鐵路信號繼電器工作原理及特性分析

王珊珊，王成娟

(1.吉林省經濟管理干部學院，吉林長春，130012；2.中國鐵路濟南局集團有限公司青島動車段，山東青島，266031)

1 引言

繼電器作為軌道交通信號領域中信號基礎設備之一，相當于一種電磁開關，當輸入量達到規定的要求時，繼電器能使被控制的輸出電路導通或斷開。繼電器能以較小的電信號控制室外信號機的開放、轉轍機的轉換，是實現自動控制和遠程控制的重要設備[1]。

2 繼電器的組成、分類

它是由電磁系統和接點系統兩大系統組成。其中，電磁系統是感受系統，用來感知和接受輸入量的變化，由線圈、鐵芯、軛鐵和可動的銜鐵等組成。接點系統是繼電器的執行機構，可實現對其他設備的控制，由動接點和靜接點組成。

繼電器的分類方式有很多。其中，按動作電流，可分為直流繼電器和交流繼電器。直流繼電器是由直流電源供電，給繼電器通以直流電，繼電器能夠勵磁吸起。直流電由于有極性，又可分為無極、有極和偏極繼電器。本文主要從幾種直流繼電器的結構出發，對繼電器的原理及特性進行分析。

3 無極繼電器的結構、工作原理、特性

3.1 無極繼電器的結構

在我國軌道交通信號中，應用較多的是AX系列繼電器，它是直流24伏的重力式直流電磁繼電器，其基本結構屬于直流無極繼電器，其他各型號都是由其派生而成。安全型直流無極繼電器由直流電磁系統和接點系統兩部分組成。直流電磁系統由線圈、鐵芯、軛鐵等組成。接點系統包括拉桿和接點組，接點組又分為靜止的前接點、后接點和固定在拉桿上的動接點。

3.2 無極繼電器的工作原理

圖1是繼電器的原理圖。當線圈中通入規定的電流后，根據電磁原理，線圈中能產生磁性，當銜鐵受到的吸引力足以克服銜鐵阻力時，銜鐵被吸向鐵芯，此時銜鐵通過拉桿帶動動接點動作，使前接點閉合，后接點斷開，此時繼電器處于勵磁吸起狀態。當線圈中的電流逐漸減小時，吸引力也減小，當銜鐵受到的吸引力不足以克服銜鐵阻力時，銜鐵由于重力的作用被釋放，此時銜鐵通過拉桿帶動動接點動作，使前接點斷開，后接點閉合，此時繼電器處于失磁落下狀態。

圖1 無極繼電器的工作原理

3.3 無極繼電器的特性

無極繼電器的動作與線圈通入的電流方向無關，不能辨別輸入物理量的特征，1+4-、1-4+繼電器都會吸起，斷電就會落下。

4 有極繼電器的結構、工作原理、特性

4.1 有極繼電器的結構

有極繼電器的結構與無極繼電器有區別，電磁系統中增加了永久磁鋼，永久磁鋼與軛鐵之間用螺釘聯結[2]，永久磁鋼相當一塊磁鐵，沒電的時候，自身也有一定的磁力，會產生磁通。

4.2 有極繼電器的工作原理

如圖所示，沒電的時候，由于永久磁鋼的存在，有兩條磁路。一條通過永久磁鋼、銜鐵再返回來，另一條是通過鐵芯、線圈、銜鐵，還有軛鐵返回來。兩條磁路都是從N極出發回到S極。此時銜鐵如何動作，需要比較δ1和δ2處吸引力大小，如果δ1處吸引力大于δ2處吸引力，繼電器處于定位吸起狀態。如果δ1處吸引力小于δ2處吸引力，則此時繼電器處于反位打落狀態。那么怎么樣比較這兩處吸引力的大小呢？可以比較δ1和δ2處的空隙。我們知道力和間距是相反的，如果繼電器處于打落狀態，則δ1處空隙大于δ2處的空隙，空隙越大，吸引力越小，則δ1處吸引力小于δ2處吸引力，這時，繼電器依然保持在反位打落狀態。相反，如果繼電器是在定位吸起狀態，繼電器突然沒電，由于永久磁鋼的存在，δ1處空隙小于δ2處的空隙，δ1處吸引力就會大于δ2處吸引力，斷電后繼電器依舊保持在吸起狀態。

有電的時候分為以下幾種情況：繼電器處于定位吸起且通以1+4-的電，繼電器處于定位吸起且通以1-4+的電，繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，繼電器處于反位打落且通以1-4+的電。當繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，除了永久磁鋼產生的兩條磁路以外，由于線圈中通入了1+4-的電，就會產生控制磁通，從N極出發，經鐵芯、軛鐵、永久磁鋼、銜鐵再回到S極。圖中控制磁通與極化磁通并存，虛線為極化磁通，實線為控制磁通。當1處通正電源，4處通負電源，在δ1處，2條磁通的方向是相同的，所以它們的磁通應該相加。在δ2處，2條磁通的方向是相反的，所以它們的磁通應該相減。因此，δ1處磁通大于δ2處，δ1處吸引力大于δ2處。所以，如果有極繼電器處于反位打落且通以1+4-的電，有極繼電器將會定位吸起。

若繼電器處于反位打落且通以1-4+的電，則δ1處為2個磁通之差，δ2處為2個磁通之和，δ1處磁通小于δ2處磁通，δ1處吸引力小于δ2處吸引力，繼電器將處于反位打落狀態。

圖2 有極繼電器的工作原理

若繼電器處于定位吸起且通以1+4-的電，在δ1處磁通方向相同，δ2處磁通方向相反，δ1處磁通大于δ2處磁通，δ1處吸引力大于δ2處吸引力，繼電器處于定位吸起狀態。

若繼電器處于定位吸起且通以1-4+的電，在δ1處，2個磁通方向是相反的，在δ2處磁通方向相同，δ1處磁通小于δ2處磁通，δ1處所受吸引力小于δ2處所受吸引力，這時繼電器由定位吸起變為反位打落。

4.3 有極繼電器的特性

有極繼電器動作上能反映電流的極性。無電時，有極繼電器依舊保持在它的前一個工作狀態，即如果繼電器處于定位吸起狀態，斷電后依然保持定位吸起狀態。如果繼電器處于反位打落狀態，斷電后依然保持反位打落狀態。

有電的時候，不管繼電器以前是定位吸起還是反位打落，通以1+4-的電，繼電器一定處于定位吸起狀態，中接點和前接點閉合。通以1-4+的電，繼電器一定處于反位打落狀態，中接點和后接點閉合。

5 偏極繼電器的結構、工作原理、特性

5.1 偏極繼電器的結構

偏極繼電器的接點系統與無極繼電器基本相同，但是鐵芯的極靴是方形的，在方形極靴的下方，用兩個螺釘固定一個L形的永久磁鋼[3]。銜鐵處于極靴和永久磁鋼之間，受永久磁力的作用處于落下狀態。

5.2 偏極繼電器的工作原理

由于永久磁鋼的存在，依舊會有磁通的產生，圖中的2條虛線代表由于永久磁鋼產生的極化磁通，從N極出發回到S極。如果繼電器沒有通電，偏極繼電器如何動作？需比較δ1處和δ2處吸引力大小。因為δ2處為2個磁通之和，δ1處只有1個磁通經過，所以δ2處磁通大于δ1處磁通，δ2處吸引力大于δ1處吸引力，銜鐵會偏向左邊，繼電器處于落下狀態。

當偏極繼電器通電，可以分為通以1+4-的電和1-4+的電兩種情況。當通入1+4-的電，圖中多了一條磁路，在δ1處，控制磁通的方向與永久磁鋼產生的磁通方向相同，總磁通是兩者之和，相應的，δ1處受到的吸引力比較大。在δ3處也受到2個磁通，2個磁通方向相反，總磁通是2個磁通之差，δ3處受到的吸引力就比較小。增大的力量的程度要比減小的力量的程度大，對于銜鐵吸引力，總得來說是增大的。如果總的吸引力大于δ2處的吸引力，偏極繼電器處于吸起狀態。

當偏極繼電器通入1-4+的電，情況正好相反，減小的程度比增大的程度要大，δ1處和δ3處磁通發生改變，而δ2處磁通不變，繼電器依舊處于落下狀態。

圖3 偏極繼電器的工作原理

5.3 偏極繼電器的特性

偏極繼電器動作上能反映電流的極性。偏極繼電器在沒有電的時候，不會像有極繼電器一樣保持在原來狀態，無電時，偏極繼電器一定處于落下狀態。

只要有電，當繼電器處于吸起狀態，一定是1處通正電源，4處通負電源。當繼電器處于落下狀態，一定是1處通負電源，4處通正電源。

6 結語

無極繼電器是最常見的。有電時，無論通以什么極性的電流，不管是1+4-還是1-4+，只要滿足吸引力大于銜鐵的重力，繼電器就處于勵磁吸起狀態。斷電時，繼電器一定處于失磁落下狀態。

有極繼電器根據線圈中電流極性不同而具有定位和反位兩種穩定狀態。只有通以1+4-的電，繼電器才會定位閉合，如果通以1-4+的電，繼電器會反位打落。沒電的時候，斷電之前是吸起，就保持在吸起狀態，斷電之前是落下，就保持在落下狀態。

偏極繼電器只有一種穩定狀態，通以1+4-的電流，銜鐵會吸起，反方向不動作，斷電會落下。

我們一定要明確無極、有極、偏極這三種類型繼電器的特性，因為在電路的使用過程中，繼電器種類不同，帶來的結果也不一樣。針對不同繼電器的不同特性，它們的接點會有不同的動作，最后直接導致整個電路的通與斷。