁極方向相反。這導致銜鐵受到向下的力。
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右圖：這是繼電器銜鐵通電（導通）狀態。磁通環向上穿過電磁鐵，沿著金屬側板向下移動，然後回到鐵芯。由於磁通量減小了磁通環的直徑，因此此組件處於低能量狀態。這是透過移動銜鐵從而減小氣隙來實現的。請注意，永磁體實際上已斷開。由於距離較遠，它們對銜鐵的影響很小。
物理結構提高電樞速度並節省能源
總之，永久磁場和電磁場相互作用，將電樞「踢」出其靜止（斷電）位置。一旦移動，由電磁體驅動的初級磁通就會捕獲電樞。就像氣球上的收縮橡皮筋一樣，通量最大限度地減少了環直徑，迫使電樞處於開啟位置（圖 3，右）。
最終結果是繼電器的運行速度比相關線圈尺寸建議的要快。這種設計還應減少線圈尺寸並減少由此產生的能耗。
關於本文開頭提到的卡滯現象，圖 3 左側給了答案。永久磁鐵的磁通量會使銜鐵保持在斷電狀態。操作人員強制拉動繼電器時會感覺到張力，而強制拉動接觸器時則會突然釋放。銜鐵確實會給人一種卡滯的感覺。然而，正如本文所示，事實並非如此。這種看似「黏滯」的感覺其實是一種巧妙的設計。
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原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey