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电能表与感应电机的磁极结构有哪些不同

什么是电能表？
单项电能表的内部主要结构是怎样构成的？
电能表与感应电机的磁极结构有哪些不同？

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张红

2021-8-2 10:16:43
对于用电量计量工具使用电能表，也称为电度表。早期的电能表使用机械感应线原理，由于它本身功耗、精度以及不易联网，现在逐步被电子电路表取代。
下面的电能表就是单位中替换下的机械单项电能表。
淘汰下的单项机械电能表
电能表中的主要部件如下图所示。包括有电压电流磁极、旋转铝板、阻尼磁铁、机械记数和显示。此外还包括其他一些用于校正的螺丝配件等。
单项电能表电内部主要结构
对于单相电度表的工作原理的一般描述是讲，由电压线圈和电流线圈产生交变磁场，该磁场在铝旋转盘上产生涡流，涡流在磁场中产生安培力，进而推动铝盘旋转，推动力与磁场强度成正比。
在铝盘的另外一端安放有一个强永磁铁。当铝盘转动时，会在磁场下形成涡流并产生阻尼力。该阻尼力与旋转速度成正比。

单项电度表原理和接线
在电磁力和阻尼力作用下铝盘最终达到稳定旋转。旋转的速度与用电功率成正比，经过机械减速齿轮推动计数器完成电能累计。
只是根据一般的介绍，还是很难理解机械电能表的铝盘究竟是如何被单相驱动的。
电能表中的铝盘在转动
拆开看到电能表中的旋转铝盘，会看到在盘片表面被密密麻麻均匀压制了很多的小圆坑。这种制作工艺会使得铝盘表面面积增大，并在一定程度上增加了电阻，使得磁感应涡流强度降低了。
那么，为什么这样制作呢？如果涡流强度降低，进而减弱了磁盘转动的力矩，这也会使电能表的测量 精度由于受到各种不确定的摩擦力的影响而下降。
电能表中铝盘表面的小圆坑
对于小圆坑的实际作用，还需要从电能表旋转的原理分析起。
对于三相感应鼠笼式电机的工作原理，相对比较简单。通过分布在电机定子上三个在空间相差120°的线圈，再通入在时间上相差120度的交流电，便可以产生旋转磁场，进而带动金属转子转动。驱动力也是来自于转子上感应产生的涡流在磁场中的受力。
产生旋转磁场，也可以只使用两线定子线圈。它们在空间上垂直分布，即相互之间相差90°，在两相线圈中通入相位相差90°的交流电，也同样可以产生旋转磁场。

两相交流感应电机结构原理图
在电能表中，它的磁钢上也分布有两个线圈，一个是接电压的线圈，一个是接电流的线圈。如下图所示。
电压线圈有7500匝，电感量为4.85H，电阻为386欧姆。电流线圈则使用线径比较粗的导线在两个磁极上按照相反的方向绕制了2匝。
电能表上的磁极和相应的线圈
如果对照前面单相感应电机的磁极结构，可以看出，电能表的磁极结构相当于将感应电机的一对磁极展开平行放置，不再分布在一条轴线上了。
电流磁极分布在电压磁极左右，按照线圈走向，电流磁极的极性上下相反。如果把电压磁极在空间上定义为0°角度，那么左右两个电流磁极便分别是超前90°和落后90°的位置。

对比电能表与感应电机的磁极结构
假设加在电能表上的电压与电流为同相位，此时相当于功率因子为1。由于电压线圈具有很大的电感量，所以在电压线圈中所产生的电流落后于电压90°。
所以，电压磁极上的磁场比左边的电流磁极落后90°。由于左右两个电流磁极方向相反，所以电压磁场比右边的电流磁极的磁场超前90°。
三个磁极磁场变化情况
因此，根据三个磁极空间位置依次相差90°，同时磁场振荡相位也依次相差90°，因此合成后便形成一个平行移动的磁场。
该磁场从左到右移动，每秒钟50次。该移动磁场就会通过在铝盘表面所产生的涡流作用带动铝盘转动，这与感应电机的工作原理基本一致。
电能表磁极上移动的磁场
所以，电能表的可以看成一个线性的感应电机。由于铝盘转动的速度远远小于对应的合成磁场移动的速度，在铝盘中所产生的涡流还会受到铝盘所对应的电感相应的影响，使得涡流的相位比感应电动势要落后，这会降低铝盘转动的力矩。
这个线圈可与感应电动机在滑差大的情况下，造成输出力矩下降的原因是一致的。
因此，适当增加铝盘表面的电阻分量，可以减少涡流与感应电动势之间的相位差，从而提高转动力矩。
从这儿可以看到，电能表转动铝盘表面出现的小圆坑的作用，是增加铝盘表面的电阻，进而可以提高转动的力矩，增加电度表的精度。
反之，如果铝盘的表面的电阻减小，假设一个极端情况，铝盘变成了超导体。此时上述移动磁场就不会推动铝盘转动了。
对感应电动机来讲，转子中的电阻对产生转动力矩有着重要的作用。
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