第3章 电工材料及电子元器件的功能与应用
【学习目的】
本章主要是介绍电气线路中所用到的电工材料、常用电子元器件、常用电工低压器件、变压器、电动机和变频器等电工常用电器部件的功能与应用，通过对本章的学习，读者应了解相关器件在电气线路中的功能与作用，并可以对照相应的电子电气线路识别基本的元器件，为电工电子电气线路识图、电气线路安装等打下良好的基础。
3.1 电工材料的特点与应用
电工人员经常接触到的电工材料主要有三大类，第一类是指起到保护、隔离作用的绝缘材料；第二类是电线、电缆等导电材料；第三类是变压器铁芯等磁性材料。
3.1.1 绝缘材料的功能与应用
绝缘材料也称为电介质，是指在电压作用下，这种材料几乎没有电流通过，一般情况下可认为绝缘材料为不导电的物质。这种物质的电阻率通常大于107Ω·cm。
电工用绝缘材料的种类繁多，按材料和制作工艺上的区别可大致分为绝缘纤维制品、浸渍纤维制品和绝缘层压制品三类。
1. 绝缘纤维制品的功能与应用
绝缘纤维制品是指在电工产品中可直接应用的一类绝缘材料，主要包括绝缘纸、绝缘纸板和钢纸品以及各种纤维织物，如丝、带、绳等。
（1） 绝缘纸
绝缘纸主要是由未漂白的硫酸盐木浆（植物纤维）或合成纤维为材料制成的，根据其组成材料可分为植物纤维纸和合成纤维纸。图3-1所示为绝缘纸的外形。图3-2所示为绝缘纸的种类及应用。绝缘纸的特点是价格低廉，其物理性能、化学性能、电气性能、耐老化性能等综合性能良好。
图3-1 绝缘纸的外形
图3-2 绝缘纸的种类及应用
（2） 绝缘纸板
绝缘纸板是由木质纤维或掺有适量棉纤维的混合纸浆为材料制成的，其标重大于225g/m2。这种材料中由于掺杂部分棉纤维而具有良好的抗张强度和吸油量。由于这些特性，绝缘纸板在电工用料中常用做变压器油的绝缘和保护材料。另外有些绝缘纸板在制作过程中不掺杂棉纤维，这种绝缘纸通常称为青壳纸，主要用做绝缘保护和补强材料。
常见绝缘纸板的型号及其应用见表3-1所列。
表3-1 常见绝缘纸板的型号及其应用
（3） 钢纸品
钢纸品主要包括硬钢纸板、钢纸管和玻璃钢复合纸管这三种。
① 硬钢纸板通常也称为反白板。这种材料具有良好的机械加工性，适于用做小型低压电动机槽和其他绝缘零件。
② 钢纸管具有良好的机械加工性而且吸油性小、灭弧性能好，适合做熔断器、避雷器等的管芯和电动机用线路套管等。
③ 玻璃钢复合纸管又称做高压消弧管。这种材料具有良好的电气性能和灭弧能力，机械强度较高，而且具有耐热、耐潮、耐日光照射的特性，多用于做10～110kV熔断器和避雷器中的消弧管。
（4） 合成纤维丝
电工用合成纤维丝主要有聚酰胺六纤维丝（通常称为尼龙六和锦纶）和聚酯纤维丝。这种材料具有抗张强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀、耐霉等特性，但其耐热性较差而且容易变形，合成纤维丝多用于安装电线的绕包及编织绝缘等。
2. 浸渍纤维制品的功能与应用
浸渍纤维制品是以绝缘纤维制品为材料，浸以绝缘漆制成的，在其表面会有一层光滑的漆膜。电工常用浸渍纤维制品主要有漆布（带）和漆管两种。
与普通的绝缘纤维材料相比，浸渍纤维制品的抗张强度、电气性能、耐热等级、耐潮性能等都有显著提高。它适用于电动机、电器、仪器仪表等电工产品的线圈层间的绝缘或作为衬垫与引出线或连接线的绝缘。
（1） 漆布（带）
漆布（带）是由不同材料浸以不同的绝缘漆后制成的。电工材料中常采用到的漆布主要有黄漆布、黄漆绸、醇酸玻璃漆布这几种。
① 黄漆布也称为油性漆布。常见型号有2010型和2012型两种，其厚度为0.15～0.3mm，耐热等级为A。其中，2010型黄漆布柔软性较好，但不耐油，可用于一般电动机、电器的衬垫或线圈绝缘；而2012型黄漆布耐油性好，可用于在侵蚀环境中工作的电动机、电器的衬垫或线圈绝缘。
【重点提示】
按照耐热程度，把绝缘材料分为Y、A、E、B、F、H、C几个耐热等级。绝缘材料的绝缘性能与温度有密切的关系。温度越高，绝缘材料的绝缘性能越差。每种绝缘材料都有一个适当的最高允许工作温度，在此温度以下，绝缘材料可以长期安全地使用。
表3-2所列为具体的各种绝缘材料的耐热等级和极限温度参数，可根据不同的工作环境或应用场合进行合理选用。
表3-2 绝缘材料的耐热等级和极限温度
② 黄漆绸也称其为油性漆绸，图3-3所示为黄漆绸的外形。其常见型号有2210型和2212型两种，厚度为0.04～0.15mm，耐热等级为A，这两种黄漆绸都具有较好的电气性能和良好的柔软性，都可用于电动机、电器的薄层衬垫或线圈绝缘。其中2212型黄漆绸也可用于在侵蚀环境中工作的电动机、电器的薄层衬垫或线圈绝缘。
图3-3 黄漆绸的外形
③ 醇酸玻璃漆布的耐热等级为B，型号为2432型。图3-4所示，为醇酸玻璃漆布的外形。它是同类纤维制品中应用最多的材料之一，这种材料具有良好的电气性、耐热性、耐油性和防霉性，常用做油浸变压器、油断路器等设备的线圈绝缘。
图3-4 醇酸玻璃漆布的外形
【重点提示】
在使用漆布（带）作为电工设备的绝缘材料时，要包绕严密，不能出现褶皱和气泡，更不能出现机械损伤，否则将影响其电气性能，甚至将失去绝缘的作用。其他一些电工常见漆布的规格及其应用，可见表3-3所列。
表3-3 电工用常见漆布的规格及其应用
（2） 漆管
绝缘漆管是由棉、涤纶、玻璃纤维管等浸以不同的绝缘漆制成的，图3-5所示为绝缘漆管的外形。
图3-5 绝缘漆管的外形
绝缘漆管主要有2730型醇酸玻璃漆管，通常称为黄腊管。该材料具有良好的电气性能和机械性能，耐油、耐热、耐潮性能较好，主要用做电动机、电器的引出线或连接线的绝缘套管。图3-6所示为绝缘漆管在断路器中的应用。
图3-6 绝缘漆管在断路器中的应用
3. 绝缘层压制品的功能与应用
绝缘层压制品是由天然或合成的纤维纸、布等作底材浸以不同的胶黏剂后经热压卷制而成的层状结构的绝缘材料。它主要分为层压纸板、层压布板、层压玻璃布板等类型。
层压制品的性能取决于所用底材和胶黏剂的性质，以及制作工艺。一般层压制品都具有良好的电气性能和耐热、耐油、耐霉、耐电弧、防电晕等特性。
（1） 层压纸板
层压纸板主要是指酚醛层压纸板，其耐热等级为E，厚度为0.2～60mm，一般可在电气设备中做绝缘结构零部件。图3-7所示为酚醛层压纸板的外形。
图3-7 酚醛层压纸板的外形
3020型、3021型层压纸板具有良好的耐油性，可用做电工设备中的绝缘结构零部件，并可在变压器油中使用；3022型层压纸板具有较高的耐潮性，可用于在潮湿条件下工作的电工设备中做绝缘结构零部件；3023型层压纸板的介质损耗低，适用于无线电、电话和高频设备中做绝缘结构零部件。
（2） 层压布板
层压布板通常称为酚醛层压布板，如图3-8所示。层压布板主要有3025型和3027型两种类型，耐热等级均为E。
图3-8 层压布板
3025型层压布板的机械强度和耐油性较高，适于做电气设备中的绝缘零部件，并可在变压器油中使用；3027型层压布板的电气性能较好，吸水性小，适于做高频无线电装置中的绝缘结构件。
（3） 层压玻璃布板
层压玻璃布板的类型较多，常见的电工用层压玻璃布板主要有酚醛层压玻璃布板和环氧酚醛玻璃布板等。图3-9所示为层压玻璃布板的外形。
图3-9 层压玻璃布板的外形
① 酚醛层压玻璃布板（型号：3230型）的耐热等级为B，其机械性能、耐水性和耐压性都比层压纸板和层压布板要好，但其黏合强度低，适用于电工设备中的绝缘结构件，并可在变压器油中使用。
② 环氧酚醛玻璃布板（型号：3240型）的耐热等级为F，这种层压制品具有很高的机械强度，耐热性和耐水性较好，电气性能良好，且浸水后电气性能较稳定。适合用做高机械强度、高介电性能以及耐水性好的电动机、电器的绝缘结构件，并可在变压器油中使用。
【重点提示】
电工用绝缘材料除上述几种制品外，还有绝缘漆、薄膜及复合制品、云母制品、电工塑料、电工橡胶、沥青、电工用石蜡、绝缘胶等多种类型，了解各种材料的性能、规格及应用范围或场合等，才能在实际应用中更好地利用和发挥这些材料独特的作用。
3.1.2 导电材料的功能与应用
大部分导电材料都为金属材料，其特点是导电性好，有一定的机械强度，不易氧化和不易腐蚀，并且容易加工和焊接。
1. 导电材料的型号及其分类
电工用导电材料一般都是采用纯铜和纯铝作为主要的导电金属材料。
【重点提示】
纯铜外观呈紫红色，一般也称做紫铜，它的密度为8.89，具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性；有一定的机械强度，无低温脆性，易于焊接；塑性强，便于承受各种冷、热压力加工。导电用铜通常选用含铜量为99.90%的工业纯铜。
纯铝是一种银白色的轻金属，其特点是密度小、导电性和导热性较好、耐酸、易于加工，容易被碱和盐雾腐蚀，铝资源丰富，价格比铜低。导电用铝通常选用含铝量为99.50%的工业纯铝。
在各类导线的产品型号中，铜线的标识为“T”，硬铜标识为“TV”，软铜标识为“TR”；铝线的标识为“L”，硬铝标识为“LV”，软铝标识为“LR”。另外，在一些标识中可将铜的标识“T”省略。若产品型号中没有标明“T”或“L”的标识，则表示该材料为铜导线。图3-10（a）、（b）所示分别为导线材料标准产品型号的标识方法和导线材料标准产品规格的标识方法。
图3-10 导线材料标准产品型号的标识方法和导线材料标准产品规格的标识方法
电工用导电材料的种类很多，通常按照其性能和使用特点可分为：裸导线、电磁线、绝缘电线和电力电缆等四种类型。图3-11所示为常用导电材料的具体分类。
图3-11 常用导电材料的种类
几种常见的导线如图3-12所示。
图3-12 几种常见的导线
2. 裸导线的功能与应用
裸导线是指没有绝缘层的导线，按其形状可分为圆单线、裸绞线、软接线和型线四种类型。一般裸导线具有良好的导电性能和机械性能，可作为各种电线、电缆的导电芯线或在电动机、变压器等电气设备中作为导电部件使用。此外，高压输电铁塔上的架空线因远离人群，也使用裸导线输送配电。
裸导线的应用范围很广，规格型号也是多种多样。图3-13所示为裸导线常见的应用实例。表3-4所列为各种裸导线的规格型号、特性及其应用。
图3-13 各种裸导线的应用实例
表3-4 各种裸导线的型号、规格、特性及其应用
很多裸导线表面涂有高强度绝缘漆，用以抗氧化和绝缘。
3. 电磁线的功能与应用
电磁线通常用来绕制电动机、变压器、电器设备的绕组或线圈，有时也称为绕组线。常见的电磁线主要有漆包线、无机绝缘电磁线、绕组线、特种电磁线四类。
（1） 漆包线
漆包线具有漆膜均匀、光滑柔软，且利于线圈的绕制等特点，广泛应用于中小型电动机及微型电动机、干式变压器和其他电工产品中。图3-14所示为各种裸导线的应用。
图3-14 各种裸导线的应用
电工常用的漆包线主要有油性漆包线、缩醛漆包线以及聚酯漆包线等，其具体型号规格、性能参数及应用见表3-5所列。
表3-5 常用漆包线型号规格、性能参数及应用
【重点提示】
漆包线除了上述几类外，还包括聚氨酯漆包线、环氧漆包线、聚酯亚胺漆包线和特种漆包线。
（2） 无机绝缘电磁线
无机绝缘电磁线的特点是耐高温、耐辐射，主要用于高温、辐射等场合。
无机绝缘电磁线的种类、型号、特点及其应用见表3-6所列。
表3-6 无机绝缘电磁线的种类、型号、特点及其应用
（3） 绕组线
绕组线是指用天然丝、玻璃丝、绝缘纸或合成树脂薄膜等紧密绕包在导电线芯上，形成绝缘层，或直接在漆包线上再绕包一层绝缘层。图3-15所示为绕组线的外形。绕组线通常应用于大中型电工产品中。
图3-15 绕组线的外形
绕组线的种类、型号、特点及其应用见表3-7所列。
表3-7 绕组线的种类、型号、特点及其应用
4. 绝缘导线的功能与应用
绝缘导线是在裸导体外层包有绝缘材料的导线，一般可分为绝缘硬导线和绝缘软导线两种。按照其绝缘层材料的不同又可分为塑料（即聚氯乙烯，一般用字母“V”表示）绝缘导线和橡胶（一般用字母“X”表示）绝缘导线。
塑料和橡胶绝缘导线广泛应用于交流500V和直流1000V电压及以下的各种电器、仪表、动力线路及照明线路中。塑料/橡胶绝缘硬线多作为企业及工厂中固定敷设用的电线，线芯多采用铜线或铝线；而作为移动使用的电缆和电源软接线等通常采用多股铜芯的绝缘软线。
（1） 塑料绝缘导线
塑料绝缘导线是电工用导电材料中应用最多的导线之一，目前，几乎所有的动力和照明线路都采用塑料绝缘电线。图3-16所示为普通塑料绝缘导线的外形。按照其用途及特性的不同可分为塑料绝缘硬线、塑料绝缘软线、铜芯塑料绝缘安装导线和塑料绝缘屏蔽导线四种类型。
图3-16 普通塑料绝缘导线的外形
① 塑料绝缘硬线
塑料绝缘硬线的线芯数较少，通常不会超过5芯。在其规格型号标识中，首字母通常为“B”。
常见塑料绝缘硬线的型号、性能及其应用见表3-8所列。
表3-8 常见塑料绝缘硬线的型号、性能及其应用
② 塑料绝缘软线
塑料绝缘软线的型号字母开头为“R”，通常其线芯较多，导线本身较柔软，耐弯曲性较强，多用于电源软接线使用。
常见塑料绝缘软线的型号、性能及其应用见表3-9所列。
表3-9 常见塑料绝缘软线的型号、性能及应用
③ 铜芯塑料绝缘安装导线
铜芯塑料绝缘安装导线型号以“AV”系列为主，多应用于交流额定电压为300V或500V及以下的电器或仪表、电子设备及自动化装置的安装导线。与塑料绝缘导线相比，“AV”系列铜芯塑料绝缘安装导线多用于电气设备等。
常见的“AV”系列铜芯塑料绝缘安装导线型号、性能及其应用见表3-10所列。
表3-10 “AV”系列铜芯塑料绝缘安装导线型号、性能及其应用
④ 塑料绝缘屏蔽导线
塑料绝缘屏蔽导线是在绝缘软/硬导线的绝缘层外包绕了一层金属箔或编织金属丝等作为屏蔽层使用。这样做可以减少外界电磁波对绝缘导线内电流的干扰，也可减少导线内电流产生的磁场对外界的影响。图3-17所示为常见塑料绝缘屏蔽导线的结构。
图3-17 常见塑料绝缘屏蔽导线的结构
塑料绝缘屏蔽导线由于其屏蔽层的特殊功能，广泛应用于要求防止相互干扰的各种电器、仪表、电信设备、电子仪器以及自动化装置等线路中。
常见的塑料绝缘屏蔽导线型号、性能及其应用见表3-11所列。
表3-11 常见塑料绝缘屏蔽导线的型号、性能及其应用
（2） 橡胶绝缘导线
橡胶绝缘导线主要是由天然丁苯橡胶绝缘层和导线线芯构成的。常见的电工用橡胶绝缘导线多为黑色、较粗（成品线径为4.0～39mm）的导线。多用于企业电工、农村电工中的动力线敷设使用，也可用于照明装置的固定敷设等。
常见橡胶绝缘导线的型号、性能及其应用见表3-12所列。
表3-12 常见橡胶绝缘导线的型号、性能及其应用
5. 电缆的功能与应用
电缆适用于有腐蚀性气体和易燃易爆物的场所。它主要由三部分组成：一是导电线芯，用于传输电能；二是绝缘层，使线芯与外界隔离，保证电流沿线芯传输；三是保护层，主要起保护密封的作用，使绝缘层不被潮气侵入，不受外界损伤，保持绝缘性能。在某些电缆的保护层中还会加入钢带或钢丝（铝带或铝丝）铠装。图3-18所示为无铠电缆和有铠电缆的结构图。
图3-18 无铠电缆和有铠电缆的结构图
电缆的种类很多，按其结构及作用可分为电力电缆、控制电缆、电话电缆、同轴电缆和移动式软电缆等；按电压等级可分为低压电缆（小于1kV）和高压电缆（1kV、6kV、10kV等）两类。
（1） 电力电缆
电力电缆不易受外界风、雨、冰雹的影响和人为损伤，供电可靠性高，但其材料和安装成本较高。
电力电缆通常按一定电压等级制造出厂，其中1kV电压等级的电力电缆使用最为普遍，3～35kV电压等级的电力电缆常用于大、中型建筑内的主要供电线路。
【重点提示】
电力电缆的导电芯有5种：分别为单芯、二芯、三芯、四芯、五芯。
单芯电缆用于传送单相交流电、直流电及作为高压电动机引出线。
二芯电缆多用于传送单相交流电或直流电。
三芯电缆用于三相交流电网中，广泛用于35kV以下的电缆线路。
四芯电缆用于低压配电线路、中性点接地的TT方式和TN—C方式供电系统。
五芯电缆用于低压配电线路、中性点接地的TN—S方式供电系统。
（2） 控制电缆
控制电缆主要用于配电装置中连接电气仪表、继电保护装置和自动控制设备，以传导操作电流或信号。控制电缆属于低压电缆，线芯多且较细，工作电压一般在500V以下。
（3） 通信电缆
通信电缆按结构可分为对称式、同轴式通信电缆。
对称式通信电缆的传输频率较低（一般在几百赫以内），其线对的两根绝缘线结构相同，而且对称于线对的纵向轴线。
同轴式通信电缆的传输频率可达几十兆赫，主要用于距离几百千米以上的通信线路，它的线对是同轴的，两根绝缘线分别为内导线和外导线，内导线在外导线的轴心上。
（4） 同轴电缆
同轴电缆又称为射频电缆，在电视系统中用于传输电视信号。它由同轴的内外两个导体组成，内导体是单股实心导线，外导体为金属丝网，内外导体之间充有高频绝缘介质，外面包有塑料护套。常用同轴电缆的结构如图3-19所示。
图3-19 常用同轴电缆的结构
3.1.3 磁性材料的功能与作用
电工常用磁性材料按其特性及其应用范围可分为软磁性材料、硬磁性材料和特殊磁性材料三大类。磁性材料的应用很广泛，可用于电表、电动机中；也可作为记忆元件、微波元件等。
1. 软磁性材料的功能与应用
软磁性材料也是一种导磁材料，这种材料在较弱的外界磁场作用下也能传导磁性，且随外界磁场的增强而增强，并能够快速达到磁饱和状态；同样，软磁性材料也会随外界磁场的减弱而减弱，当撤掉外界磁场后，其磁性基本也会消失。
根据软磁性材料的特性，它通常应用在电动机、扬声器、变压器中作为铁芯导磁体，或在变压器、扼流圈、继电器中作为铁芯。软磁性材料的应用如图3-20所示。
图3-20 软磁性材料的应用
电工材料中常见的软磁性材料主要有电工用纯铁、电工用硅钢板、铁镍合金、铁铝合金以及软磁铁氧体等。
（1） 电工用纯铁
电工用纯铁一般轧制成不超过4mm的板材，其饱和磁感应强度高，冷加工性好，但其电阻率较低，一般只用于直流磁场或低频条件下。
【重点提示】
常见电工用纯铁的型号主要有DT3、DT4、DT5、DT6几种，其中字母“DT”与数字构成电工纯铁的牌号。“DT”表示电工用纯铁，数字表示不同牌号的顺序号。还有些型号中，数字后又加上字母，如“DT3A”，其中所加字母表示该纯铁的电磁性能：A—高级，E——特级、C——超级。
（2） 电工用硅钢板
电工用硅钢板的电阻率比电工用纯铁高很多，但导热率降低，硬度提高，适用于各种交变磁场的环境。图3-21所示为电工用硅钢板的外形。
图3-21 电工用硅钢板的外形
电工用硅钢板的使用范围很广，是电动机、仪表、电信等工业部门广泛应用的重要磁性材料，通常它又可细分为热轧硅钢板和冷轧硅钢板两种。常用的硅钢板厚度有0.35mm和0.5mm两种，多用于交直流电动机、变压器、继电器、互感滤波器、开关等产品中作为铁芯使用。
（3） 铁镍合金
铁镍合金俗称为坡莫合金，与上述两种软磁性材料相比，其导磁率极高，适用于工作在频率为1MHz以下的弱磁场中。图3-22所示为铁镍合金的外形。
图3-22 铁镍合金的外形
（4） 铁铝合金和软磁铁氧体
铁铝合金多用于弱磁场和中等磁场下工作的器件中。软磁铁氧体是一种复合氧化物烧结体，其硬度高，耐压性好，电阻率也较高，但饱和磁感应强度低，温度热稳定性也较差，适用于高频或较高频范围内的电磁元件。图3-23所示为软磁铁氧体的外形。
图3-23 软磁铁氧体的外形
2. 硬磁性材料的功能与应用
硬磁性材料又称为永磁性材料，该材料在外接磁场的作用下也能产生较强的磁感应强度，但当其达到磁饱和状态，去掉外界磁场后，还能在较长时间内保持较强和稳定的磁性。根据硬磁性材料的特性，它常作为储存和提供磁能的永久磁铁，如手机、磁带、磁盘和微型电动机等。磁性材料的应用如图3-24所示。
图3-24 硬磁性材料的应用
常见的硬磁性材料主要有铝镍钴合金硬磁性材料和铁氧体硬磁性材料等。
（1） 铝镍钴合金硬磁性材料
铝镍钴合金硬磁性材料是电动机工业中应用很广的一种材料，该材料的磁感应强度受温度影响小，具有良好的磁特性，但其热稳定性和加工工艺较差。它主要用来制造永磁电动机和微型电动机的磁极铁芯以及电信工业中的微波器件等。
（2） 铁氧体硬磁材料
铁氧体硬磁材料以氧化铁为主，该材料的电阻率高，磁感应强度受温度的影响大、硬度高、脆性大。它主要用于在动态条件下工作的硬磁体，如仪表电动机、磁疗器械以及电声部件等的永磁体。
3. 特殊磁性材料的功能与应用
特殊磁性材料是指具有特殊用途及性能的一类磁性材料，如磁温度补偿合金、磁记忆材料，磁记录材料等。
① 磁温度补偿合金是一种磁感应强度随温度升高而急剧减小的一种磁性材料，一般在风向风速表、电压调整器、里程速度表及电能表中都有应用。图3-25所示为磁温度补偿合金。
图3-25 磁温度补偿合金的外形
② 磁记忆材料在目前信息化时代中应用较为广泛，这种材料的工作频率高，制造工艺简单，成本低，最常用于电子计算机中做存储元件的磁芯。
③ 磁记录材料是指磁头材料，该材料的磁导率高，电阻率大，且耐磨损，常用做记录、存储和再现信息的磁性材料。