铁路信号继电器工作原理及特性分析

王珊珊，王成娟

(1.吉林省经济管理干部学院，吉林长春，130012；2.中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段，山东青岛，266031)

1 引言

继电器作为轨道交通信号领域中信号基础设备之一，相当于一种电磁开关，当输入量达到规定的要求时，继电器能使被控制的输出电路导通或断开。继电器能以较小的电信号控制室外信号机的开放、转辙机的转换，是实现自动控制和远程控制的重要设备[1]。

2 继电器的组成、分类

它是由电磁系统和接点系统两大系统组成。其中，电磁系统是感受系统，用来感知和接受输入量的变化，由线圈、铁芯、轭铁和可动的衔铁等组成。接点系统是继电器的执行机构，可实现对其他设备的控制，由动接点和静接点组成。

继电器的分类方式有很多。其中，按动作电流，可分为直流继电器和交流继电器。直流继电器是由直流电源供电，给继电器通以直流电，继电器能够励磁吸起。直流电由于有极性，又可分为无极、有极和偏极继电器。本文主要从几种直流继电器的结构出发，对继电器的原理及特性进行分析。

3 无极继电器的结构、工作原理、特性

3.1 无极继电器的结构

在我国轨道交通信号中，应用较多的是AX系列继电器，它是直流24伏的重力式直流电磁继电器，其基本结构属于直流无极继电器，其他各型号都是由其派生而成。安全型直流无极继电器由直流电磁系统和接点系统两部分组成。直流电磁系统由线圈、铁芯、轭铁等组成。接点系统包括拉杆和接点组，接点组又分为静止的前接点、后接点和固定在拉杆上的动接点。

3.2 无极继电器的工作原理

图1是继电器的原理图。当线圈中通入规定的电流后，根据电磁原理，线圈中能产生磁性，当衔铁受到的吸引力足以克服衔铁阻力时，衔铁被吸向铁芯，此时衔铁通过拉杆带动动接点动作，使前接点闭合，后接点断开，此时继电器处于励磁吸起状态。当线圈中的电流逐渐减小时，吸引力也减小，当衔铁受到的吸引力不足以克服衔铁阻力时，衔铁由于重力的作用被释放，此时衔铁通过拉杆带动动接点动作，使前接点断开，后接点闭合，此时继电器处于失磁落下状态。

图1 无极继电器的工作原理

3.3 无极继电器的特性

无极继电器的动作与线圈通入的电流方向无关，不能辨别输入物理量的特征，1+4-、1-4+继电器都会吸起，断电就会落下。

4 有极继电器的结构、工作原理、特性

4.1 有极继电器的结构

有极继电器的结构与无极继电器有区别，电磁系统中增加了永久磁钢，永久磁钢与轭铁之间用螺钉联结[2]，永久磁钢相当一块磁铁，没电的时候，自身也有一定的磁力，会产生磁通。

4.2 有极继电器的工作原理

如图所示，没电的时候，由于永久磁钢的存在，有两条磁路。一条通过永久磁钢、衔铁再返回来，另一条是通过铁芯、线圈、衔铁，还有轭铁返回来。两条磁路都是从N极出发回到S极。此时衔铁如何动作，需要比较δ1和δ2处吸引力大小，如果δ1处吸引力大于δ2处吸引力，继电器处于定位吸起状态。如果δ1处吸引力小于δ2处吸引力，则此时继电器处于反位打落状态。那么怎么样比较这两处吸引力的大小呢？可以比较δ1和δ2处的空隙。我们知道力和间距是相反的，如果继电器处于打落状态，则δ1处空隙大于δ2处的空隙，空隙越大，吸引力越小，则δ1处吸引力小于δ2处吸引力，这时，继电器依然保持在反位打落状态。相反，如果继电器是在定位吸起状态，继电器突然没电，由于永久磁钢的存在，δ1处空隙小于δ2处的空隙，δ1处吸引力就会大于δ2处吸引力，断电后继电器依旧保持在吸起状态。

有电的时候分为以下几种情况：继电器处于定位吸起且通以1+4-的电，继电器处于定位吸起且通以1-4+的电，继电器处于反位打落且通以1+4-的电，继电器处于反位打落且通以1-4+的电。当继电器处于反位打落且通以1+4-的电，除了永久磁钢产生的两条磁路以外，由于线圈中通入了1+4-的电，就会产生控制磁通，从N极出发，经铁芯、轭铁、永久磁钢、衔铁再回到S极。图中控制磁通与极化磁通并存，虚线为极化磁通，实线为控制磁通。当1处通正电源，4处通负电源，在δ1处，2条磁通的方向是相同的，所以它们的磁通应该相加。在δ2处，2条磁通的方向是相反的，所以它们的磁通应该相减。因此，δ1处磁通大于δ2处，δ1处吸引力大于δ2处。所以，如果有极继电器处于反位打落且通以1+4-的电，有极继电器将会定位吸起。

若继电器处于反位打落且通以1-4+的电，则δ1处为2个磁通之差，δ2处为2个磁通之和，δ1处磁通小于δ2处磁通，δ1处吸引力小于δ2处吸引力，继电器将处于反位打落状态。

图2 有极继电器的工作原理

若继电器处于定位吸起且通以1+4-的电，在δ1处磁通方向相同，δ2处磁通方向相反，δ1处磁通大于δ2处磁通，δ1处吸引力大于δ2处吸引力，继电器处于定位吸起状态。

若继电器处于定位吸起且通以1-4+的电，在δ1处，2个磁通方向是相反的，在δ2处磁通方向相同，δ1处磁通小于δ2处磁通，δ1处所受吸引力小于δ2处所受吸引力，这时继电器由定位吸起变为反位打落。

4.3 有极继电器的特性

有极继电器动作上能反映电流的极性。无电时，有极继电器依旧保持在它的前一个工作状态，即如果继电器处于定位吸起状态，断电后依然保持定位吸起状态。如果继电器处于反位打落状态，断电后依然保持反位打落状态。

有电的时候，不管继电器以前是定位吸起还是反位打落，通以1+4-的电，继电器一定处于定位吸起状态，中接点和前接点闭合。通以1-4+的电，继电器一定处于反位打落状态，中接点和后接点闭合。

5 偏极继电器的结构、工作原理、特性

5.1 偏极继电器的结构

偏极继电器的接点系统与无极继电器基本相同，但是铁芯的极靴是方形的，在方形极靴的下方，用两个螺钉固定一个L形的永久磁钢[3]。衔铁处于极靴和永久磁钢之间，受永久磁力的作用处于落下状态。

5.2 偏极继电器的工作原理

由于永久磁钢的存在，依旧会有磁通的产生，图中的2条虚线代表由于永久磁钢产生的极化磁通，从N极出发回到S极。如果继电器没有通电，偏极继电器如何动作？需比较δ1处和δ2处吸引力大小。因为δ2处为2个磁通之和，δ1处只有1个磁通经过，所以δ2处磁通大于δ1处磁通，δ2处吸引力大于δ1处吸引力，衔铁会偏向左边，继电器处于落下状态。

当偏极继电器通电，可以分为通以1+4-的电和1-4+的电两种情况。当通入1+4-的电，图中多了一条磁路，在δ1处，控制磁通的方向与永久磁钢产生的磁通方向相同，总磁通是两者之和，相应的，δ1处受到的吸引力比较大。在δ3处也受到2个磁通，2个磁通方向相反，总磁通是2个磁通之差，δ3处受到的吸引力就比较小。增大的力量的程度要比减小的力量的程度大，对于衔铁吸引力，总得来说是增大的。如果总的吸引力大于δ2处的吸引力，偏极继电器处于吸起状态。

当偏极继电器通入1-4+的电，情况正好相反，减小的程度比增大的程度要大，δ1处和δ3处磁通发生改变，而δ2处磁通不变，继电器依旧处于落下状态。

图3 偏极继电器的工作原理

5.3 偏极继电器的特性

偏极继电器动作上能反映电流的极性。偏极继电器在没有电的时候，不会像有极继电器一样保持在原来状态，无电时，偏极继电器一定处于落下状态。

只要有电，当继电器处于吸起状态，一定是1处通正电源，4处通负电源。当继电器处于落下状态，一定是1处通负电源，4处通正电源。

6 结语

无极继电器是最常见的。有电时，无论通以什么极性的电流，不管是1+4-还是1-4+，只要满足吸引力大于衔铁的重力，继电器就处于励磁吸起状态。断电时，继电器一定处于失磁落下状态。

有极继电器根据线圈中电流极性不同而具有定位和反位两种稳定状态。只有通以1+4-的电，继电器才会定位闭合，如果通以1-4+的电，继电器会反位打落。没电的时候，断电之前是吸起，就保持在吸起状态，断电之前是落下，就保持在落下状态。

偏极继电器只有一种稳定状态，通以1+4-的电流，衔铁会吸起，反方向不动作，断电会落下。

我们一定要明确无极、有极、偏极这三种类型继电器的特性，因为在电路的使用过程中，继电器种类不同，带来的结果也不一样。针对不同继电器的不同特性，它们的接点会有不同的动作，最后直接导致整个电路的通与断。