2.1 磁电系测量机构（课件）-《电气测量技术》同步精品课堂（高教版）

《电气测量技术》（第4版）高等教育出版社 同步精品课程——中职专业课 项目2 磁电系仪表 磁电系测量机构（第1课时） 知识目标 1.深入理解磁电系测量机构的结构组成，包括永久磁铁、可动线圈、游丝、指针、转轴等各部件的形态、位置关系及其在测量过程中的协同作用原理。 2.精准掌握磁电系测量机构的工作原理，能够运用安培力原理详细阐述可动线圈在磁场中受力转动的过程，明确电流、磁场、线圈匝数等因素与指针偏转角度之间的定量关系。 能力目标 1.具备准确识别磁电系测量机构各组成部件的能力，能够根据实物或示意图快速、准确地指出各部件名称与位置，并能详细阐述其功能。 2.能够熟练运用磁电系测量机构的工作原理进行简单的测量分析与计算。 情感目标 1.通过对磁电系测量机构精细结构和巧妙工作原理的深入学习，激发对电气测量领域的浓厚兴趣与好奇心，培养其主动探索科学知识的精神。 2.在小组合作讨论磁电系测量机构的应用案例、故障分析及实验方案设计等活动中，增强团队协作意识与沟通交流能力。 学习目标 项目2 磁电系仪表 导入情景 01 简单的电路演示板 新知学习 02 一、结构和工作原理 1.结构 通常的磁电系测量机构由固定的磁路系统和可动线圈部分组成,其结构如图 2-1所示。 新知学习 02 一、结构和工作原理 磁路系统由永久磁铁、固定在磁铁两极的极掌和处于两个极掌之间的圆柱形铁心组成。圆柱形铁心固定在仪表支架上，使两个极掌与圆柱形铁心之间的空隙中形成均匀的辐射状磁场。 可动部分由绕在铝框架上的可动线圈、指针、平衡锤和游丝组成。可动线圈两端装有两个半轴支承在轴承上,而指针平衡锤及游丝的一端固定安装在半轴上。当可动部分发生转动时,游丝变形产生与转动方向相反的反作用力矩。另外,游丝还具有把电流导人可动线圈的作用。 新知学习 02 一、结构和工作原理 磁电系测量机构根据其磁路系统的结构形式不同,分为外磁式、内磁式和内外磁式三种，如图 2-2 所示。 外磁式的永久磁铁在可动线圈的外部。 内磁式的永久磁铁则在可动线圈的内部。为使气隙中磁场均匀和减小漏磁,在内磁式的永久磁铁外面要加装一个闭合的导磁环。由于内磁式结构紧凑、受外磁场影响较小,所以近年来得到广泛应用。 内外磁式在可动线圈的内部和外部都用永久磁铁,因此气隙磁场更强，仪表的灵敏度更高，结构更紧漆受外磁场的影响更小。 新知学习 02 一、结构和工作原理 2.工作原理 磁电系测量机构的基本原理是利用可动线圈中的电流与气隙中磁场的相互作用产生电磁力,使可动线圈在力矩的作用下发生偏转,因此称这个力矩为转动力矩。可动线圈的转动使游丝产生反作用力矩,当反作用力矩与转动力矩相等时,可动线圈将停留在某一位置上，指针也相应停留在某一位置上。磁电系测量机构产生转动力矩的原理如图 2-3 所示。 新知学习 02 一、结构和工作原理 转动力矩的大小和方向,可以由安培定理和左手定则确定。设气隙磁场的磁感应强度为 B,可动线圈的匝数为 N,每一个有效边(能够垂直切割磁感线,产生电磁力的两个边)的有效长度为l。则当线圈中通以电流I时,每一个有效边所受到的电磁力 电流和磁场方向如图 2-3 所示,此时电磁力的方向与线圈平面垂直,使线圈沿顺时针方向转动,其转动力矩 M为 新知学习 02 一、结构和工作原理 由于线圈平面的有效面积 故有 由于气隙磁场是均匀辐射状的,不管线圈转动到什么位置,磁感应强度 B 均不变;对于已做好的线圈，其匝数 N 和有效面积A 是不变的。因此,转动力矩的大小与被测电流成正比,其方向决定于电流流进线圈的方向。 新知学习 02 一、结构和工作原理 线圈的偏转将使游丝产生反作用力矩。反作用力矩Mf的大小与游丝形变大小成正比,即与偏转角 α成正比 式中,D一游丝的反作用力矩系数(其大小由游丝的材料性质、形状和尺寸决定)。 新知学习 02 一、结构和工作原理 当反作用力矩增大到与转动力矩相等时,可动部分达到平衡,此时可动部分将停止在某一平衡位置,指针也就停止在某一偏转角上。根据物体平衡条件 Mf=M 可得 反作用力矩的方向与转动力矩的方向相反，随着偏转角的增大,反作用力矩也将增大;而转动力矩在被测电流不变时是不变的。 新知学习 02 一、结构和工作原理 所以 由此可见,指针偏转角α正比于被测电流 I 的大小。只要把偏转角均地刻度在仪表的标度尺上,就可以根据指针在标度尺上停止的位置，直接读出被测电流的数值。根据指示仪表灵敏度的定义,磁电系测量机构的灵敏度 即对已制成的磁电系仪表来说,其灵敏度是一个常数,因为 BNA 和D 这四个量取决于仪表的结构和材料性质,它们都是常数。此外,由式(2 - 4) 说明,要提高磁电系仪表的灵敏度，必须从结构上和材料上改善其性能,特别是提高气隙磁场的磁感应强度。 新知学习 02 一、结构和工作原理 当可动线圈转动时，闭合的铝框架切割气隙磁场的磁感线而产生感应电流，这个电流与气隙磁场相互作用,产生一个与可动部分转动方向相反的电磁力矩,这个力矩称为阻尼力矩,如图 2- 4 所示。 当可动线圈静止下来后，铝框架不再切割磁感线，感应电流为零,阻尼力矩也就为零。 由此可见,阻尼力矩是在可动部分转动时产生，对可动部分在平衡位置附近的摆动起到抑制作用,使可动部分尽快在平衡位置静止下来。而一旦可动部分静止下来以后阻尼力矩消失,不影响可动部分的力矩平衡条件,对测量结果没有影响。阻尼力矩对仪表可动部分起到保护作用,可以防止各种原因引起的可动部分的快速摆动,以免损坏轴承及指针等。 新知学习 02 二、技术特性和应用范围 1.技术特性 （1） 准确度高。磁电系测量机构由于采用了永久磁铁，且工作气隙比较小，所以气隙场的磁感应强度 B 较大,可以在很小的电流作用下,产生较大的转动力矩。因此,可以减由于摩擦、外磁场等原因引起的误差,提高了仪表的准确度。磁电系测量机构的准确度可以达到 0.1~0.05 级。 （2）灵敏度高。仪表消耗的功率很小。磁电系测量机构的灵敏度可以达到 1 A/div采用悬丝或张丝结构的光点式磁电系检流计的灵敏度可以高达 A/div。 （3） 表盘标度尺的刻度均匀,便于读数。 新知学习 02 二、技术特性和应用范围 (4) 过载能力小。由于被测电流通过游丝(或悬丝、张丝)导入可动线圈,如果电流大,容易引起游丝发热使弹性发生变化,产生不允许的误差,甚至可能因过热而烧毁游丝，另外.可动线圈的导线横截面很小,电流过大也会使线圈发热甚至烧毁。 (5) 只能测量直流。这是因为永久磁铁产生的磁场方向恒定不变，所以只有通入直流电流才能产生恒定的偏转。如果在磁电系测量机构中直接通入交流电流，则所产生的转动力矩也是交变的,可动部分由于惯性作用而来不及转动,指针只能在零位左右摆动,得不到正确读数。 新知学习 02 二、技术特性和应用范围 2.应用范围 磁电系测量机构主要用于直流仪表,在直流标准表、便携式和安装式仪表中都得到广泛应用。磁电系测量机构的过渡电量是直流电流，只要把被测电量通过测量线路按一定关系变换为直流电流,就可以用它来构成不同功能、不同量程的仪表。如万用表的交流电压挡,就是利用二极管整流电路,把交流电压变换为直流电流对交流电压进行测量的。 另外,磁电系测量机构配上变换器,可以用于交流功率或频率、相位等非电量的测量;配上温差电偶,可以测量温度:配上应变电阻片,可以测量压力等。正因为磁电系测量机构的应用十分广泛，所以它在电工仪表中占有十分重要的地位。 小试牛刀 题目 1： 磁电系测量机构的温度误差主要是由于（ ）引起的。 A. 永久磁铁磁场强度变化 B. 可动线圈电阻变化 C. 游丝弹性系数变化 D. 以上都是 答案：D 解析：温度变化时，永久磁铁的磁性会受影响导致磁场强度改变，可动线圈电阻会随温度变化，游丝的弹性系数也会改变，这些都会使测量机构产生温度误差，影响测量准确性。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 2： 磁电系测量机构与电磁系测量机构相比，在（ ）方面具有优势。 A. 交直流两用性 B. 过载能力 C. 准确度 D. 量程范围 答案：C 解析：磁电系测量机构准确度较高，而电磁系测量机构可交直流两用且过载能力相对较强，在量程范围方面两者各有特点，所以磁电系在准确度方面相比电磁系有优势。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 3： 磁电系测量机构的功率消耗（ ） A. 较大 B. 较小 C. 与整流系测量机构相同 D. 与静电系测量机构相同 答案：B 解析：磁电系测量机构本身由于可动线圈电阻等因素，功率消耗相对较小，相比一些其他类型测量机构在能耗方面有一定优势。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 4： 磁电系电压表是通过（ ）来扩大量程的。 A. 串联电阻 B. 并联电阻 C. 改变可动线圈匝数 D. 改变永久磁铁磁场强度 答案：A 解析：根据串联电阻分压原理，在磁电系测量机构基础上串联电阻，可以分担大部分电压，使可动线圈两端电压在合适范围内，从而扩大量程，并联电阻是用于扩大量程的电流表的方法，改变可动线圈匝数和磁场强度较难实现且不利于量程的灵活改变。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 5： 磁电系测量机构的刻度特性是（ ） A. 均匀刻度 B. 不均匀刻度，前密后疏 C. 不均匀刻度，前疏后密 D. 无规律刻度 答案：A 解析：由于磁电系测量机构中，指针的偏转角度与通过可动线圈的电流成正比，所以其刻度是均匀的，便于读数和测量。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 6： 磁电系测量机构中，磁场的方向与可动线圈平面的关系是（ ） A. 平行 B. 垂直 C. 成 45 度角 D. 任意角度 答案：B 解析：为了使可动线圈在磁场中受到最大的安培力，磁场方向与可动线圈平面垂直，这样根据安培力公式 F = BIL，力的作用效果最明显，可动线圈才能有效转动。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 7： 磁电系测量机构中，可动线圈的作用是（ ） A. 产生磁场 B. 在磁场中受力转动 C. 提供反作用力矩 D. 连接被测电路 答案：B 解析：可动线圈处于永久磁铁产生的磁场中，当有电流通过时，根据左手定则，会受到电磁力的作用而转动，从而带动指针偏转，所以其作用是在磁场中受力转动。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 8： 磁电系测量机构适用于测量（ ） A. 直流电流和电压 B. 交流电流和电压 C. 交直流电流和电压 D. 电阻 答案：A 解析：磁电系测量机构的可动线圈只能在直流电流作用下产生稳定的偏转，对于交流电流，由于电流方向不断变化，可动线圈受到的力方向也不断变化，无法稳定指示，所以适用于测量直流电流和电压。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 9： 简述磁电系测量机构的结构组成及其各部分的作用。 答案： 磁电系测量机构主要由永久磁铁、可动线圈、游丝、指针和转轴等部分组成。 永久磁铁：产生稳定的磁场，为可动线圈的转动提供磁场环境。 可动线圈：当有电流通过时，在磁场中受到安培力的作用而发生转动，其转动角度与电流大小相关，是实现测量的关键部件。 游丝：一方面产生反作用力矩，当可动线圈转动时，游丝发生形变产生的反作用力矩与可动线圈受到的电磁力矩平衡，使指针能稳定指示；另一方面起到引导电流进入和流出可动线圈的作用。 指针：连接在可动线圈上，随可动线圈的转动而偏转，用于指示测量的数值。 转轴：支撑可动线圈，使其能够在磁场中灵活转动。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 10： 说明磁电系测量机构的工作原理，并解释为什么其刻度是均匀的。 答案： 工作原理：磁电系测量机构基于安培力原理工作。当被测直流电流通入可动线圈时，可动线圈处于永久磁铁产生的磁场中，根据左手定则，可动线圈的两边会受到大小相等、方向相反的安培力，从而使可动线圈发生转动。 刻度均匀的原因：可动线圈所受安培力 F = BIL（其中 B 为磁场强度，I 为电流，L 为线圈有效边长），在磁场强度 B 和线圈有效边长 L 固定的情况下，安培力 F 与电流 I 成正比。而指针的偏转角度与安培力成正比，所以指针的偏转角度与电流成正比，这就使得磁电系测量机构的刻度是均匀的。 尝试解答下面习题 课堂小结 03 1.磁电系测量机构主要由永久磁铁、可动线圈、游丝、指针和转轴等关键部分构成。 2.工作原理：基于安培力原理，当直流电流通过可动线圈时，在永久磁铁产生的磁场作用下，可动线圈的两边会受到方向相反、大小相等的安培力，从而产生转动效应。根据左手定则可以清晰地确定力的方向，而这种力的大小与电流强度密切相关，在磁场强度和线圈参数固定的情况下，可动线圈所受安培力与电流成正比关系。正是由于这种比例关系，使得指针的偏转角度能够精准地反映电流大小，实现了电量测量的功能转化。 3.技术特性：准确度高、灵敏度较高、刻度均匀、功率消耗小、阻尼力矩由电磁感应产生 4.磁电系测量机构凭借其高准确度、刻度均匀等显著优点，在直流精密测量领域占据着重要地位。它广泛应用于各种需要精确测量直流电压、电流的场合。 作业布置 04 简述磁电系测量机构的结构组成及各部分作用。 说明磁电系测量机构的工作原理，并解释为什么不能直接用于测量交流电量。 分析磁电系测量机构在应用中的优缺点。 感谢观看 $$