电磁铁

物理装置

电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁（electromagnet）。我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。

简介

原理

当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样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，通常将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。

电磁铁是可以通电流来产生磁力的器件，属非永久磁铁，可以很容易地将其磁性启动或是消除。例如：大型起重机利用电磁铁将废弃车辆抬起。

当电流通过导线时，会在导线的周围产生磁场。应用这性质，将电流通过螺线管时，则会在螺线管之内制成均匀磁场。假设在螺线管的中心置入铁磁性物质，则此铁磁性物质会被磁化，而且会大大增强磁场。

一般而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈圈数及中心的铁磁体有关。在设计电磁铁时，会注重线圈的分布和铁磁体的选择，并利用电流大小来控制磁场。由于线圈的材料具有电阻，这限制了电磁铁所能产生的磁场大小，但随着超导体的发现与应用，将有机会超越现有的限制。

分类

按电流分

1.交流电磁铁

2.直流电磁铁

按用途分

1.制动电磁铁：在电气传动装置中用作电动机的机械制动，以达到准确迅速停车的目的，常见的型号有MZD1（单相），MZS1（三相）系列。

2.起重电磁铁：用作起重装置来吊运钢材，铁砂等导磁材料，或用作电磁机械手夹持钢铁等导磁材料。

3.阀用电磁铁：利用磁力推动磁阀，从而达到阀口开启，关闭或换向的目的。

4.牵引电磁铁：主要用牵引机械装置以执行自动控制任务。

方向判断

电磁铁的磁场方向可以用安培定则来判断。

安培定则是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则，也叫右手螺旋定则。

（1）通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向。

（2）通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

优点

电磁铁有许多优点：电磁铁的磁性有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过改变电阻控制电流大小来控制磁性大小；它的磁极可以由改变电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁极的方向可以改变，磁性可因电流的消失而消失。

电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电子门锁、智能通道匝、电磁流量计等。

分类

电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：（1）牵引电磁铁──主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。（2）起重电磁铁──用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（3）制动电磁铁──主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。（4）自动电器的电磁系统──如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（5）其他用途的电磁铁──如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

历史

早在1820年春天，丹麦的奥斯特在一次偶然之中就发现了这一原理。1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克才发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年，斯特金也做了一次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U型铁棒变成了一块“电磁铁”。这种电磁铁上的磁能要比永磁能放大多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。

斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。

1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，用磁电绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。

在奥斯特电流磁效应实验及其他一系列实验的启发下，安培认识到磁现象的本质是电流，把涉及电流、磁体的各种相互作用归结为电流之间的相互作用，提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。为了克服孤立电流元无法直接测量的困难，安培精心设计了4个示零实验并伴以缜密的理论分析，得出了结果。但由于安培对电磁作用持超距作用观念，曾在理论分析中强加了两电流元之间作用力沿连线的假设，期望遵守牛顿第三定律，使结论有误。上述公式是抛弃错误的作用力沿连线的假设，经修正后的结果。应按近距作用观点理解为，电流元产生磁场，磁场对其中的另一电流元施以作用力。

性质

直线电流的安培定则对一小段直线电流也适用。环形电流可看成许多小段直线电流组成，对每一小段直线电流用直线电流的安培定则判定出环形电流中心轴线上磁感强度的方向。叠加起来就得到环形电流中心轴线上磁感线的方向。直线电流的安培定则是基本的，环形电流的安培定则可由直线电流的安培定则导出直线电流的安培定则对电荷作直线运动产生的磁场也适用，这时电流方向与正电荷运动方向相同，与负电荷运动方向相反。

意义

安培定律与库仑定律相当，是磁作用的基本实验定律，它决定了磁场的性质，提供了计算电流相互作用的途径。

注意

电磁铁：利用电流的磁效应，使软铁(电磁铁线圈内部芯轴,可快速充磁与消磁)具有磁性的装置。

（1）将软铁棒插入一螺线形线圈内部，则当线圈通有电流时，线圈内部的磁场使软铁棒磁化成暂时磁铁，但电流切断时，则线圈及软铁棒的磁性随着消失。

（2）软铁棒磁化后所生成的磁场，加上原有线圈内的磁场，使得总磁场强度大为增强，故电磁铁的磁力大于　天然磁铁。

（3）螺线形线圈的电流愈大，线圈圈数愈多，电磁铁的磁场愈强。

电磁铁的应用

（1）起重机：为工业用的强力电磁铁，通上大电流，可用以吊运钢板、货柜、废铁等。

（2）电话：下一节介绍。

（3）安培计、伏特计、检流计

（4）电铃等等。

（5）自动化控制设备

（6）工业自动化控制、办公自动化。

（7）包装机械、医疗器械、食品机械、纺织机械等。

（8）电磁继电器

（9）磁悬浮列车

制作原理

1.圆形线圈通往电流形成的磁场

（1）线圈中心处的磁场方向可将线圈上某一小段导线视为直线，由安培右手定则判定之。

（2）通有电流的圆形线圈上每一小段电流所产生的磁场，在线圈内都指向同一方向，故线圈内的磁场较直导线电流产生的磁场强度大。

（3）圆形导线通入电流时，线圈外的磁场因各小段电流产生磁场的方向不一致，因此产生的合成磁场较圈内磁场弱。

（4）圆形线圈的电流愈大，半径愈小，则线圈中心处的磁场强度即愈大。

（5）圆形线圈和圆盘形薄磁铁的磁力线形状相似。

2.螺线形线圈电流的磁场

（1）用一条长导线绕成螺线形的长线圈，相当于由很多个圆形线圈所串联而成，每一圆形导线在中心处所建立的磁场均为同向，可以增强效应，故线圈中心处的磁场较单匝圆形线圈为强。

（2）线圈内部磁力线形成方向相同的直线，在线圈约两端磁力线则渐弯曲向外。

（3）螺线形线圈的磁力线特性与棒形磁铁的磁力线相似，线圈内的磁力线与线圈外方向恰相反。

（4）线圈内磁场的强度与线圈上的电流及单位长度内线圈的圈数成正比。

3.螺线形线圈电流内磁场方向的右手螺旋定则（安培定理）：以右手掌握住线圈，四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为线圈内磁力线方向。

失磁原因

发电机长时间不用，导致出厂前含在铁芯中的剩磁失去，励磁线圈建立不起应有的磁场，这时发动机运转正常但发不出电，此类现象新机。或长期不用的机组较多。

处理方法：1）有励磁按钮的按一下励磁按钮，2）无励磁按钮的，用电瓶对其充磁，3）带一个灯泡负荷，超速运转几秒钟。

磁能来源

低轴阻发电机在原理设计上虽然只能将50%左右的负转矩磁能转化为正转矩磁能，但是所产生的正转矩也足以去抵消负转矩了（因为实际上是不可能将负转矩磁能全部转化为正转矩磁能的）。

通过对常规发电机的构造及工作原理进一步研究分析后，我们最终找到了突破口，既是在常规发电原理构造的基础上运用“能量缓存转移法”来实现上述目的；也就是将部分固定方向的感应电流进行暂存处理后，再在滞后的时间内释放，所释放的能量不仅可以继续输出供给负载，而且在电枢续流绕组中所产生的附加磁能还可以对转子做正功（产生正转矩）。这就是低轴阻发电机正转矩磁能的来源。

失磁危害

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。

由于异步运行，发电机的转子机械转速大于同步转速，由于出现转差，定子绕组电流增大，转子绕组产生感应电流，引起定、转子绕组的附加发热。分析表明，发电机失磁后对电力系统及发电机本身都会造成程度不同的危害，归纳起来有以下几方面。

对发电机本身的危害：

（1）发电机失磁后，定子端部漏磁增强，使端部的部件和端部铁芯过热。

（2）异步运行后，发电机的等效电抗降低。因而从系统中吸收的无功增加，使定子绕组过热。

（3）发电机转子绕组出现的差频电流在转子绕组中产生额外损耗，引起转子绕组发热。

（4）对大型直接冷却式汽轮发电机，平均异步转矩的最大值较小，惯性常数也相对降低，转子在纵横轴方面明显不对称。由于这些原因，在重负荷下失磁发电机的转矩和有功将发生剧烈摆动。这种影响对水轮发电机更为严重。

对电力系统的危害：

（1）发电机失磁后，由于有功功率摆动及系统电压的降低，可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间失去同步，引起系统振荡。

（2）发电机失磁造成系统中大量无功缺少，当系统中无功储备不足，将引起电压下降。严重时引起电压崩溃，系统瓦解。

（3）一台发电机失磁造成电压下降，系统中的其他发电机在自动调节励磁装置作用下，将增加其无功输出。从而使某些发电机、变压器、输电线路过电流，后备保护可能因过流动作，扩大了故障范围。

与永久磁铁对比

永久磁铁和电磁铁均能制造得产生不同形式的磁场。在选择磁路时，首先考虑的是你需要磁铁做的工作。在用电不方便、经常发生断电或没有必要调整磁力的场合下，永久磁铁占优势。对于要求改变磁力或需要遥控的用途来说，电磁铁是有益的。磁铁只能以最初的预定方式加以使用，倘若把错误类型的磁铁应用到某个特殊用途，可能极其危险甚至是致命的。

许多加工操作在厚重的块形材料上进行，这些用途需要永久磁铁。许多机械工厂的用户认为，这些磁铁的最大优点是不需要电气连接。

永久磁铁以330~10000磅升举能力为特色，而且只须旋转一个手柄就能接通或断开磁路。磁铁一般装有安全锁，确保磁铁不会在提升时意外断开。磁铁组可以用于比较重、而且单个磁铁应付不了的长载荷。

还有，在很多时候准备加工的零件非常细（0.25英寸或更细），而且要从一堆相似的零件中提取出来。永久磁铁不适合于每次从一堆零件中只提一件的工作。永久磁铁尽管在正确使用的情况下极其可靠，但是不能改变磁力大小。在这个方面，电磁铁通过可变电压控制装置使操作者能够控制磁场强度，并且能够从堆码的零件中选出一件。自含式电磁铁是按单位升举能力最划算的磁铁，其升举能力可以延伸到10500磅。

由蓄电池供电的磁铁是有用的，它们采用自含式胶体蓄电池增大升举能力，而且可以处理扁形、圆形和构件形状的产品。由蓄电池供电的磁铁能重复完成提升的动作，在没有外接电源的情况下提供相当大的升举能力。

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