什么是闭锁式电磁铁？
电磁铁是一种机电装置，通过施加电流驱动柱塞运动。闭锁式电磁铁提供相同的线性运动，但其内置机构可使柱塞在不依赖电力的情况下保持固定位置。闭锁机制由剩磁形成，或如本文所述采用永磁体保持。节能与延长使用寿命是闭锁式电磁铁的主要优势，因其无需电力即可维持位置。注：单稳态与双稳态旋转式电磁铁同样适用。
本技术简报将解析图1所示的台达电子DSML-1153-24C型电磁铁工作原理。请注意该闭锁式电磁铁需通过正反向极性实现闭锁与解锁。关于图2所示脉冲电气互锁电路的详细说明，请参阅本文。该电路对电磁铁运行至关重要，可防止用户或可编程逻辑控制器(PLC)系统同时施加正反向极性。
图 1 ：采用永磁体的台达电子DSML-1153-24C闭锁式拉动电磁铁实物图。
技术提示 ：电磁铁可分为连续工作制与间歇工作制。仔细查阅数据手册以确定间歇工作条件。此举可防止线圈过热，延长设备寿命。请牢记10度法则：温度每降低10°C，元件寿命约可翻倍。
同时务必查阅数据手册了解电磁铁的机械循环寿命。最后需考虑负载施加方式。偏心负载会导致柱塞卡滞，缩短设备寿命。
图 2 ：本文所述的采用电气互锁极性反转电路驱动的闭锁式电磁铁。
断电状态下闭锁式电磁铁的工作状态
通过状态分析最能理解闭锁式电磁铁。图3展示了简单的断电状态。左侧为闭锁状态，右侧为解锁状态。两种断电状态均稳定，柱塞可保持当前位置。若柱塞被物理推入电磁铁主体，电磁铁将进入锁定状态。
请注意，永磁体在锁定状态下会牢固地吸住柱塞。可用螺丝刀作为撬棍，强制将柱塞从断电的锁定状态中推出。一旦柱塞移动约1/4英寸，弹簧张力将使柱塞保持在解锁状态。
图 3 ：断电时，锁定式电磁铁可能处于锁定（左）或解锁（右）状态。永磁体将柱塞牢牢固定在锁定状态。
技术提示 ：电磁铁线圈相当于一个大电感。关断时产生的反激电压会带来问题，特别是当线圈由半导体H桥驱动时。简单的1N4004二极管在此不适用，因为电磁铁需要双向电流。我们必须在H桥中使用四个二极管来抑制反激电压。每个桥臂开关都并联有二极管。
技术提示 ：建议在线圈两端并联由电阻和电容串联组成的缓冲电路。这将降低射频干扰的可能性，尤其当电磁铁远离控制电路时。需注意长导线可能像天线一样辐射射频能量。
锁定继电器内部磁场描述
本文介绍的锁定式电磁铁含有一对永磁体。磁场分布如图4（左）所示。需知磁场会沿最短路径形成闭合回路。本例中，磁回路穿过软铁轭架。同时也经过铁质柱塞。
图4中柱塞底部与轭架基座之间存在不可见的磁气隙。存在微小吸力将柱塞拉向电磁铁主体。但该力与弹簧力保持平衡。因此柱塞保持伸出状态。
行程-力关系见图5最下方（连续）曲线。如同冰箱磁铁，当柱塞被吸入电磁铁主体时，吸力会增强。
图 4 ：展示永磁体和电磁体磁力线的图像。注意右侧磁场呈现的极性是永磁体与电磁体磁场相互排斥。
图 5 ：台达电子DSML-1153-24C型号电磁铁推力随行程变化的数据表说明。
通电保持式电磁铁的工作状态
该电磁铁具有极性敏感性 。这一关键陈述让我们更深入理解电磁铁的工作原理。观察图4（右）可见永磁体与电磁体的磁场存在相互作用。为明确表述，我们采用以下术语：
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正向极性 ：磁场叠加使衔铁受力大幅增强。此状态亦可称为吸合状态，此时电磁铁施加最大拉力将衔铁吸入本体。
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反向极性 ：磁场相互抵消使衔铁受力减小从而实现释放。该状态最准确的描述是释放状态，此时永磁体的保持力被中和。将其称为推出状态是错误的，因为并不存在推动衔铁的磁力。需注意仅靠弹簧张力即可使衔铁伸出。
技术提示 ：本款电磁铁为拉入式结构。释放功能依赖于弹簧张力。该装置可强力拉动负载，但不具备推动负载的能力。建议进行实验观察：拆除弹簧后电磁铁的工作状态。
电磁铁工作状态综述
电磁铁工作状态可总结如下：
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断电保持状态 ：衔铁静止于电磁铁本体内，由永磁体固定位置。该状态将持续至施加较大机械力或通入反向极性解锁电流。
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断电释放状态 ：衔铁处于伸出位置。该状态将持续至被强制转入断电保持状态，或如吸合状态所述通入正向极性电流。
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吸合状态 ：通常为暂态过程，衔铁在正向极性电流作用下被吸入电磁铁本体。一旦柱塞被拉至指定位置，即可接通电源。柱塞将保持在无电源闭锁状态所描述的位置。
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解锁状态 ：这是柱塞运动时的另一种临时状态。它正从闭锁状态向解锁状态移动。当向电磁线圈施加反向极性电流时，会出现此状态。
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通电闭锁 状态：由于正向极性电流产生的磁场增强了永磁体作用，此状态能提供最大的保持力。即使断电后系统转入无电源闭锁状态，柱塞仍将保持原位。
非对称磁场导致的混淆现象
在得出结论前，我们需要研究磁场相关的不对称特性。我们首先确认该特制继电器设计用于24伏直流电。在此应用中，该术语关联着如图5所示的特定距离下的特定拉力。
通常假设线圈具有相同的反向极性电流。虽然这个假设并非完全错误，但它模糊了我们对电磁线圈工作原理的理解。当我们观察到施加反向极性的电磁线圈可能被迫返回闭锁位置时，这点尤为明显。实际上，这看起来就像通电闭锁机构在反向极性下仍能工作。这是个令人困惑的情况——原本设计用于解锁的反向电流，现在却将电磁线圈固定在了原位。
理解电磁线圈的关键在于认识到反向极性电流应小于额定电流。DSML-1153-24C的实证测试表明，当施加12伏直流反向电压时，永磁场与电磁场会相互抵消。此时若将柱塞物理推入电磁线圈体内，不会产生明显的拉力。在12伏直流电压作用下，电磁线圈的工作状态如同移除了永磁体。
闭锁式电磁线圈的最佳操作实践
图6展示了解决磁场不对称问题的一种方案。选择电阻R1的阻值，使得施加反向极性时能完全中和永磁体的磁场。二极管D5确保施加正向极性驱动信号时能通过全额电流。
另一种方案是采用全半导体H桥电路配合脉宽调制控制信号。这具有节能的优势。然而，由于保持式电磁阀的通电时间较短，其复杂性可能得不偿失。毕竟，正是这种保持机制让我们最初选择了这项技术。
图 6 ：80Ω电阻与二极管D5构成非对称电流通路。当施加反向极性（S2和S3闭合）时，永磁场与电磁场相互抵消。当施加正向极性（S1和S4闭合）时，全部电流流经二极管D5。
技术提示 ：针对图6电路，切勿同时闭合S1-S2或S3-S4开关对。否则将引发电源直通的破坏性故障。
最后的思考
在撰写本文时，我有幸向DigiKey应用工程部的同事展示了这款保持式电磁阀。其工作机制堪称奇观——它恰好超出常规认知，令每位观察者都不禁驻足端详。
若您从事电子或物理教学，我强烈建议将此装置引入实验室。该电磁阀为学习磁场知识提供了独特视角，涵盖气隙、永磁体与电磁体等课题。稍加改造后，您甚至能测量电磁阀的吸力，例如通过下拉式托盘天平进行定量测试。
请在下面的空白处添加您的评论和问题。此外，通过回答本笔记末尾的问题和批判性思维问题来检验你的知识。
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