第一篇 執(zhí)行元件

第一篇執(zhí)行元件第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第一篇執(zhí)行元件第一章電磁鐵和電磁繼電器1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特征1.2電磁繼電器和接觸器1.3新型繼電器舉例上一頁

下一頁第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章電磁鐵和電磁繼電器電磁鐵和電磁繼電器都是利用電磁力（或力矩)把電能（或電信號)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（或位移信號)的電磁元件。由工作原理可知，電磁鐵主要由勵磁線圈、靜止鐵心、銜鐵（動鐵心)和返回彈簧等組成。按照產(chǎn)生電磁吸力的原理，電磁鐵可分為三大類，如圖1.0.2所示，即拍合式、吸入式和旋轉(zhuǎn)式。電磁繼電器、接觸器的工作原理與電磁鐵相同，只是結(jié)構(gòu)上增加了觸頭（或觸點(diǎn))系統(tǒng)。按勵磁電流的不同，電磁鐵可分為直流和交流電磁鐵兩大類。

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返回第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.0.2電磁鐵的分類（a）拍合式；（b）吸入式；（c）旋轉(zhuǎn)式1-動鐵心；2-線圈；3-靜鐵心；4-導(dǎo)磁外殼；5-旋轉(zhuǎn)銜鐵返回第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性電磁鐵是靠電磁吸力（或力矩)做功的。電磁鐵作為能量轉(zhuǎn)換裝置，通過磁場作媒介，把輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此討論電磁鐵的吸力和吸力特性，先要分析電磁鐵中的能量關(guān)系。1.1.1電磁鐵中的能量轉(zhuǎn)換

圖1.1.1所示的直流拍合式電磁鐵中，假設(shè)電壓U、電流i、電勢e和磁通Φ為相關(guān)方向。銜鐵位移以靜鐵心端面為坐標(biāo)原點(diǎn)，向上為正。為討論方便做如下假設(shè)：（1)認(rèn)為鐵心不飽和（鐵心導(dǎo)磁系數(shù)μFe為常數(shù))；（2)忽略漏磁影響；（3)當(dāng)工作氣隙δ1變化時(shí)，鐵心飽和程度不變；

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下一頁第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.1直流電磁鐵原理圖返回第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性（4)銜鐵與靜止鐵心之間的氣隙為δ1，并保持δ1不變，即銜鐵不動。當(dāng)開關(guān)K合上瞬間，由于線圈存在自感，電流不能馬上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)電路的基爾霍夫第二定律，此時(shí)電路平衡方程式為e=iR-UU=-e+iR=(1.1.1)式中，R——線圈回路總電阻；e——線圈的自感電勢；Ψ——線圈的磁鏈，Ψ=NΦ；N——線圈匝數(shù)。對直流電磁鐵，當(dāng)電流達(dá)到穩(wěn)定后,

=0,自感電勢為零，I=上一頁

下一頁第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性將式（1.1.1)兩邊乘以idt，并積分得

=+(1.1.2)式中，

——從0到t1時(shí)間內(nèi)電源提供的能量；——從0到t1時(shí)間內(nèi)電阻消耗的能量；——從0到t1時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為磁場的能量。上一頁

下一頁第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特

轉(zhuǎn)換為磁場的能量一部分儲存在鐵心內(nèi)，另一部分儲存在氣隙內(nèi)。這可用圖解法求出。如圖1.1.2所示的磁系統(tǒng)的總磁勢Fm=IN。當(dāng)氣隙為δ1時(shí)，氣隙磁導(dǎo)線AB1的斜率tanα1=，它與該系統(tǒng)磁化曲線OB1的交點(diǎn)B1即為此時(shí)該磁系統(tǒng)的工作點(diǎn)。此時(shí)鐵心內(nèi)磁壓降如圖中OC1，氣隙內(nèi)磁壓降為C1A。Fm=IN=+。該磁系統(tǒng)由t=0到t1時(shí)刻，主磁通由0到Φδ1，轉(zhuǎn)換為磁場內(nèi)儲存的總磁能上一頁

下一頁第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.2線性磁系統(tǒng)的磁場能量返回第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性====上一頁

下一頁第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.2電磁鐵的靜吸力特征電磁鐵的靜吸力特性是指銜鐵處在不同位置并且靜止時(shí)，保持線圈電流（磁勢)不變的情況下，作用在銜鐵上的電磁吸力Fd（或電磁力矩Md)和工作氣隙δ的關(guān)系，即Fd=f（δ)或Md=f（α)。

設(shè)時(shí)間從t1→t2時(shí)，銜鐵在電磁力作用下做機(jī)械運(yùn)動，電磁力方向指向靜鐵心端面，那么氣隙δ1下降到δ2，此時(shí)氣隙磁阻為δ2/(μ0A)，A為氣隙截面積，相應(yīng)氣隙磁導(dǎo)線斜率tanα2=μ0A/δ2，大于tanα1=μ0A/δ1，如圖1.1.3所示。前面已求出當(dāng)氣隙為δ1時(shí)磁場儲存的能量

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下一頁第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.3圖解法求線性磁系統(tǒng)的電磁吸力返回第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

=

當(dāng)氣隙為δ2時(shí)磁場儲存的能量為=電磁鐵線圈始終接在電源上，時(shí)間從t1→t2，δ1下降到δ2時(shí)，該磁系統(tǒng)又從電源吸收了一部分能量，并轉(zhuǎn)換為磁場能量，所增加的磁場能量由可求出，以Wm表示。

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下一頁第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

Wm==由能量守恒定律，磁系統(tǒng)原來儲存的能量，又從電源吸收的能量Wm和現(xiàn)在磁系統(tǒng)所儲存的能量及電磁力作用下銜鐵從δ1移動到δ2所做的機(jī)械功ΔW平衡。機(jī)械功ΔW=Fdp(δ2－δ1)=－FdpΔδ。用式表達(dá)為ΔW=+Wm-=--=-上一頁

下一頁第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性當(dāng)Δδ很小時(shí)，很小，可以忽略，由此

-=-（1.1.3）式中，為氣隙磁導(dǎo)，=，負(fù)號表示電磁作用方向始終指向氣隙減小方向。對銜鐵作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電磁鐵，用完全相同的方法可推出作用在銜鐵上的電磁力矩為

=（1.1.5）上一頁

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當(dāng)磁通Φδ單位為Wb，磁壓降Uδ單位為A，氣隙磁阻Rδ單位為H-1，氣隙長度單位為m時(shí)，電磁力Fdp單位為N，電磁力矩Md單位為N·m。1.1.3圖同結(jié)構(gòu)電磁鐵的靜吸力特征一、拍合式電磁鐵

它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣隙不大，氣隙內(nèi)磁場分布均勻，當(dāng)鐵心不飽和時(shí)

，=IN,則=二、吸入式電磁鐵上一頁

下一頁第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性在吸入式電磁鐵中，除了工作氣隙中會產(chǎn)生電磁力外，在螺管式勵磁線圈與銜鐵側(cè)面氣隙中，由于銜鐵運(yùn)動時(shí)漏磁通將發(fā)生變化，也會產(chǎn)生吸力，稱為螺管力，如圖1.1.5所示。當(dāng)不考慮導(dǎo)磁體的磁阻和非工作氣隙的影響時(shí)，吸入式電磁鐵銜鐵所受的電磁力為

=--（1.1.7）由式（1.1.7)可知，吸入式電磁鐵中，作用在銜鐵上的電磁力是兩部分力的合成。

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旋轉(zhuǎn)式電磁鐵轉(zhuǎn)動時(shí)，通常漏磁變化不大，因此可用式（1.1.5)來計(jì)算電磁力矩。與拍合式電磁鐵不同的是其銜鐵的運(yùn)動方向垂直于磁力線方向。電磁力矩的方向總是力圖使銜鐵運(yùn)動到整個(gè)磁路磁阻最小的位置，如圖1.0.2（c)所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵中，電磁力矩的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。當(dāng)銜鐵轉(zhuǎn)動時(shí)，氣隙δ的大小并不改變，但氣隙截面積Aδ隨轉(zhuǎn)角α而變化。如不考慮漏磁，則氣隙磁導(dǎo)可由下式計(jì)算==上一頁

下一頁第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性銜鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，左、右兩個(gè)氣隙的極面下磁導(dǎo)都發(fā)生變化，都有力矩產(chǎn)生，因此電磁轉(zhuǎn)矩為=-（1.1.8）例1一個(gè)電磁鐵如圖1.1.8所示，銜鐵R和中心鐵柱的截面積都為A，氣隙長度為δ，勵磁線圈匝數(shù)為N。當(dāng)接在直流電源上時(shí)，電流為I，假設(shè)鐵心磁導(dǎo)率μFe=∞，不計(jì)氣隙的邊緣效應(yīng)和漏磁，忽略銜鐵與固定鐵心滑動面之間的氣隙，求作用在銜鐵上的電磁力Fdp。

上一頁下一頁第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.8例1題圖返回第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性

由已知條件可知該磁路是線性的，鐵心磁壓降可忽略不計(jì)，則Uδ=IN。氣隙磁導(dǎo)為=1.1.4交流嗲磁鐵的吸力電磁鐵的勵磁繞組由交流電源供電的，稱為交流電磁鐵。一般情況下，如果電源電壓是正弦的交流電壓，則磁通也是時(shí)間的正弦函數(shù)。任一瞬時(shí)的電磁吸力fd取決于該瞬時(shí)的磁通值，因此其電磁吸力也將是周期性地變化的。

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下一頁設(shè)工作氣隙中的磁通為=，為磁通的最大值。當(dāng)電磁鐵磁路不飽和，并忽略漏磁影響時(shí)，對拍合式交流電磁鐵的電磁力可按下式計(jì)算=

將代入得==-（1.1.9）式中，F(xiàn)dm——最大電磁吸力。電磁吸力fd(t)與時(shí)間關(guān)系如圖1.1.9所示。由式（1.1.9)可知，交流電磁吸力包括兩個(gè)分量，即=

第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.9拍合式交流電磁鐵磁通與電磁力返回第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性例2圖1.1.8所示的電磁鐵，其他條件均不改變。當(dāng)勵磁線圈接在交流電源上，感應(yīng)電勢為e=Esinωt時(shí)，如忽略線圈電阻和漏磁通，求作用在銜鐵上的電磁力。解：由題意，此時(shí)氣隙磁通為=-=

則電磁力為=·平均電磁力為=這里上一頁

下一頁第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性1.1.5電磁鐵的特性參數(shù)與應(yīng)用一、電磁鐵的特性參數(shù)通常以下列特性參數(shù)來表示電磁鐵的工作性能：(1)吸力特性指電磁鐵在一定的勵磁磁勢下銜鐵的吸力（力矩)與銜鐵行程（轉(zhuǎn)角)間的關(guān)系。特別是銜鐵的行程和銜鐵在初始位置時(shí)的吸力值，是使用者在選用電磁鐵時(shí)要注意的兩個(gè)重要參數(shù)。(2)額定工作電壓指電磁鐵可靠工作時(shí)繞組線圈所加的電壓（V)。(3)電磁鐵的吸合電壓Uxh（或吸合電流Ixh)它是能使銜鐵從初始位置運(yùn)動到完全吸合位置的線圈最小電壓（或電流)值。在此電壓（或電流)作用下，電磁鐵吸力特性處處都應(yīng)大于（或等于)銜鐵對應(yīng)位置的反作用力（或力矩)。上一頁

下一頁第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性(4)電磁鐵的釋放電壓Usf（或電流Isf)它是指能使銜鐵從吸合位置返回初始位置的線圈最大電壓（或電流)值。此時(shí)對應(yīng)的電磁吸力（力矩)都應(yīng)等于或小于作用在銜鐵上的反作用力（力矩)。(5)貯備系數(shù)Kcb=

(6)返回系數(shù)Kfh=(7)吸合時(shí)間txh電磁鐵線圈接通額定電壓的瞬間到銜鐵運(yùn)動到完全吸合所需要的時(shí)間。(8)釋放時(shí)間tsf電磁鐵線圈斷開電源瞬間到銜鐵回復(fù)到初始位置所需要的時(shí)間。

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下一頁第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性二、電磁鐵的應(yīng)用電磁鐵結(jié)構(gòu)簡單，動作速度快，維護(hù)方便，能產(chǎn)生較大的吸力，因而是自動控制中重要的電磁元件之一。它不僅可以作為獨(dú)立的元件直接應(yīng)用，而且還是眾多電磁元件的主體部件之一，應(yīng)用十分廣泛，下面僅舉幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。1.電磁冷氣閥電磁冷氣閥在國防和民用工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)如圖1.1.11所示。2.雙繞組操縱電磁鐵這種電磁鐵實(shí)際上可看作是組合在一起的兩個(gè)電磁鐵，如圖1.1.12所上一頁

下一頁第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電磁鐵的靜吸力和靜吸力特性示。當(dāng)線圈1、2均沒通電時(shí)，銜鐵處于中間位置（零位)。當(dāng)線圈1通電時(shí)，銜鐵在電磁力作用下將向左移動。而當(dāng)線圈1不通電，線圈2通電時(shí)，銜鐵又將向右移動，因此它是一種雙向運(yùn)動的電磁鐵。3.電磁離合器電磁離合器的結(jié)構(gòu)如圖1.1.13所示。圖中虛線表示由線圈電流產(chǎn)生的磁通。電磁鐵的銜鐵通過花鍵與從動軸聯(lián)結(jié)。4.微動同步力矩器

圖1.1.14所示的旋轉(zhuǎn)式電磁鐵在航空陀螺儀表中又稱微動同步力矩器。圖中轉(zhuǎn)子軸為彈性扭力軸。

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返回第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.11電磁冷氣閥1、2—活門；3—銜鐵；4—鐵心；5—線圈；6—彈簧返回第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.12雙繞組操縱電磁鐵1、2—繞組；3—銜鐵；4—臺座返回第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.13電磁離合器（a）工作原理圖；（b）結(jié)構(gòu)圖1—主動軸；2—從動軸；3—銜鐵；4—線圈；5—導(dǎo)磁體；6—安裝法蘭盤返回第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1.14微動同步力矩器返回第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電磁繼電器和接觸器1.2.1結(jié)構(gòu)和工作原理電磁繼電器是一種具有跳躍輸出特性的用于傳輸信號的電磁器件。它的基本組成是在電磁鐵基礎(chǔ)上加上觸點(diǎn)系統(tǒng)而構(gòu)成。圖1.2.1是其原理結(jié)構(gòu)圖和符號圖。1.2.2靜吸力特征和范例特征配合繼電器（或接觸器)能否可靠地工作，取決于靜吸力特性與反作用力特性恰當(dāng)?shù)嘏浜?，即要使銜鐵順利地動作，使常開觸點(diǎn)可靠地閉合（或常閉觸點(diǎn)打開)，也就必須使吸力特性在繼電器動作過程中，在任何氣隙位置上，吸力始終大于反作用力，用數(shù)學(xué)式表達(dá)為FD>FF

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返回第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.2.1直流電磁繼電器（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）符號圖返回第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電磁繼電器和接觸器所謂反力特性是指銜鐵沿電磁力方向運(yùn)動時(shí)所要克服的阻力Ff和工作氣隙的關(guān)系，即Ff=f(δ)。在圖1.2.7中同時(shí)畫出了該繼電器在不同線圈磁勢時(shí)的靜吸力特性Fd=f(δ)。圖中(IN)cd稱為觸動磁勢，對應(yīng)的勵磁電壓、勵磁電流稱為觸動電壓Ucd和觸動電流Icd。為了保證繼電器可靠地工作，吸合時(shí)，電磁吸力必須始終大于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性上面；釋放時(shí)，電磁吸力必須始終小于反力，即靜吸力特性曲線必須在反力特性下面。1.2.3繼電器的觸點(diǎn)與火化繼電器的觸點(diǎn)系統(tǒng)是由導(dǎo)電性好、耐腐蝕、耐磨擦的貴金屬如銀、鉑、金及其合金材料制成的觸點(diǎn)組成。

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下一頁第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.2.7靜吸力特性及反作用力特性的配合返回第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電磁繼電器和接觸器為了消除觸點(diǎn)間的火花，往往可以采用一些滅火花電路。滅火花電路的基本原理是提供一個(gè)放電回路，將輸出回路中電感負(fù)載所儲存的能量以其他能量形式消耗掉。除了采用滅火花電路以外，在一些可靠性要求較高的場合，如航空航天、礦井等，還廣泛采用密封繼電器（或接觸器)。這時(shí)整個(gè)繼電器用金屬外罩完全密封起來，罩內(nèi)還可充以惰性氣體，這就保證了觸點(diǎn)有一個(gè)不受外界環(huán)境影響的、潔凈的工作條件，提高了可靠性。1.2.4繼電器的主要技術(shù)指標(biāo)（1)靈敏度指繼電器在規(guī)定負(fù)載條件下的最小吸合功率，單位為W或mW。上一頁

下一頁第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電磁繼電器和接觸器(2)觸點(diǎn)負(fù)荷指繼電器觸點(diǎn)所承受的開路電壓和閉路電流值。(3)動作時(shí)間包含吸合時(shí)間txh和釋放時(shí)間tsf。吸合時(shí)間是指繼電器勵磁線圈加額定電壓后，從通電瞬間到常開（閉)觸點(diǎn)閉合（打開)所需的時(shí)間。釋放時(shí)間是指線圈從斷電瞬間到常開（閉)觸點(diǎn)斷開（閉合)所需的時(shí)間。單位為s或ms。(4)返回系數(shù)Kfh定義==為繼電器的返回系數(shù)，總是小于1。(5)儲備系數(shù)=。一般大于1.5。上一頁

返回第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3新型繼電器舉例一、舌簧繼電器舌簧繼電器的結(jié)構(gòu)簡單，由線圈和舌簧管組成，如圖1.3.1所示。舌簧管是用燒結(jié)的方法將舌簧片封結(jié)在玻璃管內(nèi)而成。舌簧繼電器具有下列特點(diǎn)：（1)舌簧管結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，價(jià)格便宜；（2)觸點(diǎn)單獨(dú)密封在充有惰性氣體的玻璃管中，為觸點(diǎn)工作可靠性的