第2章 电器的基本知识

输入量x —— 线圈电压或电流； 输出量y —— 衔铁的位置。 y =f（x）称为输入-输出特性。 这类矩形特性曲线统称为继电特性。
衔铁吸合时的动 作值x0
第2章 电器的基本知识
返回系数
复归值（释放值）xr与动作值（吸合值）x0之比称为返回系数 或恢复系数Kf：
Kf
xr x0
电磁机构的返回系数一般小于1。
电磁机构使衔铁释放的力主要 是利用弹簧反力 。
弹簧的反力特性：
Ff 1＝Kl
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剩磁的吸力特性
当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁使其仍有 一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙δ的增大而减小。
直流吸力特性
交流吸力特性
反力特性 剩磁吸力特性
第2章 电器的基本知识
吸力和反力的配合
第2章 电器的基本知识
2.2.1 电磁式电器的工作原理
电磁式电器： 是根据输入电压或电流的变化，在电磁力的作用下，使触点闭合 或分断。实现电路的接通或切断，达到控制电气系统的目的。 证动作的可靠和安全，通常还辅以缓冲调整系统和灭弧系统 。 电磁式电器的组成 1、感测和判断部分 电磁机构（线圈、铁心、衔铁、复位弹簧等）。 2、执行机构 触头系统（动触点、静触点及其调整机构）。 为保
第2章 电器的基本知识
本章重点
掌握电器的分类，电磁式电器的定义、工作 原理、结构及组成。各部分的相关知识，电弧的 产生条件、实质、危害和分类以及灭弧措施。
第2章 电器的基本知识ຫໍສະໝຸດ 什么是电器？电器 —— 电气器具，一种能控制电的工具。 电——能发热，发光，产生动力，重要能源。
电器的定义：
指能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通和 断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备 的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电工装置。
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2.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用
1. 三维计算机辅助设计系统 2. 低压电器专用计算机应用软件 3. 计算机网络系统的应用 4. 可靠性技术 5. 新的灭弧系统和限流技术
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2.2 电器的基本理论
电器的组成： 从控制的角度看 电器 结构上 输入部分 输出部分 感测部分 电器 判断部分 执行机构
短路环），使铁心通过两个在时间上不相同的磁通， （a）磁通示意图 （b）电磁吸力图 矛盾就解决了。 图 加短路环后的磁通和电磁吸力图
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总结: 磁通分相的作
用，使合成吸力在任一 时刻都大于弹簧反作用 力Ff，就能消除衔铁的 振动，从而消除噪音。
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反力特性
电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧的弹力、触点 弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦力统称为电磁机构的反力。
第一代电器产品
DW10多油断路器
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20 世纪70～80 年代：第二代电器产品，更新 换代和引进国外先进技术制造的。
特点：
技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小， 结构上适应成套装置要求。
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CJ20接触器
DZ20断路器 DW15断路器
第二代电器产品
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衔铁
弹簧
动触头
交流：硅钢片叠加 直流：整块铸铁或铸钢
铁心
吸引线圈
联在电路中，匝数多、导线细。 联在电路中，匝数少、导线粗。 而粗，有骨架。 而长，无骨架。
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根据前述，需保证电磁力大于弹性力，衔铁才能被吸 合，但电磁力过大又会产生撞击！
电磁力和弹性力应如何配合？
为此引入电磁机构的吸力特性和反力特性两个概念
第2章 电器的基本知识
2.1 电器概述
2.1.1 电器的分类
1. 按工作电压等级分
低压电器： 工作电压在交流 1200V 或直流 1500V 以下的各种电器。 高压电器： 工作电压高于交流1200V或直流1500V的各种电器。
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安全电压
安全电压定义： 为防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。 我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的额定 值为42、36、24、12、6V。 1. 42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动工具等 的使用； 2. 36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等场合下 使用； 3. 24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带电体的 设备选用。
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短路环
短路 环
衔 铁
铁 心 吸引 线圈
解决交流电磁铁吸合时产生振动和噪音的措施。 解决方法： 铁心端面上安置一个铜制的分磁环（也称短路环），以消除振动。短路 环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜或铬合金等材料制成。
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由φ 1、φ 2产生吸力为F1+F2 合力始终超过其反力，衔铁 对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的， φ F 象就消失。
20 世纪90 年代：第三代电器产品，跟踪国外新技术 自行开发试制的。
特点： 产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电子化、智 能化、组合化、模块化、多功能化。
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CJ40接触器 DZS断路器
第三代电器产品
DW45断路器
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2. 电器产品的发展趋势
传统的有触点电器，在结构原理、最佳结构设计和应用新材 料、新工艺方面不断创新和完善。
吸力特性描述电磁吸力随气隙变化的规律
反力特性描述反力随气隙变化的规律
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1）电磁机构的工作特性
电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性描述。 吸力特性： 电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲 线。分直流电磁铁的吸力特性与交流电磁铁的吸力特性两种。 反力特性： 电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线。
当气隙δ变化时，由于φ不变时由
IN 1 Φ= ∝ 可知 Rm Rm
IN将随Rm（亦即δ）正比变化，I与δ呈线性关系。
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所以，交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电，但衔铁尚未动 作时，电流比额定工作电流大得多。若发生衔铁卡住不能吸合或衔 铁频繁动作，交流线圈将可能因过电流而烧毁。在可靠性要求高或 频繁操作的场合，一般不采用交流电磁机构，而采用直流电磁机构。
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工作原理
线圈通电 触点 分断或闭合
磁通通过铁心、衔铁 和气隙形成闭合回路 衔铁吸向铁心
衔铁受 电磁力 克服弹性力
磁通消失 线圈断电 触点回通电前状态
衔铁借弹性力复位
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1.
直动式 转动式 静触头
感测和判断部分
和分断电路。
电磁机构：将电磁能量转换为机械能量，带动触头工作，完成接通
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交流电磁机构的吸力特性
若外加电压不变，线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻可忽略，则
U ≈E = 4.44 f Φ N
可知：
U Φ= 4.44 f N
当频率f、匝数N和电压U均为常数时，φ为常数，由 1 2 2 F ∝Φ ∝( ) 知F也为常数，说明F与δ大小无关。实际上考虑漏磁 Rm 的作用， F随δ的减小略有增加。随气隙减小，交流电磁机构的吸力增加不如直流 机构迅速。其吸力特性相对较平坦。
F0=f(δ)
i=f(δ)
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交流电磁瞬时吸力
交流电磁铁的电磁吸力
F0 Φ
107 2 F SBm sin 2 t 8 吸力最大Fm
F0
Ff
0 Φ （a）交变磁通及吸力
ωt
最小吸力为0
电磁吸力为零，将小于弹簧的反作用力，衔铁将从与铁心闭合处被拉开； 当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合。 在衔铁吸引过程中，不能保 证吸力始终大于反力，使衔铁产生振动，频繁振动会产生噪音。
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直流电磁机构的吸力特性
直流电磁铁的电磁吸力
107 F SB 2 8
B磁感应强度，S磁极截面积
因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电 流为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路 定律:
IN 1 Φ= ∝ Rm Rm
1 2 F ∝Φ ∝( ) Rm
2
F

1
2
结论：对于直流电磁铁，气隙越大，吸力越小；气隙越小，吸力越大 。电 磁铁吸合过程中吸力不断增大，完全吸合时吸力最大 。衔铁闭合前后吸力 变化很大。
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4. 按工作原理分
电磁式电器： 依据电磁感应原理来工作的电器。 非电量控制电器：
电器的工作是依靠外力或某种非电物理量的变化而
动作的电器。
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5. 按电器的执行机构特点分
有触点电器：
电器通断电路的功能由触点来实现。
无触点电器：
电器通断电路的功能不是通过机械接触，而是根据输出信 号的高低实现的（即半导体器件的开关效应，如可控硅的导通和 阻断、三极管的饱和截止来实现电路的通断）。
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2. 按动作原理分
手动电器： 需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。如 刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。 自动电器： 不需要人工操作，而是按照电或非电信号自动完成 指令任务的电器。如交直流接触器、继电器、高压断路 器等。
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3. 按用途分
控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。 主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。 保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。 配电电器：用于电能的输送和分配的电器。 执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。
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（1）按衔铁的运动方式分类
衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心： 衔铁绕铁轭的棱角转动。这种形式磨损小，铁心一般用电工软铁 制成，广泛用于直流电器和接触器中。 衔铁沿轴转动的拍合式铁心： 铁心一般用硅钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。 衔铁做直线运动的直动式铁心： 衔铁在线圈内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电 器中。
（2）按磁系统形状分类：
电磁机构分为U形和E形。
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（3）按吸引线圈种类分类
吸引线圈：将电能转换为磁场能。
吸引线圈的分类：
A、按线圈的联接方式分： 电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但电流较小， 所以常用绝缘较好的电线绕制。
电流线圈：串接在主电路中，匝数少，阻抗小，但电流较大，所以 常用扁铜线或粗铜线绕制。
当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹
F 簧的作用下将被拉开。磁通过零后吸力增大，当吸 F1 F ωt 力大于反力时，衔铁又吸合。由于交电源频率的变 2
2 化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁
1
O
产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。因此交流 电磁机构的交变磁通穿过短
此涡流产生的磁通 路环所包围的截面S2，在环 接触器铁心端面上都安装一个铜制的分磁环（或称 落后于截面S1中的 中产生涡流
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2.1.2 电器产品的发展
1. 我国电器产品的发展历程
低压电器产品大致可分为三代： 20世纪60～70年代：第一代电器产品，在完全模仿 前苏联的基础上设计开发的。 特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、 品种规格不齐全。
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CJ10交流接触器
DZ10断路器
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2）电磁机构分类
1—铁心
2—吸引线圈
3—衔铁 4—轭铁 虚线—磁路
第2章 电器的基本知识
电磁铁的结构形式
螺管式电磁铁
山（E）形电磁铁： 多用于交流电磁系统 拍合式电磁铁： 多用于直流继电器和直流接触器 螺管式电磁铁： 多用作索引电磁机构和自动开关的操作电磁机构，少数过电流继电器也 采用。
第2章 电器的基本知识
B、按吸引线圈电流的种类分：
直流线圈： 因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热，所以其线圈 做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触， 易于散热。 交流线圈： 由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗，不仅线圈要 发热而且铁心也要发热，所以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔 离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。
有触点电 器
真空电器 半导体电器 新型电器 机电一体化电器
电器产品向着组合化、 成套化和智能化发展。
国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。 如今，我国低压电器也已进入第四代的开发。传统低压电器向着 高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能 化和零部件通用化的方向发展。
电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力，但不宜 过大，否则会影响电器的机械寿命。 在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证衔铁可靠 释放。 要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力 特性之间。
第2章 电器的基本知识
电磁机构的输入－输出特性
当输入信号下降到复 归值xr时，衔铁释放