一、概述

　　起動機(jī)電磁開關(guān)是由激磁線圈和動鐵心組成，由電提供能量，是一種由電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動的并帶輔助裝置的柱塞式電磁鐵（圖1）。

　　圖1 圖2

　　以開關(guān)裝配形成來分分可分為整體式電磁開關(guān)（圖2）和分體式電磁開關(guān)（圖3）。

　　圖3 圖4

　　以起動機(jī)的嚙合來分，可分為強(qiáng)制嚙合式（圖4）和輔助嚙合式電磁開關(guān)（圖5）。

　　圖5

　　各種形式的電磁開關(guān)，是針對起動機(jī)來講的，離開起動機(jī)來講電磁開關(guān)，就失去了其根本意義。

　　電磁開關(guān)典型的電路圖及起動機(jī)電路圖如下：

　　電路圖

　　二、電磁開關(guān)在起動機(jī)上的安裝形式的要求

　　1、安裝方式

　　與起動機(jī)連接有凸緣式(見圖4）和平底式的

　?。ㄒ妶D3），通過螺釘、螺栓緊固。

　　鐵心與起動機(jī)連接，通常有直推式（圖6）、

　　鉤式（圖7）、凹槽式（見圖2）、螺栓（圖8）等。 圖6

　　圖7 圖8

　　電磁開關(guān)電壓等級通常分為

　　12V和24V兩種電壓等級。因而

　　導(dǎo)致電磁開關(guān)始吸電壓、釋放電

　　壓也為兩種,分別為8.4V、16.8V

　　和4.8V、9.6V，作為電磁開關(guān)的

　　生產(chǎn)，對斷電能力的要求應(yīng)充分 

　　考慮，否則,難于正常工作,甚至

　　損壞整個起動機(jī)。每個電磁開關(guān)，

　　均有斷電能力設(shè)計（圖9）。

　　abcd e f 圖9 主觸點壓降應(yīng)作為專門考慮的，否則，將大大降低起動機(jī)的扭矩及輸出功率。

　　對強(qiáng)制嚙合式起動機(jī)的電磁開關(guān)和輔助嚙合式起動機(jī)電磁開關(guān)的工作狀況不同，要求也不同。

　　一般來講，強(qiáng)制嚙合式起動機(jī)的電磁開關(guān)工作時間稍長些，對保持線圈的要求相對稍高一些，而對于輔助起動的電磁開關(guān)來講，狀況有所不同，吸引線圈的要求要更高一些，因為短時間內(nèi)要輸出很大的電流，并要考慮起動機(jī)在偶然的頂齒狀態(tài)下還能工作，因而選材也不同。

　　任何電磁開關(guān)都是本身產(chǎn)生力，又利用彈簧抵消力，從而保持一定的力而滿足起動機(jī)的工作狀態(tài)，并不是電磁開關(guān)的吸力越大越好（當(dāng)然要考慮在發(fā)熱狀態(tài)下也能正常工作），否則將會損壞起動機(jī)，損壞發(fā)動機(jī)。

　　三、有關(guān)電磁的基本原理

　　1、磁場和磁力線

　　在磁源周圍的一定的空間，所有鐵磁物均要受磁源的磁力影響，這磁源影響的范圍叫磁場。

　　磁場由無數(shù)的假想的線來描繪，統(tǒng)稱磁力線。磁力線的多少，可表示磁場的強(qiáng)弱，用磁力線的流向表示磁場的方向。在一物體的外部，磁力線由N極流向S極的，在內(nèi)部卻又連續(xù)地由S極流向N極的。

　　2、磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度

　　通過某一截面的磁力線數(shù)稱為磁通，在規(guī)定單位截面積內(nèi)穿過的磁力線數(shù)稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

　　3、電和磁的關(guān)系

　　右手定則確定了電流方向和磁力線的方向，電磁開關(guān)就是應(yīng)用這一原理，而使動鐵心向一個方向動作，而組成電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)。

　　4、磁阻和磁導(dǎo)

　　磁能流過導(dǎo)磁體和空氣隙時，同樣要受到一定的阻力，這就是磁阻。磁阻的倒數(shù)即為磁導(dǎo)。磁阻的大小與磁場的長度成正比，而與磁路的截面積成反比。相反地，磁導(dǎo)的大小與截面積成正比，而與長度成反比。

　　四、電磁開關(guān)的磁路和吸力計算

　　1、電磁開關(guān)的磁路

　　電磁開關(guān)通過靜鐵心、動鐵心、開關(guān)殼形成一個磁路，產(chǎn)生一個較大的力。

　　電磁開關(guān)的激磁線圈與動鐵心之間產(chǎn)生一個磁路，形成一個螺線管力。

　　吸力公式：

　　F=9.8×（B/5000）²·S

　　式中： F—電磁吸力（N）

　　B —磁感應(yīng)強(qiáng)度 （wb/cm²）

　　S——磁極表面總面積 （cm²）

　　在計算氣隙較大時的吸力，應(yīng)引入一個修正系數(shù)。公式為：

　　F=9.8×（B/5000）²·S·1/（1+aδ）

　　式中： a為修正系數(shù)，一般取3—5；

　　δ—氣隙長度（cm）

　　為了便于計算，可以忽略鐵磁阻所推導(dǎo)出來的數(shù)值，可以列為：

　　F=9.8×6.4×10^-8(IW)²〔兀r²/δ²+g/u0(z²/Lc)²〕

　　式中： IW—為安匝數(shù)，即電流×匝數(shù)

　　g—比磁導(dǎo)，即Gδ/L

　　五、電磁磁開關(guān)的設(shè)計

　　1、對各部分的彈簧的分析

　　電磁開關(guān)的形式不同，采用的彈簧數(shù)也不同，但受力情況均為一致的。

　?。?）動觸點初壓力

　　動觸點初壓力，即裝配成一體的彈簧預(yù)壓力。增大初壓力，可以有效地改善始吸過程中的撞擊，減少粘連現(xiàn)象，改善動觸點和靜觸點之間往復(fù)沖擊，避免往復(fù)過程中的拉弧現(xiàn)象。根據(jù)起動機(jī)的功率及工作電流的大小，合理選用，常用為20—50N，對于大功率的輔助嚙合式起動機(jī)的電磁開關(guān)，這初壓力還應(yīng)大一些，可為40—80N。

　?。?）動觸點終壓力

　　動觸點終壓力，既要考慮動鐵心完全吸合狀態(tài)，又要考慮復(fù)位（可能有2只）彈簧的反力，可采用50—80N的壓力，因為這要考慮動、靜觸點，要通過很大的電流，（甚至考慮起動機(jī)制動時的電流）而盡可能減少兩者的接觸電阻，使之不易溫度過高而損壞。

　　2、斷電距離

　　對整體式電磁開關(guān)而言，這個問題不存在，因動鐵心的行程較大，斷電距離已大大滿足。對分體式強(qiáng)制嚙合式的電磁開關(guān)這個問題較重要。

　　斷電距離就是電磁開關(guān)靜止時的動觸點距靜觸點的間隙。電磁開關(guān)工作時將產(chǎn)生較大的火花，而帶負(fù)荷斷開時，其火花更大，而引起拉弧。其溫度高達(dá)1300—2000℃。間隙過小，更為引弧，燒蝕觸點。起動機(jī)小于1.5kw時，斷電距離應(yīng)大于2mm，其它一般應(yīng)大于3mm。

　　3、附加行程

　　附加行程即動觸點剛接觸到靜觸點時至動、靜觸點完全閉合終停時頂桿的位移量。這個距離要根據(jù)起動機(jī)功率大小而確定，一般取1—4mm。起動機(jī)功率小時，可取小值，反之取大值。應(yīng)該注意的是，附加行程大小可影響起動機(jī)的始吸電壓高低及保持電壓的高低。附加行程的最后確定，因根據(jù)起動機(jī)的檢測情況而最后經(jīng)修正后確定。

　　4、動、靜鐵心端部形狀的確定

　　電磁開關(guān)是螺管式電磁鐵，這種形式的動靜鐵心由于受到兩個吸力的作用，即動、靜鐵心之間的表面力F1和另一個漏磁通所產(chǎn)生的螺管力F2，因此，電磁開關(guān)的電磁吸力等于兩者之和。

　　根據(jù)電磁開關(guān)的氣隙大小及實際工作情況，可選為平頂和錐頂?shù)男螤睢?

　　5、設(shè)計程序

　　根據(jù)起動機(jī)的要求，首先確定開關(guān)殼和動鐵心的連接方式，再確定磁路計算、吸力的近似計算，根據(jù)等截面的原則（輔助嚙合式除外）確定動、靜鐵心的直徑，確定激磁線圈的參數(shù)。

　?。?）初步考慮的內(nèi)容

　　A、氣隙較大的電磁開關(guān)

　　根據(jù)初步需要的吸力、行程，首先確定鐵心的直徑，開關(guān)殼的內(nèi)、外徑，其次確定激磁線圈的尺寸，再考慮激磁線圈的安匝數(shù)，然后計算線徑。最后根據(jù)以上數(shù)據(jù)構(gòu)畫出其他尺寸。

　　B、氣隙較小的電磁開關(guān)

　　這與前者的根本區(qū)別在于，前者借用其較大的螺管力，而后者考慮的是動、靜鐵心的表面吸力。

　　此類電磁開關(guān)的設(shè)計程序：

　　確定動、靜鐵心的直徑——開關(guān)殼的內(nèi)外徑——線圈厚度——線圈長度——導(dǎo)線直徑——確定安匝數(shù)——其它零部件。

　　六、設(shè)計和制作過程中應(yīng)注意的事項

　　1、開關(guān)殼

　　開關(guān)殼一般采用材料為鋼10，有冷擠成形的、拉伸成形的，甚至有鋼管鉚壓或焊接的，應(yīng)該說冷擠和拉伸的性能較好，可優(yōu)先采用。

　　開關(guān)殼尺寸標(biāo)注應(yīng)考慮起動機(jī)因素。安裝靜鐵心的內(nèi)圓最好設(shè)計成果應(yīng)配合。根據(jù)開關(guān)的大小，收口內(nèi)包的壁厚0.8-1.2mm（圖10）。

　　圖10 開關(guān)殼的線圈繞組、靜鐵心的裝配，應(yīng)考慮分二個步驟：第一步向下壓緊靜鐵心；第二步再收口，在夾具上應(yīng)有所考慮。既考慮壓緊又不能把開關(guān)殼壓塌。

　　在開關(guān)殼上一般有防轉(zhuǎn)凸臺，根據(jù)每種開關(guān)均應(yīng)制定不同的防轉(zhuǎn)扭矩。

　　2、靜鐵心

　　靜鐵心的材料一般為鋼08、10。有鉚壓式的、一次成形的，一次成形的性能較好。鉚壓式的磁阻較大，如考慮不周，在耐久試驗中，可能會產(chǎn)生電磁開關(guān)無力現(xiàn)象。

　　靜鐵心小外圓應(yīng)比動鐵心的外徑略大些，

　　與線圈架內(nèi)襯套過渡配合，便于動鐵心定心，

　　避免錐頂式鐵心卡??；靜鐵心大外圓與開關(guān)

　　殼可過盈配合；靜鐵心軸向尺寸應(yīng)注意，一

　　方面考慮電磁開關(guān)的附加行程，另一方

　　面要考慮起動機(jī)的單向器打出位置（圖11）。 圖11

　　靜鐵心中間的孔是安置頂桿的，孔的內(nèi)徑和粗糙度要控制，國外有的加工成錐孔，對頂桿動作有其幫助的。

　　靜鐵心的檔板的厚度不應(yīng)小于4mm，既有磁路的需要，又要滿足機(jī)械緊固及剛性上的需要。

　　3、動鐵心

　　動鐵心采用材料一般為鋼08、10。大部分加工形式是采用先冷拉，然后再切削加工，國外有拉槽式的，一般外徑不加工，部分要磨加工。動鐵心的外圓與線圈架內(nèi)襯的間隙不應(yīng)太小,否則在工作中，由于塵埃、泥水，包括電鍍層脫落，會引起動作不靈，甚至卡滯而不能工作。動鐵心的端面與起動機(jī)撥叉連接的尺寸在設(shè)計時應(yīng)有所考慮，否則附加行程一致性也不好，影響使用效果（見圖12a、b）。

　　a b

　　圖12

　　還有Bosch拉桿形式鐵心、Mitubishi內(nèi)凹式鐵心，要保證尺寸，有一定難度，在設(shè)計和加工時應(yīng)注意。

　　4、動觸組合

　　動觸組合有單獨式（圖13a）、散件式（圖13b）。

　　a b

　　圖13

　　① 絕緣墊圈及檔圈

　　絕緣墊圈一般用酚醛玻璃布板，厚度≥1.2mm；

　　檔圈不贊成用GB896開口檔圈（圖GB896）。 圖GB896

　?、?絕緣襯套

　　絕緣襯套采用酚醛棉纖維模塑料,禁止采用酚醛

　　壓塑粉,因為酚醛壓塑粉無纖維,既不耐高溫,更不耐

　　沖擊。絕緣襯套一般采用加熱壓制成型（圖14）。

　　在設(shè)計時,δ≥2，因尺寸過小，纖維流動性差， 圖14

　　僅粘合劑填充進(jìn)去，沒有強(qiáng)度。如動觸點為圓形的，應(yīng)比動觸點厚度高0.2mm；如動觸點為條狀的，應(yīng)比動觸點厚度小0.3mm左右。

　　如電磁開關(guān)為整體式的，外圓盡可能大一些，厚度也應(yīng)可能厚些。

　?、?動觸點

　　動觸點材料大都為T2，一般均為沖壓式冷擠成形，形狀為圓片狀、條狀等（見圖15a、b、c、d）。采用硬的交貨狀態(tài)或進(jìn)行壓平工藝，主要考慮材料組織緊密、剛性好。日本Nikko公司的動觸點采用T2沖壓后，再在表面沖制數(shù)十個凸點，意在增大散熱面積，改善接觸狀況。表面要進(jìn)行酸洗。

　　a b c d

　　圖15

　?、?頂桿

　　頂桿材料多為馬氏體型不銹鋼，如1Cr13及H68、Q195等。近年來國外采用硬鋁材料，性能均不錯。頂桿材料一般采用非導(dǎo)磁材料，如電磁開關(guān)有充足的吸力，可采用Q195等導(dǎo)磁材料，但對于靜鐵心的內(nèi)孔，以及頂桿連接的垂直度另有要求。

　　如中間有凸臺形式的頂桿,且較長的,

　　設(shè)計時應(yīng)考慮冷鐓工藝的要求，可以在長

　　端設(shè)計成略大一點，這樣工藝性較好，便

　　于加工（圖16）。 圖16

　　在動觸組合裝配中和裝配后，對頂桿端部到動觸點平面的尺寸要進(jìn)行測量和控制，必要時要采用矯正和調(diào)整，便于控制附加行程。

　　5、開關(guān)盒

　　開關(guān)盒的材料常用熱固性塑料，比較普通的是4110酚醛棉纖維模塑料或534酚醛碎布模塑料，也有部分廠家采用4330酚醛玻璃纖維增強(qiáng)壓塑料。這許多材料的加工均為加熱模壓而成的。國外有采用141、151等酚醛壓塑粉的，但由于和我們國情有些不相符，使用較少。

　　由于棉纖維和碎布混和在塑料里，流動性差，因而設(shè)計開關(guān)盒的時候，對筋等薄壁部位要有所考慮，厚度小于2mm的筋盡量不用，否則，壓制出來的工件合格率很低，且筋的部位大都是酚醛樹脂，沒有強(qiáng)度。 在開關(guān)盒的頂部盡可能設(shè)計隔離凸臺（圖17），把B端、M端和S端的接線部位隔開。隔離凸臺的高度應(yīng)高于接線柱第一個鎖緊墊圈2mm以上。

　　圖17

　　如開關(guān)盒在電磁開關(guān)上采用螺釘固定的，要考慮臺階高度，避免使用非標(biāo)準(zhǔn)長度的螺釘；如整體收口鉚壓的，考慮S端位置，盡可能對壓裝模不產(chǎn)生干涉。

　　開關(guān)盒在裝配前，有條件的要采用風(fēng)浴工藝。

　　6、靜觸點

　　靜觸點大都采用T2材料，經(jīng)冷鐓成形，螺紋經(jīng)碾壓而成（圖18）。

　　圖18

　　靜觸點工作端部形狀，大都采用球形，端部刻紋。裝配前進(jìn)行酸洗。

　　對于24V以上的電磁開關(guān)靜觸點，為了減少粘連和液橋現(xiàn)象，采用含接觸點的工藝。觸電材料為銅鎢合金、銀鉬合金、銀氧化鎘等。

　　由于觸點生產(chǎn)工藝基本為內(nèi)氧化法和粉末冶金法，對于粉末冶金法生產(chǎn)的觸點不能進(jìn)行酸洗，否則將對電磁開關(guān)帶來嚴(yán)重的缺陷。

　　靜觸點的材料采用鋼件的，對端點的電壓降難以達(dá)到JB/T 6706-2006中3.20的要求。

　　7、彈簧

　　電磁開關(guān)彈簧常用材料為碳素彈簧鋼絲C級。采用彈簧機(jī)卷繞而成，后經(jīng)過回火、立定、表面處理。

　　彈簧最常用的公式：彈簧剛度P′= Gd⁴/8D³n

　　式中： P′— 彈簧剛度（N/mm）

　　G -- 剪切彈性模量（N/mm²），79×10³

　　d -- 鋼絲直徑（mm）

　　D -- 彈簧中徑（mm）

　　n -- 彈簧有效圈數(shù)

　　考慮到彈簧工藝，一般在高度上可保

　　留一定范圍，在預(yù)壓力、工作壓力、極限

　　壓力應(yīng)有所標(biāo)注及控制（圖19）。

　　考慮到防止彈簧的失效，一般彈簧的

　　螺旋角在5°～9°之間，特殊情況下可略

　　大些。為了保證彈簧穩(wěn)定的剛度，有效工

　　作圈數(shù)一般不少于3圈，特殊情況不少于2圈。 圖19

　　彈簧的表面處理，如無特殊需要，盡可能采用氧化處理，避免電鍍處理帶來不良后果。

　　8、線圈及漆包線的選用

　　GB6109.1規(guī)定了漆包線的漆膜厚度、熱級。

　　漆膜厚度分為3級：1級表示薄漆型；2級表示厚漆型；3級表示特厚漆型。

　　在電磁開關(guān)中大都采用2級型。

　　熱級：表示漆包線的耐熱等級。

　　米電阻ρ：在20℃時測量1m長的銅線的電阻。

　　ρ=1/58～1/59(Ω·mm²/m)

　　如果電阻Rt在溫度t而不是在20℃環(huán)境下測量，20℃時的電阻R20可按下式換算而得：

　　R₂₀=Rt/1+α(t-20)

　　式中： t —測量時實際溫度 （℃）

　　α—溫度系數(shù)

　　在15-25℃溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為3.96×10-3。

　　電磁開關(guān)選用漆包線，應(yīng)根據(jù)起動機(jī)情況而定。對強(qiáng)制式嚙合的起動機(jī)，吸引線圈可用130級的，保持線圈可用155級的；而對于輔助嚙合的起動機(jī)，吸引線圈甚至用200級聚酯亞胺/聚酰胺亞胺復(fù)合線。這些還應(yīng)參照發(fā)動機(jī)起動機(jī)，有所變化。

　　吸引線圈與保持線圈一般同向繞制，建議采用保持線圈的末端接地，可以避免帶來麻煩。對于規(guī)格較小的銅線去漆，建議化學(xué)除漆法，采用剝漆機(jī)去漆，可能影響電磁開關(guān)性能。兩組線圈匝數(shù)一般相符，根據(jù)電阻變化，可適當(dāng)有所變化。整體式電磁開關(guān)的兩組線圈的匝數(shù)差不應(yīng)超過50匝，但在彈簧設(shè)計上相應(yīng)改變。至于保持線圈的反饒幾十匝，在設(shè)計的時候可以彌補(bǔ)。保持線圈的電流密度控制在30A范圍內(nèi)。吸引線圈的電流密度可大些，但相應(yīng)的措施應(yīng)跟上。

　　9、橡膠密封件的確定和選用

　　電磁開關(guān)用橡膠件，常用為丁腈橡膠。主要在電磁開關(guān)上起兩個作用：一、密封；二、填充減震。建議在設(shè)計時標(biāo)稱硬度，控制在邵爾45-55就可以。不要為了追求光澤而添加炭黑，對電磁開關(guān)就不利了。鐵心端部風(fēng)琴式密封件，應(yīng)采用硅橡膠，邵爾硬度在50-60即可。

　　10、接地焊接、連接片之間的焊接

　　單線制的電磁開關(guān)，有一根搭鐵線焊接，

　　建議采用貯能焊，焊頭不應(yīng)太扁，否則產(chǎn)生應(yīng)

　　力,易受震動而斷裂。焊接位置應(yīng)確定(圖20)。

　　而對于各連接片的焊錫，應(yīng)采用不低于含

　　錫50%的錫條焊接。采用中性助焊劑,焊點形狀

　　應(yīng)為平坦式，防止虛焊。 圖20

　　貯能焊接的功率在800焦耳之間就可，控制方式建議采用鎮(zhèn)江天華公司的汽缸動作式，對焊點比較有保證。

　　11、電磁開關(guān)的檢測 這里說的是下線檢驗，首先強(qiáng)調(diào)的是電磁開關(guān)的支撐應(yīng)為非導(dǎo)磁體，電壓均為端電壓，電壓表、電流表精度不低于0.5級，其他測量儀表精度不低于1.0級。

　　閉合電壓、電流按JB/T 6707 4.7要求檢驗。通常采用加載，并在一定氣隙情況下判斷驗收，判定合格與否。

　　釋放電壓、電流的檢查，通常采用帶負(fù)載設(shè)額定值的檢測方式判斷合格與否。

　　主觸點壓降的檢查對起動機(jī)來說事關(guān)重要，可直接影響起動機(jī)的輸出和使用。

　　附加行程的檢查，在穩(wěn)定的批量生產(chǎn)中，可采用一定比例的抽檢。

　　檢測設(shè)備：多品種生產(chǎn)的企業(yè)，可用合肥金東公司生產(chǎn)的，如下線檢測，可采用常州福特萊公司的。

　　檢測過程要求時間短，讀數(shù)正確。對輔助嚙合的電磁開關(guān)，檢測過程不能太長。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、《電磁鐵》 蔡國廉

　　2、《汽車電器》 汽車電器研究所

　　3、《電磁鐵》 北方工業(yè)出版社