汽车电工电子基础-项目三电磁的应用

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1、汽车电工电子基础项目三 电磁的应用学习要点1.了解电磁的相关物理量； 2.理解电磁感应现象； 3.掌握电磁感应的应用，如变压器、电磁铁、继 电器并理解其工作原理。任务1 电磁基本物理量的认识一、 磁场的基本物理量 1. 磁感应强度 在磁场中，磁感应强度用 来表示，它是描述磁场内某点 磁场强弱和方向的物理量。 2. 磁通 在磁场中，磁通是表示穿过垂直于B方向的面积 S中的 磁力线总数。在均匀磁场中，或 磁通 的单位为韦伯 (Wb)。 (伏秒)3. 磁场强度在磁场中，磁场强度H是介质中某点的磁感应强度 B与介质磁导率 之比。式中 磁场强度，单位为Am。安培环路定律是指沿空间任意条闭合线 L ，磁场

2、强度 H的线积分恰好等于该闭合线 所包围的电流的代数和，如图3-l所示，用公 式表示有式中 磁场强度矢量沿任意闭合线( 常取磁通作为闭合回路)的线积分；穿过闭合回路所围面积的电流 的代数和。 图3.1 安培环路定律4. 磁导率 在磁场中，磁导率是表示磁场媒质磁性的物理量，它衡量物质的导 磁能力。磁导率的单位为亨米(Hm)，真空中的磁导率为常数，用0 表示，即相对磁导率是任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。磁场内某点的磁场强度H只与电流大小、线圈匝数以及该点的几何 位置有关，与磁场媒质的磁导率无关，而磁感应强度B则与磁场媒质的 磁导率有关。二、 磁路分析的方法1. 磁路的概念 电流具有磁效

3、应，变化的磁场又能感生出电流，磁与电是分不开 的。如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁 路。当线圈中通电流时，线圈周围的空间就会产生磁场。由于铁芯的 导磁性能比空气好得多，所以绝大部分磁通在铁芯中通过，这部分磁 通称为主磁通。围绕线圈和部分铁芯及铁芯周围空气的还有少部分磁 通，大部分磁通称漏磁通。图3.2 带铁 芯的磁路2. 磁路的基本定律（1）磁路的欧姆定律 磁路中，磁通与产生磁通的磁通势NI成正比，与磁路磁阻Rm 成反 比，这就是磁路的欧姆定律。即（2）磁路的基尔霍夫定律 若磁路由不同材料或不同长度及截面积的n段组成，则磁路分析计算 的基本公式为即 上称为磁路的基尔霍夫

4、定律，它是分析和计算磁路的基本方法。例3.1 一个闭合的均匀的铁芯线圈，匝数为300，铁芯中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求：(1)铁芯材料为铸铁时线圈中的电流。(2)铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流。 解： (1)查铸铁材料的磁化曲线，当B=0.9T 时，磁场强度 H=9000A/m ，则(2)查硅钢片材料的磁化曲线，当B=0.9T 时，磁场强度H=260A/m ， 则可见，当线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通， 采用磁导率高的铁芯材料，可使铁芯的用铁量大为降低。任务2 电磁感应现象的分析和验证 一、电磁感应现象和电磁感应规律 1基本的电磁感应现象(1)一闭

5、合的导线回路和永久磁铁之间发生相对运动时，回路中出现 电流。这种电流称为感应电流。图3.3 实验一(2)一闭合的导线回路与一载流线圈之间发生相对运动时，回路中也 出现电流，如图3.4。结果与上一实验相仿，唯一的差别是载流线圈代替 了永久磁铁。 (3)闭合回路和载流线圈间虽无相对运动，但载流线圈中电流的大小 发生变化，如在图3.4中，打开或闭合电键 ，或改变变阻器 的电阻，也都 会使回路中出现感应电流。感应电流的大小取决于载流线圈中电流变化 的速率。图3.4 实验二 (4)处在磁场中的闭合导线回路上的一部分导体在磁场中运动。如在 图3.5中，导线回路上的一段导线 在磁场中运动，回路中亦产生感应电

6、 流。图3.5 实验三2感应电动势及其大小和方向 图3.8 当磁场减少时，感应电流产 生的磁场方向与原磁场相同图3.6 当线圈 中的 电流接通（切断）的瞬 间，铝环 被斥离（吸向 ）线圈图3.7 当磁场增大时，感应电流产生 的磁场方向与原磁场相反对于任一给定回路，其中感应电动势的大小 正比于回路所圈围面积的磁感应通量的变化率。 总之，大量的实验表明，闭合回路中感应电 流的方向，总是企图使感应电流产生的磁场去阻 止引起该感应电流的磁感应通量的变化。这一结 论称为楞次定律。由于感应电流是感应电动势作 用下产生的，实验中铝环内感应电流的方向也就 显示了感应电动势的方向，因此，楞次定律指出 了感应电动

7、势的方向。3法拉第电磁感应定律(1)磁感应通量m0 ，如图3.9所示。 (2)磁感应通量 m0 ，但随时间减少，即dm/dt0 ， dm/dt0 时，感应电流与感应电动势为负图3.10 当 m0 ， dm/dt0 时，感应电流与感应电 动势为正例2 一矩形的闭合导线回路放在均匀磁场中，磁场方向与回路的面垂直 ，如图3.11所示，回路的一条边ab可以在另外的两条边上滑动，在滑动过 程中，保持良好的电接触。若可动边的长度为l，滑动速度力 v，求回路 中的感应电动势。 图3.11 例2图取回路面积的正法线方向与磁场 的方向一致。则磁场对回路圈围面积 的磁感应通量为由法拉第电磁感应定律，因为电动势正方

8、向由 a到b ，上 式的负号表示滑动边中电流的方向由 b到a 。二、电磁感应现象的分析与验证1动生电动势导体在恒定磁场中运动所产生的感应电动势又称为动生电动势。由 于动生电动势起因于磁场对运动电荷的洛仑兹力，因此，导线是否构成 闭合问路不是一个本质问题。如果回路是闭合的，那么动生电动势将在 回路中引起电流；如果回路不闭合，当然不会引起电流，但运动导体中 动生电动势依然存在。图3.15 在均 匀磁场中作 匀速运动的 导体杆上的 电荷分布及 其产生的电 场图3.14 当导体 杆在磁场中运 动时，杆中自 由电子受洛伦 兹力作用，从 而在杆两端积 累起电荷2感应电场及其性质感应电场是有源场。感应电场的

9、性质与稳恒电流的磁场的性质十分 相似。由于自然界中不存在磁荷，故磁场是无源场，磁感应线是闭合 的。在只有感应电场分布的空间，亦无电荷存在，因而感应电场也是无 源场，感应电场的电力线也是闭合的。图3.19 涡旋磁场与涡旋电场 a） 与 成右手螺旋 b） 与 成左手螺旋任务3 变压器原理分析变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的 装置， 主要构件：初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯 ）。 主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、 隔离、稳压（磁饱和变压器）等。 按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全 密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式 变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器 等

10、。一、 变压器的基本结构变压器主要由铁芯和绕组两部分组成，其外形如图3.20所示。(a)配电变压器 (b)电力变压器 (c)整流变压器 图3.20 变压器图3.21 单相心式变压器 图3.22 单相壳式变压器二、变压器的工作原理 空载运行时，变压器一次绕组与二次绕组的电压比就等于一、二 次绕组的匝数比。因此，要使一、二次绕组具有不同的电压，只要使 它们具有不同的匝数即可，这就是变压器能够“变压”的原理。图3.23 变压器 空载时的原理图从以上分析可以看出，变压器的两个绕组之间在电路上没有联系， 当一次绕组外加交流电压后，依靠两个绕组之间的磁耦合和电磁感应作 用，使二次绕组产生交流电压。也就是说

11、，变压器是依靠磁耦合实现能 量传递的。三、 变压器进行能量传递的原理通过一、二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸 收的电功率就传递到二次绕组，并输出给负载，这就是变压器进行能量传 递的原理。图3.24 变压器负载运行四、 变压器的运行性能及额定值1外特性 在电源电压U2和负载功率因数不变的条件下, 二次绕组的 端电压U2随一次绕组电流I2的变化关系称为变压器的外特 性。 对电阻性或电感性负载来讲，变压器的外特性是一根微 向下倾斜的曲线，如图3.25所示。由图3.25可见，外特性下降 的程度随负载功率因数的不同而不同，功率因数愈低，输出 电压 下降愈大。 2效率和效率特性 图3.

12、26为变压器的效率特性曲线，由图可见，效率随输出 功率而变，并且效率特住曲线是一条有最大值的曲线。中小 型变压器的效率约为9598，大型变压器的效率般公 99以上。图3.25 变压器的外特性曲线 图3.26 变压器的效率特性曲线3. 变压器的额定值(1)额定容量 ：在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在 功率的保证值，称为额定容量。额定容量用伏安(VA)或千 伏安(kvA)表示。对三相变压器，额定容量是指三相容量之 和。(2)额定电压 ：铭牌规定的各个绕组在空载、指定分接开 关位置下的端电压，称为额定电压。额定电压用伏(V)或千伏 (kV)表示。对三相变压器，额定电压指线电压。 (3)额定电流

13、：根据额定容量和额定电压算出的电流称为 额定电流，以安(A)表示。(4)额定频率 ：我国的标准工频规定为50HZ 。 此外，额定丁作状态下变压器的效率、温升等数据也属 于额定值。 五、自耦变压器 1结构 前面介绍的变压器其一、二次绕组是相互绝缘而分绕在同一个铁芯 上的，称为双绕组变压器压器，如果把两个绕组合成为一个绕组，二次 绕组是一次绕组的一部分，这种具有一个绕组的变压器称为自耦变压器 ，如图3.27所示。在自耦变压器中，一、二次绕组既有磁的联系，又有直 接的电的联系。a）外形结构图 b）原理图 图3.27 自耦变压器2原理自耦变压器一、二次绕组之间的电压关系和普通两绕组变压器一 样。若忽略

14、阻抗压降，则在自耦变压器中，一、二次绕组电流之比近似等于两绕组匝数的反 比，即3应用注意事项六、电压互感器 电压互感器的工作原理与小型电力变压器相同，一次绕组匝数较多 ，并联在所测的高压电路中；二次绕组匝数较少，测量仪表、控制回路 和指示电路都与二次绕组并联。电压互感器的原理图如图3.28所示。注意：运行中的电压互感器二 次绕组端严禁短路，否则将会出现 很大的短路电流而降互感器烧毁； 同时，二次绕组的一端应和铁芯一 起接地，以防止高压绕组的绝缘损 坏时，对低压侧产生危险。图3.28 电压互感 器的原理图任务四 电磁铁 电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械 零件、工件于固定依置的一种

15、电器。衔铁的动作可使其他机 械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失， 衔铁或其他零件即被释放。电磁铁可分为线圈、铁芯及衔铁 三部分，其结构形式通常有图3.29所示的几种。（a） （b） （c） 图3.29 电磁铁的结构形式 电磁铁在生产中的应用图3-30 电磁铁应用实例 图3.31 喇叭继电器电路图任务五 汽车常用继电器1.继电器的基本结构 继电器在汽车上应用广泛 ，通常一辆汽车上要有几十种 各种类型的继电器，如起动继 电器、喇叭继电器、闪光（转 向）继电器、刮雨继电器等。 和一切电器一样，继电器结构 上也有检测机构和执行机构两 大部分。前者反映继电器的输 入量，如电磁式继电器的线 圈、热继电器的双金属片等； 后者产生输出量，如一般继电 器的触头。图3.32 继电器基本结构2.继电器的分类汽车继电器按 电压系列分类，有 12V和24V两种；按 接线柱（或插片） 多少分有3柱、4 柱、5柱和6柱等； 按触点状态分类有 ：动合继电器、动 断继电器、混合型 继电器，这三类继 电器的动作状态如 表3.1所示。表3.1 继电器的分类3. 继电