汽车电学基础第3章_磁路及电磁器件

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1、第三章 磁路及电磁器件,学习目标 1.了解磁场的形成及其基本物理量 2.了解电磁原理 3.了解磁路的概念 4.掌握铁心线圈的基本性质 5.掌握消除电磁干扰的基本方法 考核标准 应知：磁场、磁路、铁心线圈的概念；电磁原理的内容。磁路与铁心 线圈 的关系。 应会：用右手法则判断各种条件下磁场的方向；消除电磁干扰的基本 方法。,第一节 磁场及磁路,一、磁场的形成及基本物理量 1磁铁 磁铁具有极性，自由悬吊的磁铁会指向南和北。朝向北端的称为北极 (N)，朝向南端的称为南极(s)。同极相斥，异极相吸。原理见图3-1。极顶 处磁场磁力最强。 强磁铁产生的磁感线多，弱磁铁产生的磁感线少。看不见的磁感线从北

2、极出来再进入南极，而在磁铁内部磁感线则从南极通到北极(如图3-2)。磁 感线的密集度称为磁感线密度，如图3-3，用铁粉显示磁感线。 磁阻是用来表述材料抵抗磁感线通行的术语。,2基本物理量 (1)磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它 是一个矢量。它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手螺 旋定则来确定。磁感应强度的单位是特斯拉（T)，也就是韦伯平 方米(Wbm2)。 如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，这样的 磁场则称为均匀磁场。,2基本物理量 (1)磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。 它是一个矢量。它与电流(电流

3、产生磁场)之间的方向关系可用右手 螺旋定则来确定。磁感应强度的单位是特斯拉（T)，也就是韦伯 平方米(Wbm2)。 如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，这样的 磁场则称为均匀磁场。 (2)磁通 磁感应强度B(如果不是均匀磁场，则取B的平均值)与垂直于磁 场方向的面积的乘积，称为通过该面积的磁通()。磁通的单位是 韦伯(Wb)，也就是伏秒(VS)。 (3)磁场强度 磁场强度(H)是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定 磁场与电流之间的关系。磁场强度的单位是安培米(Am)。,(4)磁导率 磁导率()是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用 来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场

4、强度的乘积就等于磁感应 强度，磁导率的单位是亨利米(Hm)。 提示：磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金，将磁性材料放 入磁场强度为H的磁场(常为线圈的励磁电流产生)内，会受到 强烈的磁化。但当磁场强度减为零时，磁感应强度并不为 零，这种性质称为磁性物质的磁滞性。有的剩磁是有害的， 如果去掉这些剩磁，通常采用改变线圈中励磁电流的方向， 也就是改变磁场强度H的方向进行反向磁化的方法来实现。 二、磁路及铁心线圈 1磁路的形成 电机、变压器、电磁铁等很多电气设备，都用铁磁性材料做成 各种形状的闭合铁心。这是由于铁磁性材料具有很高的磁导率，铁 心线圈只要通以较小的电流，便能得到较强的磁场或较大的磁通。,

5、由于存在高磁导率铁心，电流产生的磁通或磁感线基本都被约 束在铁心的闭合路径中，周围弱磁性物质中的磁场则很微弱，这种 限定在铁心范围内的磁通路径称为磁路。因此，电机、电器设备中 既有电路，又有磁路。图3-4中是几种常见的磁路，图3-4(a)是单相 变压器的磁路，图3-4(b)是直流电机的磁路，图3-4(c)是磁电式仪 表的磁路，图3-4(d)是电磁型继电器的磁路。 如图3-4所示，绝大部分磁通通过闭合的磁路(包括空气隙)，叫 做主磁通；少数穿出铁心， 经过磁路周围弱磁性物质而闭合的磁通 叫漏磁通。由于漏磁通只占总磁通的很小一部分，所以在磁路分析 和计算中一般略去不计。 提示：磁路和电路具有相似之

6、处，电路中的电动势是形成电流的原 因，磁路中的磁动势是产生磁通的原因。通电线圈产生的磁通与线 圈的匝数N和通过电流I的乘积成正比，电路中有电阻，磁路中亦有 磁阻，它是磁通通过磁路时受到的阻碍作用，磁阻RM的大小与磁路 的长度L成正比，与磁路的横截面积S成反比，并与组成磁路材料的 磁导率有关，磁路长度和横截面积相同的情况下，铁磁性材料的磁 阻比空气的磁阻小得多。,2铁心线圈磁路 铁心线圈分为两种，直流铁心线圈通直流电来励磁，交流铁心 线圈通交流电来励磁。分析直流铁心线圈比较简单，因为励磁电流 是直流，产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势 来。当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是

7、交变的。在交流 铁心线圈中，除线圈电阻上有功率损耗(铜损)外，铁心中也有功 率损耗(铁损)。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应 选用磁滞损耗较小的磁质材料制造铁心。硅钢就是变压器和电机中 常用的铁心I材料。 提示：当线圈中通有交流电时，不仅要在线圈中产生感应电动 势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流，这种感应电流 称为涡流，涡流损耗也要引起铁心发热。为了减小涡流损耗，在惯 磁场方向铁心可由彼此绝缘的硅钢片叠成，这样就可以限制涡流只 能在较小的截面内流通。 进一步：汽车点火系统、起动电动机、充电系统和继电器等的 工作原理都是基于磁感应原理。任何含有线圈的电器部件或电机中 都会遇

8、到自感应作用，因为任何汽车电路都少不了随时通、断的电,感器件，自感应则力图以原有电流方向维持电流，从而会在开关上 产生拉弧现象。要减少高压电弧，可以在电路上接电容器或钳位二 极管，电容器能吸收由于接通或断开感应电路产生的高压。,第二节 变压器,学习目标 1.了解什么是变压器 2.了解变压器的结构和工作原理 3.了解变压器的命名方法和分类 4.掌握变压器电压、电流的变换方法 学习要求 应知：变压器的概念；变压器的结构和工作原理；变压器的命名 方法和分类。 应会：变压器电压、电流的变换方法；电流互感器的使用方法。,一、变压器的结构组成和工作原理,1变压器的结构 变压器是变换 电压、电流和阻抗 的器

9、件。 它是利用电磁感应原理制成的，变压器通常由闭合铁心、高压绕组、低压绕组、线圈框、紧固零件以及静电屏蔽层等组 成。变压器的一般 结构如图3-5所示。,2变压器的工作原理和特性 图3-6所示的是变压器的原理图。为了便于分析，将高压绕组和 低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为一次绕组(或称初级绕 组)，与负载相连的称为二次绕组(或称次级绕组)。一次、二次绕组 的匝数分别为N1和N2，当一次绕组接上交流电压时，一次绕组中便 有电流通过。一次绕组的磁路产生的磁通绝大部分通过铁心而闭 合，从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组接有负载，那 么二次绕组中就有电流通过。二次绕组也产生磁通，其绝大部分

10、也 通过铁心而闭合。因此， 铁心中的磁通是一个由一 次、二次绕组的磁通势共 同产生的合成磁通，它称 为主磁通，主磁通穿过一 次绕组和二次绕组而在其 中分别感应出电动势。此 外，一次、二次绕组的磁 通势还分别产生漏磁通。,下面，在理想情况下(暂不计其他能量损耗)，讨论变压器的电 压变换、电流变换及阻抗变换。 (1)电压变换 一次、二次绕组的电压之比为K，称为变压器的变比，亦即一 次、二次绕组的匝数比。当电源电压u1一定时，只要改变匝数K，就 可得出不同的输出电压u2。变比在变压器的铭牌上注明，它表示一 次、二次绕组的额定电压之比。例如：6000V400V(K=15)。这表示 一次绕组的额定电压(

11、即一次绕组上应加的电压)U1N=6000 V，二次 绕组的额定电压U2N=400V。由于变压器有内阻抗压降，所以二次绕 组的空载电压一般应较满载时的电压高510。 (2)电流变换 当电源电压和频率不变时，铁心中主磁通的最大值在变压器空 载或有负载时是基本恒定的。因此，有负载时产生主磁通的一次、 二次绕组的合成磁动势和空载时产生主磁通的一次绕组的磁动势基 本相等，此时，变压器一次、二次绕组的电流之比近似等于它们的 匝数比的倒数。可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但 是一次、二次绕组中电流的比值是基本不变的。,变压器的额定电流是指按规定工作方式(长时连续工作或短时工 作或间歇工作)运行时一

12、次、二次绕组允许通过的最大电流，它们是 根据绝缘材料允许的温度确定的。 二次绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容 量，它是视在功率(单位是VA)，与输出功率(单位是W)不同。 (3)阻抗变换 变压器能起变换电压和变换电流的作用。此外，它还有变换负 载阻抗的作用，以实现“匹配”。所谓等效，就是输入电路的电压、电 流和功率不变。就是说直接接在电源上的阻抗模和接在变压器二次 侧的负载阻抗模是等效的，两者的关系可通过计算得出。 因匝数比不同，负载阻抗模折算到(反映到)一次侧的等效阻抗 模也不同。可以用不同的匝数，把负载阻抗模变换为所需要的、比 较合适的数值，这种做法称为阻抗匹配。 (4)变

13、压器的频率特性 用于传输信号的变压器，由于信号具有一定的频率宽度，通常 要求变压器对不同频率分量的信号电压，均匀而且不失真地传输。 但实际上由于变压器一次电感和漏感的影响，对不同频率分量传输 能力并不一样，使得信号产生失真。一次电感越小，信号的低频分 量幅度就减少；漏感越大，高频分量幅度就越小。,(5)变压器的损耗与效率 和交流铁心线圈一样，变压器的功率损耗包括铁心中的铁损和 绕组上的铜损两部分。铁损的大小与铁心内磁感应强度的最大值有 关，与负载大小无关，铜损与负载大小(正比于电流平方)有关。 提示：变压器的效率为变压器的输出功率与输入功率之比。 变压器的功率损耗很小，所以效率很高，通常在95

14、以上。 在一般电力变压器中，当负载为额定负载的5075时。 效率达到最大值。 二、变压器的命名方法和类型 1变压器的命名方法 变压器的命名方法一般由三部分组成。即主称部分字母不同有 不同含义，DB表示电源变压器；CB表示音频输出变压器；RB表示音 频输入变压器；GB表示高压变压器；HB表示灯丝变压器；SB或ZB表 示音频(定阻式)输送变压器；EB表示音频(定压式或自耦式)输送变 压器。例如：型号为DB-50-2代表50VA的电源变压器。,2变压器的类型和主要参数 (1)自耦变压器 图3-7所示的是一种自耦变压器，其结构特点是二次绕组是一次 绕组的一部分，一次、二次绕组电压之比和电流之比是 提示

15、：实验室中常用的调压器就是一种可以改变二次绕组匝数的自 耦变压器，其外形和电路如图3-8所示。,(2)电流互感器 电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要是用来扩大测 量交流电流的量程。因为要测量交流电路的大电流时(如测量容量较 大的电动机、工频炉、焊机等的电流时)，通常电流表的量程是不够 的。 此外，使用电流互感器也是为了使测量仪表与高压电路隔开， 以保证人身与设备的安全。,电流互感器的接线图及其符号如图3-9所示。一次绕组的匝数很少(只有 一匝或几匝)，它串联在被测电路中。二次绕组的匝数较多，它与电流表或 其他仪表及继电器的电流线圈相连接。利用电流互感器可将大电流变换成小 电流。通常电流

16、互感器二次绕组的额定电流都规定为5A或1A。 提示：测流钳是电流互感器的一种变形。它的铁心如同一个钳子，用 弹簧压紧。测量时将钳压开而引入被 测导线。这时该导线就是一次绕组， 二次绕组绕在铁心上并与电流表接通。 利用测流钳可以随时随地测量线路中 的电流，不必像普通电流互感器那样 必须固 定在一 处或者 在测量 时要断 开电路 而将一 次绕组 串接进 去。测流钳的原理图见图3-10。,操作规范：在使用电流互感器时，二次绕组电路是不允许断开 的，这点和普通变压器不一样。 进一步：变压器绕组是有极性的，在连接时应充分注意。 如图3-11(a)所示电流从1端和3端流人(或流出)时，产生的磁通 的方向相同，两个绕组中的感应电动势的极性也相同，l和3两端称 为同极性端，标以记号“”。当然，2和4两端也是同极性端。,如果连接错误，譬如串联时将2和4两端连在一起，将l和3两端 接电源，如图311(b)所示。这样，铁心中两个磁通就互相抵消， 两个感应电动势也互相抵消，接通电源后，绕组中将流过很大的电 流，