传动装置

传动装置电磁传动装置•电磁传动装置是一种通过电磁铁把电磁能转变成为机械能来驱动电器动作的机构，主要用于小型电器。•在电力机车中装有大量的电磁式接触器、电磁式继电器、自动开关等，他们都是以电磁铁作为传动机构的。电磁传动装置的基本组成•电磁传动装置实际上就是一个电磁铁。它的形式有很多，比如：螺管式、直动式、E形、U形等，但它们的基本组成和工作原理却是相同的。•电磁铁主要由吸引线圈和磁系统两部分组成。磁系统一般由铁心、磁轭和衔铁三部分组成。衔铁又称为动铁心，铁心和磁轭又称为静铁心。电磁铁的工作原理图图1电磁铁的工作原理1－衔铁；2－极靴；3－线圈；4－铁心；5－磁轭；6－非磁性垫片；7－反力弹簧；8－调节螺钉。电磁铁的工作原理•如图1所示为一个直流拍合式电磁铁的结构，它由线圈3、极靴2、铁心4、磁轭5和衔铁1等组成。线圈3套装在铁心4上，极靴2与衔铁1之间的空气隙称为工作气隙，磁轭5与衔铁1之间的气隙称为棱角气隙。极靴用来增大气隙磁导，并可以压住线圈。非磁性垫片6用来减少剩磁通，以防线圈断电后衔铁被剩磁吸力吸住而不能释放。由于非磁性材料的导磁率和空气的导磁率很接近，故可认为是一个空气隙，称非工作气隙。电磁铁的工作原理•其工作原理是：在线圈未通电时，衔铁在反力弹簧的作用下，处于打开位置，衔铁与极靴之间保持一个较大的气隙。当线圈接通电源后，线圈中产生磁势IW，在磁系统和工作气隙所构成的回路中产生磁通φ，其流向用右手螺线管法则确定（如图中虚线所示）。根据磁力线流入端为S极，流出端为N极的规定，在工作气隙两端的极靴和衔铁相对的端面上产生异性磁极。电磁铁的工作原理•由于异性磁极相吸，于是在铁心和衔铁间产生电磁吸力。当电磁吸力产生的转矩大于反力弹簧反作用力产生的转矩时，衔铁被吸向铁心，直到与极靴接触为止，并带动触头动作。这个过程称为衔铁的吸合过程，衔铁与极靴接触的位置称为衔铁闭合位置。此时，衔铁与极靴之间仍有一个很小的气隙电磁铁的工作原理•当线圈中的电流减小或中断时，铁心中的磁通变小，吸力也随之减小，如果吸力小于反力弹簧的反力（归算后），衔铁在反力弹簧的作用下返回至打开位置，并带动触头处于另一工作位置。这个过程称为衔铁释放过程。•由此可见，只要控制电磁铁吸引线圈电流(或电压)就能通过触头来控制其它电器。电磁铁的工作原理•我们规定：当线圈失电时，触头若是打开的，称为常开触头(也称动合触头)；触头若是闭合的，则称为常闭触头(也称动断触头)。•电磁铁的用途很广，例如在接触器中，利用电磁铁带动触头运动，只要控制电磁铁线圈电流的通断，就能使电磁铁完成某一工作任务，实现自动控制及远距离操纵的目的。在许多继电器中利用电磁铁作感受元件，它可以反映出电路中电压、电流、功率等参数的变化，对电路及电气设备进行保护和控制。电器的传动装置•电器的传动装置是有触电电器用来驱使电器运转部分（触头、接点）按一定要求进行动作的机构。•在电力机车电器上主要采用的是电磁传动装置和电空转动装置，其次还采用了手动、机械式传动装置，个别的还采用了电动机传动（如调压开关）。电磁铁(电磁传动装置)的分类•电磁铁可以按：1衔铁运动方式2磁系统形状3线圈电流种类4连接方式等分类。电磁铁的分类•按吸引线圈通电电流的性质，可分为直流电磁铁和交流电磁铁。•直流电磁铁线圈通的是直流电流，当电流达到稳定值后，可以认为匝数W、电流I均不变，故其为恒磁势(IW)系统，磁通不随时间而变化，在铁心中没有涡流和磁滞损耗，铁心可用整块钢或工程纯铁制造。为了便于制造，铁心和极靴一般做成圆形，线圈也做成圆形，形状细高，与铁心配合较紧密。电磁铁的分类•交流电磁铁的吸引线圈通的是交流电流，可以认为匝数为W和磁通有效值φ不变，故其为恒磁链(ψ＝φW)系统。但总磁通φ交变，在铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心不能再用整块钢铁制造，一般是用硅钢片叠制而成。为了便于制造，把铁心制成方形的，线圈往往也制成方形，且为“矮胖型”，线圈与铁心间的间隙较大，以利于线圈散热。电磁铁的分类•按吸引线圈与电路的连接方式，可分为并联电磁铁和串联电磁铁。•并联电磁铁的线圈与电源并联，输入电量是电压，其线圈称并联线圈或电压线圈。其阻抗要求大，电流小，故线圈匝数多且线径细，这种电磁铁应用较为广泛。•串联电磁铁的线圈与负载串联，反应的是电流量，其线圈称为串联线圈或电流线圈。其阻抗要求小，故其匝数少且导线粗，应用较少。电磁铁的分类•按衔铁的运动方式，可分为直动式和转动式电磁铁两大类。电磁铁的结构型式图2常见电磁铁的结构型式（a）拍合式；（b）螺管式；（c）装甲螺管式；（d）盘式；（e）双E直动式；（f）双E转动式；（g）单U直动式。电磁铁的分类•按磁系统的结构形状，可分为U型、E型和螺管型。图4－2中（a）和（g）为U型，（b）和（c）为螺管型，（d）、（e）、（f）均为E型。•此外，还可以按电磁铁的动作速度分为快速电磁铁、一般速度和延时动作电磁铁。电磁铁的吸力计算基本公式•电磁铁的吸力计算基本公式•这里只给出电磁铁吸力计算的基本公式，以便做简单的定性分析。•（一）直流电磁铁的吸力计算基本公式•根据物理学推导，我们可以得到计算电磁铁衔铁吸力F的基本计算公式：••式中φ――磁极端面磁通(Wb)；•S――磁极的面积(㎝2)。交流电磁铁的吸力计算及分析（二）交流电磁铁的吸力计算及分析•交流电磁铁的吸力计算公式可以在直流电磁铁计算公式的基础上得到。•设交流电磁铁中的交变磁通为：交流电磁铁的吸力计算及分析电磁铁的特性•交流电磁铁磁通与吸力波形如图3所示：•通过以上可知交流电磁铁的吸力有以下两个特点：1．吸力由一个不变分量的平均吸力F0和一个交变分量的脉动吸力Fj组成。2．总的吸力虽然也随时间周期变化，但总是大于或等于零，即只有吸力，没有斥力。3．吸力的频率是磁通频率的2倍。交流电磁铁磁通与吸力波形•图3交流电磁铁的磁通与吸力波形交流电磁铁的吸力计算及分析•在电磁铁工作过程中，决定其能否将衔铁吸合的是平均吸力的大小，即通常所说的交流电磁铁吸力。由于单相交变磁通所产生的吸力在每一周期内有两次经过零点，所以在工频电路上，每秒钟内有100次经过零点。当吸力为零时，衔铁因失去吸力而开始返回，还没有离开多远时，又被吸住，如此往复，形成振动，产生噪音，损坏零件。•一般用分磁环(一般为闭合的铜环，也称短路环)套在部分铁心上就可减小振动，它是利用通过环内和端面的磁通有相位角差，这两磁通产生的电磁吸力不同时为零，两吸力叠加形成的总吸力任何时刻都不为零。在衔铁闭合位置，如果总吸力的最小值大于作用在衔铁上的反作用力，则可以基本上消除电磁铁的振动和噪音。但吸力仍然是脉动的，故交流电磁铁一般均发出轻微的“嗡嗡”声，俗称“交流声”。对于三相交流电磁铁一般不需加分磁环。交流电磁铁的吸力计算及分析•对于交流并联电磁铁，其线圈可以看成感抗很大，内阻很小的电压源，则有式中f――电源频率(Hz)；W――线圈匝数；――磁通最大值(Wb)。整理得：说明交流电磁铁为恒磁链系统。交流电磁铁的吸力计算及分析•若将铁心磁阻忽略，而气隙磁导为Gδ，则对磁路有：将式(4－4)带入式(4－5)有：•该式说明交流电磁铁线圈中电流与气隙磁导成反比，即与工作气隙大小成正比，电磁铁在刚要吸合时电流很大，若因某种原因衔铁卡住，则线圈将被烧毁。电磁铁的吸力特性•吸力特性是指电磁铁的吸力与工作气隙的关系，即F＝ƒ（δ）。根据电磁铁的吸力计算公式分析：工作气隙δ小时，磁路磁阻小，衔铁上的电磁吸力F大；当工作气隙δ大时，衔铁上的电磁吸力F小。所以吸力特性近似于双曲线，如图4(a)所示。对于直流电磁铁来说，由于其为恒磁势系统，即IW基本不变，当工作气隙δ变化时，磁阻变化，磁通也变化，所以吸力也随着工作气隙变化，故其特性陡峭。对于交流电磁铁来说，由于其为恒磁链系统，其磁通有效值基本不变，所以吸力随工作气隙变化较小，故其特性相对平坦。电磁铁的吸力特性•图4－4电磁铁的吸力特性电磁铁的吸力特性•有时为了改变直流电磁铁的吸力特性，使其较平坦些，以减少闭合时机械冲击，在磁极端上加一极靴可使特性变得平坦，如图4－4(b)所示。当然个别情况下也希望吸力陡一些，以保证吸合时有较大的吸力，确保可靠吸合衔铁，如E形电磁铁。•吸力特性可以用计算方法得到，也可用实验方法得到。图4－4(a)是直流电磁铁(陡峭)和交流电磁铁(平坦)的吸力特性示意图。图4－4（b)是有极靴和无极靴电磁铁的吸力特性比较示意图。电磁铁的反力特性•反力特性是归算到工作气隙中心的所有反力Fｆ与工作气隙δ的关系，即：•Fｆ＝ƒ（δ）。•可能有的反力有：反力弹簧力(主要)、触头弹簧力、摩擦阻力、重力等。图4－5为直流接触器的反力特性示意图，斜线1为常开触头弹簧力，它只存在于动静触头刚接触到完全闭合的这个过程中。曲线2为反力弹簧力，它随工作气隙减少而增大，在触头由开断状态向闭合状态变化时，始终存在为一斜直线；曲线1和曲线2合成的结果，即为反力特性，这里没有考虑其它反力。电磁铁的反力特性•图5电磁铁的反力特性图6吸力特性与反力特性的配合电磁铁的吸力特性与反力特性的配合•对于一个电磁铁，如果吸力特性与反力特性配合不好，将影响其工作可靠性、寿命、参数等。对于不同性能的电磁铁，其配合有些差别，但总的要求是：吸合时，吸力大于反力，释放时，反力大于吸力(或等于)。图4－6为电磁铁的特性配合情况。•图中曲线1为反力特性，曲线2、3、4、5为吸力特性。曲线2和曲线1适合于快速动作的场合，但冲击较大，一般不用。曲线3和曲线1能保证衔铁的可靠吸合，曲线4和曲线1将不能保证衔铁可靠吸合。曲线5和曲线1将不能吸合。一般采用曲线3和曲线1的配合。•当特性配合不好时，可改变吸力特性：调整工作气隙、线圈电流、电压等；也可以改变反力特性：如反力弹簧等。电空传动装置•由电磁传动装置的吸力特性可知，电磁吸力随气隙的增加而下降，因此在需要长行程，大传动力的场合，用电磁传动装置就不适宜了。而电空传动装置却能将较大的力传递较远，而且电力机车上有现成的压缩空气气源。所以，在电力机车上还采用了许多电空传动的电器设备。此外，与电磁传动装置相比，采用电空传动时，有色金属的消耗及动作时的控制电源功率都可大为减少。•电空传动装置是一种以电磁阀(电空阀)控制的压缩空气作为动力，驱使触头按规定动作的执行机构。•它主要由电空阀和压缩空气驱动装置组成电空阀•电空阀是借电磁吸力来控制压缩空气管路的导通或关断，从而达到远距离控制气动器械的目的。•电空阀按工作原理分，有开式和闭式两种，但从结构来说都由电磁机构和气阀两部分组成，工作原理也类似。压缩空气驱动装置•压缩空气驱动装置有两种：•气缸式传动•薄膜式传动气缸传动装置图10气缸式传动装置（a）单活塞气缸传动装置1－气缸；2－活塞；3－活塞杆；4－弹簧；5－气缸盖；6－进气孔。（b）双活塞压缩空气驱动装置示意图1、2－气口；3－活塞；4－活塞杆；5－曲柄；6－转鼓；7－静触头；8－动触头。单活塞压缩空气驱动装置•其原理结构如图10(a)所示。•其工作原理是：当电空阀有电时，其控制的压缩空气进入传动气缸，推动活塞，压缩弹簧，使活塞杆右移，带动触头闭合。当电空阀失电时，其控制的气源被关断，在弹簧的作用下，推动活塞，带动活塞杆左移，使触头打开。•通常活塞由皮碗或耐油橡胶制成，活塞上涂有机油，以减少摩擦力并具有良好的密封性能。•该种传动方式的优点是工作行程可以选择，以满足开距和超程的要求。缺点是摩擦力较大，动作较慢。双活塞气缸传动装置•其原理结构如图10(b)所示。•其工作原理是：当气孔1开通气源，气孔2通向大气时，压缩空气驱动活塞右移。当气孔2开通气源，气孔1通向大气时，活塞则反向转动。•其特点是：所控制的行程受一定限制，且对被控制的触头不具有压力的传递，所以应用较少。薄膜传动装置•图11薄膜传动装置•1－气缸盖；2－弹性薄膜；3－活塞杆；4－复原弹簧；5－气缸座；6－衬套；7－杆头。薄膜传动装置原理结构图图12薄膜传动装置原理结构图1－阀体；2－活塞；3－活塞杆；4－开断弹簧；5－橡胶薄膜薄膜传动装置原理和特点•薄