电磁式、磁电式和感应式电工仪表工作机理

1、1.1、磁电系电工仪表（1）磁电系仪表的主要结构 磁电系电工仪表的测量机构是由固定的磁路系统和可动部分组成的，其结构如图（辽宁科学技术出版社出版的进网作业电工培训教材 P300 图 11-2（a） ）所示。仪表的磁路系统包 括永久磁铁 1，固定在磁铁两极的极掌 2 以及处于两个极掌之间的圆柱形铁芯 3。圆柱形铁 芯固定在仪表支架上， 用来减小磁阻， 并使极掌和铁芯间的空气隙中产生均匀的辐射形磁场。 处在这个磁场中的可动线圈 4 绕转轴偏转时， 两个有效边上的磁场也总是大小相等， 并且方 向是与线圈边相互垂直的。 可动线圈绕在铝框上。 转轴分成前后两部分， 每个半轴的一端固 定在动圈铝框上， 另

2、一端则通过轴尖支撑于轴承中。 在前半轴还装有指针， 当可动部分偏转 时，用来指示被测电量的大小。 反作用力矩可以由游丝、张丝或悬丝产生。当采用游丝时，还同时用它来导入和导出电流。 因此， 装设了两个游丝， 它们的螺旋方向相反， 如图辽宁科学技术出版社出版的 进网作业 电工培训教材P300图11-2 （b）所示。仪表的阻尼力矩则由铝框产生。 磁电系测量机构按其磁路形式的不同， 又分为外磁式、 内磁式和内外磁式三种， 如图辽宁科 学技术出版社出版的进网作业电工培训教材 P300 图 11-3 所示。外磁式结构，永久磁铁 在可动线圈的外部。 内磁式结构， 永久磁铁则在可动线圈的内部。为使气隙磁场均匀

3、， 在内 磁式仪表的磁铁外面， 要加装一个闭合的导磁环， 以减小漏磁。 内磁式结构紧凑， 受外磁场 的影响小， 所以近年来得到广泛的使用。 内外磁式结构则在可动线圈内外都用永久磁铁， 因 此磁场更强，仪表的结构尺寸可以做得更加紧凑。（2）磁电系仪表的工作原理 磁电系测量机构产生转动力矩的原理如图辽宁科学技术出版社出版的进网作业电工培训教材 P301 图 11-4 所示。当可动线圈通电时，流过线圈的电流和永久磁铁的磁场相互作用的 结果是产生电磁力， 从而形成转动力矩， 使可动部分发生偏转。 根据安培力定律和左手定则， 可以定出电磁力的大小和方向。设气隙的磁感应强度为B,线圈匝数为 N,每个有效边

4、（即能够产生电磁力的两个与磁场方向垂直的动圈边）有效长度为I，则当线圈通入电流 I时,每个有效边所受到的电磁力 F 的大小为F=NBII 在图示电流和磁场的方向下，此电磁力的方向和线圈平面垂直，并使线圈顺时针方向旋转。 对应的转动力矩M=2Fr=2NBI Ir式中r转轴中心到有效边的距离。由于线圈所包围的有效面积为S=2rI 因此可得M=NBSI考虑到均匀辐射形气隙磁场的特点，不管线圈转到什么位置，磁感应强度B值均不变。而对于已经做好的线圈，其匝数N和有效面积S也是不变的。因此，就转矩M的大小来说，它只随被测电流 I 的改变而成正比地变化。而转矩的方向则决定于流进线圈的电流方向。 线圈转动引起

5、游丝的变形而产生反作用力矩。 此力矩与变形的大小成正比， 因而也和偏转角 度a成正比，即反作用力矩Mf=D a式中 a 可动部分偏转角，亦即指针的偏转角；D游丝的反作用系数，其大小决定于游丝的材料性质和尺寸。随着偏转角a的增大，反作用力矩 Mf也将不断增大，直到反作用力矩 Mf和转动力矩M相 等时， 可动部分的力矩达到平衡。 此时， 可动部分将稳定在某一个平衡位置， 而指针有一个 稳定的偏转角。此偏转角的大小，可根据力矩平衡 Mf=M 的关系求得。即Da = NBSI所以a = ( NBSX I) /D对于已经做好的仪表，N、B、S、D都是常数，所以 NBS/D是一个常数，用 SI表示，则式a

6、=(NBSX I) /D 可写成a =SI XI式中 SI=a /I 称为磁电系测量机构的灵敏度。此式说明，可动部分的稳定偏转角a 和电流 I的大小成正比。 因此， 在仪表中就可以用偏转角来衡量被测电流的大小， 并通过指针在标度 尺上直接标示出电流的数值。1.2、电磁系仪表(1) 电磁系仪表的主要结构 电磁系仪表测量机构的结构形式有扁线圈吸引型和圆线圈排斥型两种。 扁线圈吸引型： 扁线圈吸引型测量机构的结构如图辽宁科学技术出版社出版的 进网作业电工培训教材P302图11-5所示，固定线圈1和偏心的装在转轴上的可动铁片2构成了一个电磁系统。转轴上还装有指针3，阻尼片 4 和游丝 5等。此类机构的

7、游丝中无电流通过，这一点与电磁系仪表不同。 阻尼片 4 和永久磁铁 6构成了磁感应阻尼器， 磁屏 7则用来屏蔽 永久磁铁的磁场对线圈磁场的影响。扁形线圈通电后， 产生磁场将偏心铁片吸入， 使可动部分发生偏转， 这种结构的得名正是由 此而来。 圆线圈排斥型：如图辽宁科学技术出版社出版的进网作业电工培训教材P302图11-6所示， 这种结构的固定部分由固定线圈 1 和固定在线圈里侧的定铁片 2 组成， 可动部分由固 定在转轴 3 上的可动铁片 4、游丝 5、指针 6和阻尼片 7组成。圆形线圈通电后， 两个铁片同时被线圈磁场磁化， 互相排斥而使可动铁片转动， 因而指针发 生偏转。所以，这种结构被称为

8、圆线圈排斥型。(2) 电磁系仪表工作原理在扁线圈吸引型结构中， 线圈通电后， 其磁场将使可动铁片磁化。铁片磁化后的极性， 即铁 片靠近线圈侧是 N极还是S极，完全由线圈中的电流方向所决定，如图辽宁科学技术出版 社出版的进网作业电工培训教材P303图11-7所示。由图可见，不管线圈电流是什么方向，铁片的极性都是使铁片和线圈互相吸引。 这是因为当线圈电流改变方向时， 铁片被磁化 后的极性也同时改变的缘故。 因此， 不管电流方向如何改变， 而铁片转动力矩的方向不会改 变。所以，这种测量机构不仅可以用来测量直流，也可以用来测量交流变量。 对圆线圈排斥型结构来说， 当电流通过时， 两个铁片顺同一磁场方向

9、同时被磁化， 因此在两 个铁片的同一侧有相同的极性，结果就产生了互相排斥的力，从而产生转动力矩推动可动铁片旋转。当线圈电流方向改变时，它所产生的磁场(B)的方向也跟着改变，因而仍然互相排斥， 可动铁片的受力方向和转动方向不变， 如图辽宁科学技术出版社出版的 进网作业 电工培训教材P303图11-8所示，可见，这种结构同样可以用于测量交流电路中。1.3 、感应式仪表(1 )感应式仪表的主要结构 感应式仪表主要组成元件有一个铝盘和一个或数个绕在铁心上的线圈，其它还有铝盘转轴，涡轮、 计数器和阻尼磁铁等， 如图石油大学出版社出版的 工程电气设备安装调试工 P55 图 1-72 所示。(2)感应式仪表的工作原理当外输交流电流通过缠绕在铁心上的线圈时， 在铁心的间隙中便产生出一个交变磁通， 铝盘在这个交变