5-电磁机构+有触点控制电器-1

2015/5/71电器原理与应用孙丹浙江大学电气工程学院[e-mail]2第一篇电器的理论基础第一章电器的发热与电动力第二章电接触与电弧理论第三章电磁机构理论第三章电磁机构理论电磁机构由磁路系统和励磁线圈组成，它广泛用于电器中作为电器的感测元件(接受输入信号)、驱动机构(实行能量转换)以及灭弧装置的磁吹源。它既可单独成为一类电器，诸如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁和电磁离合器等；也可作为电器的部件，如各种电磁开关电器和电磁脱扣器的感测部件、电磁操动机构的执行部件。电磁机构的磁路系统包含由磁性材料制成的磁导体和各种气隙。当励磁线圈从电源吸取能量后，其周围空间内就建立了磁场，使磁导体磁化，产生电磁吸力，吸引磁导体中的衔铁，借其运动输出机械功，以达到某些预定目的。因此，电磁机构兼具能量转换和控制两方面的作用。4第一节电磁机构的种类和特性电磁机构分类：按励磁电流种类直流交流按励磁方式并励串励内衔铁按结构形式外衔铁线圈与控制电源并联线圈与负载串联衔铁可伸入线圈内腔衔铁只能在线圈外运动一、静态吸引特性和动态特性各种内衔铁式电磁机构的结构和吸引特性：各种外衔铁式电磁机构的结构和吸引特性：一、静态吸引特性和动态特性静态吸引特性:作为借电磁力吸引衔铁使之运动作功的电磁机构，电磁力F与衔铁位移x或工作气隙δ的关系F=f(δ)，或如果衔铁是绕某个固定轴转动，则电磁机构的基本特性是使街铁转动的电磁力矩M与衔铁的角位移α之间的关系M=f(α)。这类特性称为吸引特性或吸力特性。即静态吸引特性。最大吸力动态特性：电磁机构的动态特性是指其励磁电流i、磁通φ、磁链ψ、电磁吸力F、衔铁运动速度v等参数在衔铁吸合(向铁心运动)或释放(离开铁心)过程中，与衔铁位移x或时间t之间的关系，以及衔铁位移与时间的关系。快速开关特性二、机械特性电磁机构的机械特性因其控制对象而异。图3-4所示就是几种典型的机械特性。机械特性是电磁机构的负载特性，但电磁机构的设计是以此为依据依据的，所以将它作为电磁机构的一种特性来处理。9第二节磁性材料及其基本特性磁性材料是具有铁磁性质的材料包含铁、镍、钴、钆等元素以及它们的合金；其最大特点是具有比其他材料高数百至数万倍的磁导率；其磁感应强度与磁场强度之间存在着非常复杂的非线性关系。10一、磁畴、各向异性和居里点磁性材料内部有许多小区域——磁畴，它们能自发地磁化到饱和状态。无外界磁场时，磁畴的磁场因排列杂乱无章而对外不显磁性。一旦有了外界磁场，它们便整个转向，使磁性材料强烈磁化。铁磁物质单晶的磁化呈各向异性性质。以铁的单晶体为例，它沿侧面100方向甚易磁化，沿平面对角线110方向磁化就困难些，沿立体对角线111方向则很难磁化（图3-5）。11一、磁畴、各向异性和居里点各种磁性材料都各有一临界温度值——居里点。若温度超过此值，磁性材料便会因磁畴消失而变成顺磁性材料。居里点之值因材料不同而异，例如，铁的居里点为770度、钴的为1120度，镍的为358度。磁性材料的工作温度不允许接近其居里点。12二、磁化曲线与磁滞回线若将磁性材料去磁后，置于外磁场的作用下，使磁场强度H由零逐渐增大，磁感应强度B也自零开始增大。在oa段，磁化是通过磁畴界壁转移而进行，使顺外磁场方向者增多，逆此方向者减少。由于此阶段磁化不消耗能量，故过程是可逆的，而且B与H成正比，也即u=const并与H无关。在ab段，磁化是通过磁畴的磁化方向突然作90度的转变而进行，所以要消耗一定的能量，过程为不可逆。由于此刻磁畴方向变化突然，磁化曲线上升不平滑，呈阶梯现象。到bc段，磁畴均已从容易磁化的方向转向较难的方向，所以需要消耗更多的能量和很强的外磁场，而u值却在减小。在c点以后，所有磁畴的磁化方向已转到与外磁场一致，也即到了饱和状态。这时，B随H的变化已与真空中相近，而过程又是可逆的。13•以去磁的磁性材料磁化所得的B=f(H)曲线称为起始磁化曲线。•自此曲线开始饱和的c点开始退磁、即减小磁场强度，由于过程是不可逆的，B值将沿ce段变化。对应c点的B值以Bs表示，称为饱和磁感应；二、磁化曲线与磁滞回线•对应e点（H值已减小到零）的B值以Br表示，称为剩余磁感应。•欲使B值减小到零，就需要施加反向磁场，而B值将沿ef段变化。•对应于B=0这一点f的磁场强度称为矫顽力-Hc。•Bs值、Br值以及-Hc值是磁性材料的主要特征参数。14二、磁化曲线与磁滞回线•继续增大反向磁场，B将沿fg段变化，并在g点达到反向饱和。从这一点起逐渐减小反向磁场到它等于零，B就沿km段变化到-Br’。•再加正向磁场，B还会沿km段变化到等于零，这时的磁场强度Hc亦称为矫顽力。•进一步增大正向磁场，B值又从零开始增大，并在c‘点达到饱和。•原则上说，c、c’，两点并不重合，而且Br≠一Br，-Hc≠Hc。但多次重复上述过程即可得到一个基本上闭合的曲线，它称为磁滞回线。15在实际工作时，磁导体并非自去磁状态开始磁化，所以起始磁化曲线不能用于实际计算。在计算中所用的磁化曲线是由许多不饱和对称磁滞回线顶点连接而成的基本磁化曲线（图3-7）。不同的磁性材料有不同的起始和基本磁化曲线。二、磁化曲线与磁滞回线16基本磁化曲线忽略了不可逆性而保留了饱和非线性特征，具有平均意义，故又称平均磁化曲线。根据励磁电流种类不同，基本磁化曲线有直流磁化曲线与交流磁化曲线之分，它们分别适用于直流磁路计算和交流磁路计算。二、磁化曲线与磁滞回线17三、铁损和损耗曲线交流励磁时，磁导体中有因磁滞和涡流现象导致的功率损耗，它们统称为铁损。此损耗与励磁电流的频率有关。当频率增大时，磁滞回线变宽，象征着磁滞损耗增大；同时，由于感应电动势增大，涡流损耗也将增大。铁损还与磁感应强度有关，磁感应强度越大，铁损也越大，其关系也是非线性的。18三、铁损和损耗曲线尽管铁损可用各种公式计算，但因其准确度不尽如人意，也不便利，故工程上多用损耗曲线（图3-8）进行计算。此曲线将铁损表示为磁感应强度和频率的函数，而且是单位质量材料的铁损。由于曲线得自实验，故其准确度较高。19四、磁性材料磁性材料按其特征参数可分为两类，硬磁材料和软磁材料。前者的矫顽力大，可达数十万A/m，而且磁滞回线很宽；后者矫顽力小，可小到百分之几A/m，同时磁滞回线很窄。20四、磁性材料(一)软磁材料：软磁材料矫顽力小（Hc102A/m），磁导率高，剩磁也不大，所以磁滞现象不明显。常用的有：（1）电工纯铁它包括电解铁、羰基铁和工程纯铁等，其特点是电阻率小，故仅用作直流电磁机构的磁导体。（2）硅钢它含硅元素0.8%~4%。因此，硅钢适用于交流电磁机构。（3）高磁导率合金主要是含镍35%~80%的铁镍合金——坡莫合金。它主要用于制造自动及通信装置中的变压器、继电器以及在弱磁场中有特高磁导率的电磁元件。21(一)软磁材料（4）高频软磁材料主要是习惯上称为铁淦氧的铁氧体。它是铁的氧化物与其他金属氧化物烧结而成的。其相对磁导率仅数千，但矫顽力小(数V/m)、且电阻率比铁大数百万倍。它适用于高频弱电电磁元件。（5）非晶态软磁合金它是液体过渡态的合金，其磁性能与坡莫合金相仿佛，而机域性能却远胜过坡莫合金。四、磁性材料22(二)硬磁材料硬磁材料的特点是矫顽力大，磁滞回线宽，且最大磁能积大。常用的硬磁材料：有铸造铝镍钻系及粉末烧结铝镍钴系材料。还有钡、锶和铁的氧化物绕结的铁氧体材料。由部分稀土族元素与钻形成的金属间化物——稀土钴系材料，如钐钴、镨钴和镨钐钴等，它们具有较大的矫顽力和磁能积。第二代稀土永磁材料----钕铁硼，具有更大的矫顽力和磁能积，价格便宜，其磁性能远高于稀土钻系材料。硬磁材料经充磁后，能长久保持较强的磁性，所以被用来制作永久磁铁。四、磁性材料第三节电磁机构中的磁场及其路化第四节磁路的基本定律和计算任务第五节气隙磁导和磁导体磁阻的计算、、、第九节交流磁路的计算第十节电磁机构的吸力计算电磁机构的静态吸引特性是判断电磁系统在一定的励磁电压或电流下、能否克服负载的机械反力而正常地吸合或释放的依据之一，它的计算实质上是电磁力或电磁转矩的计算。一、电磁机构中的能量转换与电磁力如图3-26所示的线圈电路，当控制开关SA闭合时，电路即与电源接通了，其电压方程为：式中：u-线圈电源电压；i-线圈电压；R-线圈电阻；E-线圈电流变化时产生的电动势；ψ-线圈磁链。duiReiRdt第十节电磁机构的吸力计算一、电磁机构中的能量转换与电磁力将上式乘以idt后，得：这就是电磁机构线圈电路的能量平衡方程。等式左方是电路于时间dt内得自电源的能量;等式右方前项为同一时间内消耗于电路中的能量，后项为转换为电磁机构磁能的电能。在电流i由零增至稳态值is的过程中，由电能转换成的磁能为：0MWid2uidtiRdtid图3-27是电磁机构的磁链ψ与电流i的关系。图a)当电流达稳定值Is时，磁链也达稳定值ψs。ψ(i)曲线上方为ψW线所围的面积便代表电磁机构的磁能WM。图b)如果励磁电流增大到I后衔铁非常缓慢地由气隙值为δ1移动到δ2，则可认为在此过程中i=const，但磁链却由ψδ1增大到ψδ2。图3-27是电磁机构的磁链ψ与电流i的关系。图b)从能量关系看，电磁机构储存的磁能原本正比于面积A1+A2，在衔铁运动时又从电源输入正比于面积A3+A4的能量。图c)d)后者的一部分补充到电磁机构储存的能量中，使之在δ=δ2时储有正比于面积A1+A3的磁能，另一部分则转化为衔铁移动时作的机域功△Wm。显然，△Wm是正比于面积A2+A4=(A1+A2)+(A3+A4)-(A1+A3)。衔铁运动时作用于它的电磁吸力平均值为既然δ2δ1，故Fav为负值，它说明电磁力是作用在使气隙减小的方向上，也即它是吸引力。对上式取极限δ--0，即i=const时电磁吸力的瞬时值。若衔铁移动非常迅速，以致反电动势与电源电压相当，则可认为电磁机构是工作于另一种特殊状态，即ψ=const的状态。在这种场合，励磁电流i由I1减至I2。衔铁在移动过程中完成的机械功△Wm正比于电磁机构所贮磁能的增量(负值)------面积A2=(AI+A2)-AI。一、电磁机构中的能量转换与电磁力显然，在ψ=const的条件下，衔铁所受电磁力的瞬时值上式中的负号说明在ψ=const时，电磁机构来自电源取得能量，衔铁作机械功必然要以其磁能之减少为代价。则：若考虑铁心磁阻上的磁压降，上式中的iN就应代之以气隙磁压降故有：211()22ddFURdd21()2dFINdINUR一、电磁机构中的能量转换与电磁力电磁吸力计算公式即：能量公式直流电磁力的大小–气隙的变化曲线和磁路结构有关；直流电磁力的大小–电流的变化曲线和铁磁材料的饱和度相关；一、单相交流电磁力----有两个分量，瞬时值二倍频正弦变化。问题：由于最小力的存在，容易发生振动、噪音；第十一节交流电磁机构的电磁力与分磁环原理31单相电磁机构应用最广泛，但由于电磁吸力的瞬时值脉动，且有过零点，吸合后会出现震颤和噪声，影响受控电路稳定通电。可采用裂极结构，即在铁心端面上，取一部分截面嵌入一个闭合的短路环。利用该短路环的感生电流建立的磁场（比原磁场滞后）与原磁场共同作用，克服磁场过零点，才能保持足够的电磁吸力，使电磁机构工作稳定。二、分磁环第十一节交流电磁机构的电磁力与分磁环原理32二、分磁环第十一节交流电磁机构的电磁力与分磁环原理33二、分磁环第十一节交流电磁机构的电磁力与分磁环原理图a）将磁通Φ0分解为Φ1和Φ2原因：交变激磁情况下，分磁环产生感应电动势和感应电流Φ1和Φ2之间形成夹角β：11sinmt22sin()mt21111~01(1cos2)4mFtFFA2220222~[1cos2()]4mFtAFF34二、分磁环第十一节交流电磁机构的电磁力与分磁环原理合力恒定量暂态