2.1 机床常用电器及选择

2.1.1 开关电器

1.刀开关

刀开关（俗称闸刀开关）结构简单，由操作手柄、刀片、触头座和底板等组成。在机床上刀开关主要用来接通和断开长期工作设备的电源。

在安装刀开关时，手柄要向上，不得倒装或平装。如果倒装，拉闸后手柄可能因自重下落引起误合闸而造成人身和设备事故。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样较为安全。

刀开关分为单极、双极和三极，机床上常用的三极开关长期允许通过的电流有100A、200A、400A、600A、1000A五种，目前生产的产品常用型号有HD（单投）和HS（双投）等系列型号。

负荷开关有快断的刀开关与熔断器组合在一起的封闭式开关熔断器组，常用来控制小容量异步电动机的不频繁起动和停止，常用型号有HH4系列。

刀开关主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。若用来控制不经常起停的小容量异步电动机时，其额定电流不要小于电动机额定电流的三倍。

在电气原理图中，刀开关的图形符号及文字符号如图2-1所示。

2.转换开关

转换开关又称组合开关，主要用作电源的引入开关，所以也称电源隔离开关。它也可以起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过15～20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。

转换开关有单极、双极和多极之分。它是由单个或多个单极旋转开关叠装在同一根方形转轴上组成的，在开关的上部装有定位机构，它能使触片处在一定的位置上，其结构示意图如图2-2所示。

转换开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。转换开关的常用产品有Hz5、Hz10系列。Hz5系列额定电流有10A、20A、40A和60A四种。Hz10系列额定电流有10A、25A、60A和100A四种，适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。

转换开关的图形符号和文字符号如图2-3所示。

图2-1 刀开关的图形符号及文字符号

a）单极b）双极c）三极

图2-2 转换开关结构示意图

图2-3 转换开关的图形符号和文字符号

a）单极b）三极

3.低压断路器

低压断路器又称自动空气断路器，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。

图2-4所示是低压断路器的工作原理图。开关的主触点是靠操作机构手动或电动合闸的，并由自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置，如果电路发生故障，自由脱扣机构在有关脱扣器的推动下动作，使钩子脱开，于是主触点在弹簧作用下迅速分断。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，失压脱扣器的线圈与电路并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁被吸合，使自由脱扣机构动作。当电路过载时，热脱扣器的热元件产生的热量增加，使双金属片向上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路失压时，失压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。

机床上常用的低压断路器有DZ10、DZ5—20和DZ5—50系列，适用于交流电压500V，直流电压220V以下的电路中，作不频繁地接通和断开电路用。

选择低压断路器时，其额定电压和额定电流应不小于电路正常工作的电压和电流。热脱扣器的整定电流与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。

低压断路器的图形符号及文字符号如图2-5所示。

图2-4 低压断路器的工作原理图

1—主触点2—自由脱扣机构3—过电流脱扣器4—分励脱扣器5—热脱扣器6—失压脱扣器7—按钮

图2-5 低压断路器的图形符号及文字符号

2.1.2 主令电器

自动控制系统中用于发送控制指令的电器称为主令电器。常用的主令电器有按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关等几种。

1.按钮

控制按钮通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关。按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，通常制成具有常开触点和常闭触点的复合式结构，其结构示意图如图2-6所示。指示灯式按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式按钮装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作。旋钮式按钮是用手扭动旋转来进行操作的。

按钮的额定电压为交流380V、直流220V，额定电流为5A。在机床上常用的有LA2（老产品）、LA18、LA19及LA20等系列。按钮帽有多种颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作启动按钮。按钮主要根据所需要的触点数、使用场合及颜色来选择。

按钮的图形符号及文字符号如图2-7所示。

图2-6 按钮结构示意图

1—按钮帽2—复位弹簧3—动触点4—常闭触点5—常开触点

图2-7 按钮的图形符号及文字符号

a）常开触点b）常闭触点c）复式触点

2.行程开关

行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。行程开关有机械式和电子式两种，机械式常见的有按钮式和滑轮式两种。机床上常用的有LX2、LX19、JLXK1及LXW-11、JLXW1-11型微动开关等。

LX19及JLXK1型行程开关都备有一常开、一常闭两对触点，并有自动复位（单轮式）和不能自动复位（双轮式）两种类型，如图2-8所示。

LXW-11及JLXW1-11型是微动开关，体积小，动作灵敏，在机床中使用较多。

普通行程开关允许操作频率为每小时1200～2400次，机电寿命约为1×10⁶～2×10⁶次。行程开关主要根据机械位置对开关的要求及触点数目的要求来选择型号。

行程开关的图形符号及文字符号如图2-9所示。

图2-8 LXl9系列行程开关

a）单轮旋转式 b）双轮旋转式

图2-9 行程开关的图形符号及文字符号

a）常开触点 b）常闭触点

3.接近开关

行程开关是有触点开关，工作时由挡块与行程开关的滚轮或触杆碰撞使触点接通或断开。在操作频繁时，易产生故障，工作可靠性较低。接近开关是无触点开关，按工作原理来区分，有高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型等多种，其中以高频振荡型最为常用。高频振荡型接近开关的电路由振荡器、晶体管放大器和输出电路三部分组成。其基本工作原理是：当装在运动部件上的金属物体接近高频振荡器的线圈L（称为感辨头）时，由于该物体内部产生涡流损耗，使振荡回路等效电阻增大，能量损耗增加，使振荡减弱直至终止，开关输出控制信号。通常把接近开关刚好动作时感辨头与检测体之间的距离称为动作距离。

常用的接近开关有LJ1、LJ2和JXJ0等系列。图2-10所示为LJ2系列晶体管接近开关电路原理图。此开关的振荡器是由晶体管V₁、振荡线圈L和电容C₁、C₂和C₃组成的电容三点式振荡器。振荡器的输出加到晶体管V₂的基极上，经V₂放大及二极管VD₁、VD₂整流成为直流信号，再加至V₃的基极。当开关附近没有金属物体时，VD₁、VD₂整流电路有电压输出，使V₃导通，故V₄截止，V₅导通，V₆截止，开关无输出。当金属物体靠近开关感辨头到达动作距离时，致使振荡回路的振荡减弱至终止振荡，这时VD₁、VD₂整流电路无输出电压，则V₃截止，使V₄导通，V₅截止，V₆导通并有信号输出。

接近开关因具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、操作频率高、动作迅速等优点，故应用越来越广泛。接近开关的图形符号及文字符号如图2-11所示。

图2-10 LJ2系列晶体管接近开关电路原理图

图2-11 接近开关的图形符号及文字符号

a）常开触点b）常闭触点

4.万能转换开关

万能转换开关是一种多档式控制多回路的主令电器，目前常用的有LW5、LW6等系列。LW6系列转换开关由操作机构、面板、手柄及数个触点座等主要部件组成，用螺栓组装成为整体。触点座可有1～10层，每层均可装三对触点，并由其中的凸轮进行控制，如图2-12所示。由于每层凸轮可做成不同的形状，因此当手柄转到不同位置时，通过凸轮的作用，可使各对触点按需要的规律接通和分断。

LW6系列转换开关还可以装成双列型式，列与列之间用齿轮啮合，并由公共手柄进行操作。因此，这种转换开关装入的触点数最多可达到2×10×3=60对。

图2-12 万能转换开关 结构示意图

2.1.3 熔断器

熔断器是一种广泛应用的最简单有效的保护电器。在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。

熔断器主要由熔体（俗称熔丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。熔体一般由熔点低、易于熔断、导电性能良好的合金材料制成。在小电流的电路中，常用铅合金或锌做成的熔体（熔丝）。对大电流的电路，常用铜或银做成片状或笼状的熔体。在正常负载情况下，熔体温度低于熔断所必需的温度，熔体不会熔断。当电路发生短路或严重过载时，电流变大，熔体温度达到熔断温度而自动熔断，切断被保护的电路。熔体为一次性使用元件，再次工作必须更换新的熔体。

熔断器的类型及常用产品有瓷插（插入）式、螺旋式和密封管式三种。机床电气线路中常用的是RL1系列螺旋式熔断器及RC1系列插入式熔断器，它们的结构如图2-13所示。

选择熔断器主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。熔断器的类型应根据电路要求和安装条件来选择。熔断器的额定电压应大于或等于电路的工作电压。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如下：

图2-13 RL1系列螺旋式熔断器及RC1系列插入式熔断器结构示意图

a）RC1系列b）RL1系列

1—瓷底座2—动触头3—熔体4—瓷插件5—静触点6—瓷帽7—熔芯8—底座

对于如照明电路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流，即

I_fu≥I_N式中，I_fu为熔体的额定电流；I为电路的工作电流。

对于电动机一类负载，应考虑起动冲击电流的影响，应按下式计算

I_fu≥（1.5～2.5）I_N式中，I_N为电动机的额定电流。

对于多台电动机，由一个熔断器保护时，熔体的额定电流应按下式计算

I_fu≥（1.5～2.5）I_Nmax+∑I_N

式中，I_Nmax为容量最大的一台电动机的额定电流；∑I_N为其余电动机额定电流的总和。

RS0、RS3系列快速熔断器的发热时间常数小，熔断时间短，动作快，主要用作硅整流管及其成套设备的过载及短路保护。

熔断器的图形及文字符号如图2-14所示。

2.1.4 交流接触器

接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器，其常用型号有CJ0、CJ10、CJ12和CJ12B系列。

交流接触器的结构如图2-15所示，它是由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成，现分述如下。

1.电磁机构

电磁机构由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成。对于CJ0、CJ10系列交流接触器大多采用衔铁直线运动的双E型直动式电磁机构，而CJ12、CJ12B系列交流接触器采用衔铁绕轴转动的拍合式电磁机构。

2.触点系统

包括主触点和辅助触点。主触点通常为三对，构成3个常开触点，用于通断主电路。辅助触点一般有常开、常闭各两对，用在控制电路中起电气自锁或互锁作用。

3.灭弧装置

当触点断开大电流时，在动、静触点间产生强烈电弧，会烧坏触点并使切断时间拉长。为使接触器可靠工作，必须使电弧迅速熄灭，故要采用灭弧装置。容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。

4.其他部件

包括反作用弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。

交流接触器的工作原理是当线圈通电后，静铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。

接触器的型号，如CJ10-20，其中CJ表示交流接触器，10表示设计序号，20表示主触点额定电流为20A。

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。

接触器的额定电压是指主触点的额定电压。交流接触器的额定电压，一般为500V或380V两种，应大于或等于负载回路的电压。

图2-15 交流接触器的结构

1—灭弧罩2—触点压力弹簧片3—动触点4—反作用力弹簧5—线圈6—短路环7—静铁心8—弹簧9—动铁心10—辅助常开触点11—辅助常闭触点

接触器的额定电流是指主触点的额定电流，有5A、10A、20A、40A、60A、100A和150A等几种，应大于或等于被控回路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算：

式中，I_C为接触器主触点电流（A）；P_N为电动机的额定功率（kW）；U_N为电动机的额定电压（V）；K为经验系数，一般取1～1.4。

接触器吸引线圈的额定电压从安全角度考虑，应选择低一些，如127V。但当控制电路简单，所用电器不多时，为了节省变压器，可选380V。CJ10系列交流接触器的吸引线圈的额定电压有36V、110（127）V、220V和380V四种。

接触器的触点数量和种类应满足主电路和控制电路的需要。

接触器的图形符号如图2-16所示，文字符号为KM。

图2-16 接触器的图形符号

a）线圈b）常开触点c）常闭触点

2.1.5 继电器

继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触点的动作。

继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。按工作原理可分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列的优点，故在机床电气控制系统中应用最为广泛。

1.电磁式继电器

电磁式继电器按吸引线圈电流的种类不同，有直流和交流两种。其结构及工作原理与接触器相似，但因继电器一般用来接通和断开控制电路，故触点电流容量较小（一般在5A以下）。图2-17所示为JT13系列直流电磁式继电器结构示意图，释放弹簧（4）调得越紧，则吸引电流（电压）和释放电流（电压）就越大。非磁性垫片（8）越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放电流（电压）也就越大，而吸引值不变。初始气隙越大，吸引电流（电压）就越大，而释放值不变。可通过调节螺母（5）与调节螺钉（6）来整定继电器的吸引值和释放值。下面介绍一些常用的电磁式继电器。

（1）电流继电器 电流继电器的线圈串接在被测量的电路中，以反应电路电流的变化。为了不影响电路的工作情况，电流继电器线圈匝数少、导线粗、线圈阻抗小。

电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两类。欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的30%～65%，释放电流为额定电流的10%～20%。因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，输出信号。过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1～4倍额定电流。

在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JT3、JT9、JT10等型号，主要根据主电路内的电流种类和额定电流来选择。

图2-17 JT13系列直流电磁式 继电器结构示意图

1—线圈2—铁心3—磁轭4—弹簧5—调整螺母6—调整螺钉7—衔铁8—非磁性垫片9—常闭触点10—常开触点

（2）电压继电器 电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈为并联的电压线圈，所以匝数多，导线细，阻抗大。

电压继电器按动作电压值的不同，有过电压、欠电压和零电压之分。过电压继电器在电压为额定电压的110%～115%以上时动作；欠电压继电器在电压为额定电压的40%～70%时有保护动作；零电压继电器当电压降至额定电压的5%～25%时有保护动作。

在机床电气控制系统中，常用的有JT3、JT4型。

（3）中间继电器 中间继电器实质上是电压继电器的一种，但它的触点数多（多至六对或更多），触点电流容量大（额定电流为5～10A），动作灵敏（动作时间不大于0.05s）。其主要用途是当其他继电器的触点数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，起到中间转换的作用。

中间继电器主要依据被控制电路的电压等级、触点的数量、种类及容量来选用。机床上常用的型号有JZ7系列交流中间继电器和JZ8系列交直流两用中间继电器。

电磁式继电器的一般图形符号是相同的，如图2-18所示。电流继电器的文字符号为KA，线圈方格中用I>（或I<）表示过电流（或欠电流）继电器。电压继电器的文字符号为KV，线圈方格中用U<（或U=0）表示欠电压（或零电压）继电器。

2.时间继电器

时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。机床控制电路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用的。

图2-18 电磁式继电器的 一般图形符号

a）线圈b）常开触点c）常闭触点

（1）空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼作用获得延时的，有通电延时和断电延时两种类型，其型号有JS7-A系列。图2-19所示是JS7-A系列时间继电器的结构示意图，它主要由电磁系统、延时机构和工作触点三部分组成。其工作原理如下：

图2-19所示为通电延时型时间继电器，当线圈（1）通电后，铁心（2）将衔铁（3）吸合（推板（5）使微动开关（16）立即动作），活塞杆（6）在塔形弹簧（8）作用下，带动活塞（12）及橡皮膜（10）向上移动，由于橡皮膜下方气室空气稀薄，形成负压，因此活塞杆（6）不能迅速上移。当空气由进气孔（14）进入时，活塞杆（6）才逐渐上移。移到最上端时，推杆（7）才使微动开关（15）动作。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺杆（13）调节进气孔的大小，就可以调节延时时间。

当线圈（1）断电时，衔铁（3）在复位弹簧（4）的作用下将活塞（12）推向最下端。因活塞被往下推时，橡皮膜下方气室内的空气都通过橡皮膜（10）、弱弹簧（9）和活塞（12）肩部所形成的单向阀，经上气室缝隙顺利排掉，因此延时与不延时的微动开关（15）与（16）都迅速复位。

将电磁机构翻转180°安装后，可得到图2-19b所示的断电延时型时间继电器。它的工作原理与通电延时型相似，微动开关（15）是在吸引线圈断电后延时动作的。

空气阻尼式时间继电器的优点是：结构简单、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点，所以应用较为广泛。缺点是准确度低、延时误差大（±10%～±20%），因此在要求延时精度高的场合不宜采用。

（2）晶体管式时间继电器 晶体管式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便及寿命长等优点，所以发展很快，应用日益广泛。

图2-19 JS7-A系列时间继电器的结构示意图

a）通电延时型b）断电延时型

1—线圈2—铁心3—衔铁4—复位弹簧5—推板6—活塞杆7—推杆8—塔形弹簧9—弱弹簧10—橡皮膜11—空气气室12—活塞13—调节螺杆14—进气孔15、16—微动开关

晶体管式时间继电器常用产品有JSJ、JSB、JJSB、JS14、JS20等系列。

选择时间继电器，主要是根据控制回路所需要的延时触点的延时方式、瞬时触点的数目以及使用条件来选择。

时间继电器的图形符号如图2-20所示，文字符号为KT。

图2-20 时间继电器的图形符号

a）线圈一般符号b）通电延时线圈c）断电延时线圈d）延时闭合常开触点e）延时断开常闭触点f）瞬时闭合延时断开常开触点g）瞬时断开延时闭合常闭触点h）瞬时闭合常开触点i）瞬时断开常闭触点

3.热继电器

热继电器是利用电流的热效应原理来保护电动机，使之免受长期过载的危害。电动机过载时间过长，绕组温升超过允许值时，将会加剧绕组绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，严重时会使电动机绕组烧毁。

热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成，它的原理如图2-21所示。图中1是热元件，是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中。2是双金属片，是由两种不同线膨胀系数的金属辗压而成。图中下层金属的线膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量使双金属片向上弯曲，经过一定时间后，弯曲位移增大，因而脱扣，扣板（3）在弹簧（4）的拉力作用下，将常闭触点（5）断开。常闭触点（5）是串接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。若要使热继电器复位，则按下复位按钮（6）即可。

热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。同理，在电动机起动或短时过载时，热继电器也不会动作，这可避免电动机不必要的停车。

常用热继电器有JR0及JR10系列。它的额定电压为500V，额定电流为40A，它可以配用0.64～40A范围内10种电流等级的热元件。每一种电流等级的热元件，都有一定的电流调节范围，一般应调节到与电动机额定电流相等，以便更好地起到过载保护作用。

图2-21 热继电器原理图

1—热元件2—双金属片3—扣板4—弹簧5—常闭触点6—复位按钮

热继电器的选择，主要是根据电动机的额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。例如电动机额定电流为14.6A，额定电压为380V，若选用JR0-40型热继电器，热元件电流等级为16A，电流调节范围为10～16A，因此可将其电流整定为14.6A。

热继电器的图形及文字符号如图2-22所示。

4.速度继电器

速度继电器主要用作笼型异步电动机的反接制动控制，亦称反接制动继电器。它主要由转子、定子和触点三部分组成。转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。

图2-22 热继电器的图形

及文字符号

a）热元件b）常闭触点

速度继电器的工作原理如图2-23所示。其转子轴与电动机的轴相连接，而定子空套在转子上。当电动机转动时，速度继电器的转子（永久磁铁）随之转动，在空间产生旋转磁场，切割定子绕组，而在其中感应出电流。此电流又在旋转的转子磁场作用下产生转矩，使定子随转子转动方向而旋转，和定子装在一起的摆锤推动动触头动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当电动机转速低于某一值时，定子产生的转矩减小，动触头复位。

常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型。一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头的复位转速在100r/min以下，转速在3000～3600r/min以下能可靠工作。

速度继电器的图形及文字符号如图2-24所示。

图2-23 速度继电器的工作原理图

1—转轴2—转子3—定子4—绕组5—摆锤6、7—静触点8—动触点

图2-24 速度继电器的图形及文字符号

a）转子b）常开触点c）常闭触点