第一节　电器的功能、分类和工作原理

一、电器的功能

电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力和其他物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。

电器的控制作用就是手动或自动地接通、断开电路，“通”称为“开”，“断”也称为“关”。因此，“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。

二、电器的分类

电器的功能多、用途广、品种多，常用的分类方法如下。

1.按工作电压等级分

（1）高压电器　用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上的电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。

（2）低压电器　用于交流50Hz（或60Hz）额定电压为1200V以下、直流额定电压为1500V及以下的电路中的电器，例如接触器、继电器等。

2.按动作原理分

（1）手动电器　人手操作发出动作指令的电器，例如刀开关、按钮等。

（2）自动电器　产生电磁力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等。

3.按用途分

（1）控制电器　用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机启动器等。

（2）配电电器　用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器等。

（3）主令电器　用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。

（4）保护电器　用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。

（5）执行电器　用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。

三、电磁式电器的基本原理

低压电器中大部分为电磁式电器，各类电磁式电器的工作原理基本相同，由检测部分（电磁机构）和执行部分（触头系统）两部分组成。

（一）电磁机构

1.电磁机构的结构形式

电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成，其结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍合式。图1-1和图1-2是直动式和拍合式电磁机构的常用结构形式。

吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，即产生磁通，衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使铁心吸合。通入直流电的线圈称直流线圈，通入交流电的线圈称交流线圈。

直流线圈通电，铁心不会发热，只有线圈发热，因此使线圈与铁心直接接触，易于散热。线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，以改善线圈自身散热。铁心和衔铁由软钢或工程纯铁制成。

对于交流线圈，除线圈发热外，由于铁心中有涡流和磁滞损耗，铁心也会发热。为了改善线圈和铁心的散热情况，在铁心与线圈之间留有散热间隙，而且把线圈做成有骨架的矮胖型。铁心用硅钢片叠成，以减少涡流。

另外，根据线圈在电路中的连接方式可分为串联线圈（即电流线圈）和并联线圈（即电压线圈）。串联（电流）线圈串接在线路中，流过的电流大，为减少对电路的影响，线圈的导线粗，匝数少，线圈的阻抗较小。并联（电压）线圈并联在线路上，为减少分流作用，需要较大的阻抗，因此线圈的导线细且匝数多。

2.电磁机构的工作原理

电磁铁工作时，线圈产生的磁通作用于衔铁，产生电磁吸力，并使衔铁产生机械位移，衔铁复位时复位弹簧将衔铁拉回原位。因此作用在衔铁上的力有两个：电磁吸力和反力。电磁吸力由电磁机构产生，反力由复位弹簧和触头等产生。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。

（1）吸力特性　电磁机构的电磁吸力F与气隙δ的关系曲线称为吸力特性。

电磁吸力可按下式求得

　　 （1-1）

式中，F为电磁吸力，N；B为气隙磁感应强度，T；S为磁极截面积，m² 。

当铁心截面积S为常数时，电磁吸力F与B²成正比，也可认为F与气隙磁通Φ²成正比。励磁电流的种类对吸力特性有很大影响。

对于具有电压线圈的交流电磁机构，设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，若电阻忽略不计，则

U≈E=4.44fΦN　　 （1-2）

　　 （1-3）

式中，U为线圈外加电压；E为线圈感应电动势；f为电压频率；Φ为气隙磁通；N为电磁线圈的匝数。

当电压频率f、电磁线圈的匝数N和线圈外加电压U为常数时，气隙磁通Φ也为常数，则电磁吸力也为常数，即F与气隙δ大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，电磁吸力F随气隙δ的减少略有增加。交流电磁机构的吸力特性如图1-3所示。由于交流电磁机构的气隙磁通Φ不变，IN随气隙磁阻（也即随气隙δ）的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙δ成正比变化。

对于具有电压线圈的直流电磁机构，其吸力特性与交流电磁机构有所不同。因外加电压U和线圈电阻不变，则流过线圈的电流I为常数，与磁路的气隙大小无关。根据磁路定律

　　 （1-4）

则　　　　 （1-5）

故其吸力特性为二次曲线形状，如图1-4所示。

在一些要求可靠性较高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构而采用直流电磁机构，这是因为一般U形铁心的交流电磁机构的励磁线圈通电而衔铁尚未吸合的瞬间，电流将达到衔铁吸合后额定电流的5～6倍；E形铁心电磁机构则达到额定电流的10～15倍。如果衔铁卡住不能吸合或者频繁操作时，交流励磁线圈则有可能被烧毁。

（2）反力特性　电磁系统的反作用力与气隙的关系曲线称为反力特性。反作用力包括弹簧力、衔铁自身重力、摩擦阻力等。图1-5中所示曲线3即为反力特性曲线。图中δ₁为起始位置，δ₂为动、静触头接触时的位置。在δ₁～δ₂区域内，反作用力随气隙减小而略有增大，到达位置δ₂时，动、静触头接触，这时触头上的初压力作用到衔铁上，反作用力骤增，曲线发生突变。在δ₂～0区域内，气隙越小，触头压得越紧，反作用力越大，其曲线比δ₁～δ₂段陡。

（3）反力特性与吸力特性的配合　为了保证使衔铁能牢牢吸合，反作用力特性必须与吸力特性配合好，如图1-5所示。在整个吸合过程中，吸力都必须大于反作用力，即吸力特性高于反力特性，但不能过大或过小，吸力过大时，动、静触头接触时以及衔铁与铁心接触时的冲击力也大，会使触头和衔铁发生弹跳，导致触头熔焊或烧毁，影响电器的机械寿命；吸力过小时，会使衔铁运动速度降低，难以满足高操作频率的要求。因此，吸力特性与反力特性必须配合得当，才有助于电器性能的改善。在实际应用中，可调整反力弹簧或触头初压力以改变反力特性，使之与吸力特性有良好配合。

3.交流电磁机构上短路环的作用

由于单相交流电磁机构上铁心的磁通是交变的，故当磁通过零时，电磁吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开，磁通过零后电磁吸力又增大，当吸力大于反力时，衔铁又被吸合。这样，交流电源频率的变化，使衔铁产生强烈振动和噪声，甚至使铁心松散。因此交流电磁机构铁心端面上都安装一个铜制的短路环。短路环包围铁心端面约2/3的面积，如图1-6所示。

当交变磁通穿过短路环所包围的截面积S₂在环中产生涡流时，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通Φ₂ 在相位上落后于短路环外铁心截面S₁中的磁通Φ₁ ，由Φ₁、Φ₂产生的电磁吸力为F₁、F₂ ，作用在衔铁上的合成电磁吸力是F₁+F₂，只要此合力始终大于其反力，衔铁就不会产生振动和噪声。

（二）触头系统

触头（触点）是电磁式电器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。

触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头：原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头（线圈断电后所有触头复原）。

触头按其结构形式可分为桥形触头和指形触头，如图1-7所示。

触头按其接触形式可分为点接触、线接触和面接触三种，如图1-8所示。

图1-8（a）为点接触，它由两个半球形触头或一个半球形与一个平面形触头构成，常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头或继电器触头。图1-8（b）为线接触，它的接触区域是一条直线，触头的通断过程是滚动式进行的。开始接通时，静、动触头在A点处接触，靠弹簧压力经B点滚动到C点，断开时做相反运动。这样可以自动清除触头表面的氧化物，触头长期正常工作的位置不是在易灼烧的A点，而是在工作点C点，保证了触头的良好接触。线接触多用于中容量的电器，如接触器的主触头。图1-8（c）为面接触，它允许通过较大的电流。这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减少触头接触电阻并提高耐磨性，多用于大容量接触器的主触头。

（三）灭弧工作原理

触点在通电状态下动、静触头脱离接触时，由于电场的存在，使触头表面的自由电子大量溢出而产生电弧。电弧的存在既烧损触头金属表面，降低电器的寿命，又延长了电路的分断时间，所以必须迅速消除。

1.常用的灭弧方法

（1）迅速增大电弧长度　电弧长度增加，使触点间隙增加，电场强度降低，同时又使散热面积增大，降低电弧温度，使自由电子和空穴复合的运动加强，因而电荷容易熄灭。

（2）冷却　使电弧与冷却介质接触，带走电弧热量，也可使复合运动得以加强，从而使电弧熄灭。

2.常用的灭弧装置

（1）电动力吹弧　电动力吹弧如图1-9所示。双断点桥式触头在分断时具有电动力吹弧功能，不用任何附加装置，便可使电弧迅速熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器中。

（2）磁吹灭弧　在触点电路中串入吹弧线圈，如图1-10所示。该线圈产生的磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向由右手定则确定（为图中×所示）。触点间的电弧所产生的磁场，其方向为☉所示。这两个磁场在电弧下方方向相同（叠加），在弧柱上方方向相反（相减），所以弧柱下方的磁场强于上方的磁场。在下方磁场作用下，电弧受力的方向为F所指的方向，在F的作用下，电弧被吹离触点，经引弧角引进灭弧罩，使电弧熄灭。

（3）栅片灭弧　灭弧栅是一组镀铜薄钢片，它们彼此间相互绝缘，如图1-11所示。电弧进入栅片被分割成一段段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极。每两片灭弧片之间都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，以致外加电压无法维持，电弧迅速熄灭。此外，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。基于上述原因，电弧进入栅片后就会很快熄灭。由于栅片灭弧装置的灭弧效果在交流时要比直流时强得多，因此在交流电器中常采用栅片灭弧。