汽车电子电工教案4

浙江公路技师学院«汽车电工电子基础»理论课程教案班级09-10、10-10班专业汽车运用与维修教师姚婷婷2011/2012学年第一学期项目备课笔记首页教师姚婷婷教研组编写日期2011、10、6审批日期项目磁路与变压器总课时14目的要求应知：正确描述电磁感应原理，感应电动势与磁通量的关系，变压器工作原理；简单叙述磁路基本物理量和基本定律，铁磁材料的磁性能，变压器结构和工作原理及应用，特殊变压器特点，汽车点火线圈及点火系线路重点应知:能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向；会进行电磁感应实验，了解自感现象和互感现象及在实际应用中的应用；会分析变压器电路、汽车点火线圈结构、工作原理及点火系电路难点应知：掌握分析磁路的基本方法、变压器的结构原理、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向子项目内容课时分配项目备课笔记编写日期2011、10、6审批:日期:授课日期2011、10、92011、10、9班级09-1010-10学生人数3335主讲教师姚婷婷姚婷婷项目磁路与变压器课时:理论14目的要求1、正确描述电磁感应原理，感应电动势与磁通量的关系，变压器工作原理2、简单叙述磁路基本物理量和基本定律，铁磁材料的磁性能，变压器结构和工作原理及应用，特殊变压器特点，汽车点火线圈及点火系线路重点1、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向2、会进行电磁感应实验，了解自感现象和互感现象3、会分析变压器电路、汽车点火线圈结构、工作原理及点火系电路难点掌握分析磁路的基本方法、变压器的结构原理、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向报书设计四、磁路与变压器1磁路的基本概念1.1磁场的基本物理量1.2磁性材料的磁性能1.3磁路基本定律2变压器2.1变压器的结构原理与功能2.2变压器的外特性与效率2.3特殊变压器教学过程:教学组织及安全教育：---------------------------提问：1、生活中有没有接触过磁铁？2、吸铁石是不是磁铁？3、知道磁场是怎么产生的吗？4、汽车中有没有用电设备中有磁场？5、怎么把电厂里的电转换成直流的呢？新授:4磁路及变压器变化的电流能产生磁场，磁场在一定条件下又能产生电流，二者密不可分，许多电气设备的工作原理是基于电磁的相互作用，如变压器、电机、电磁铁、电工测量仪表以及其他各种铁磁元件，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对各种电工设备的工作原理作全面的分析。与流经电路中的电流同理，流经磁路的磁通也遵循一定的规律，如磁路的欧姆定律等。磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于磁路。磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成的，因此本章我们将对这种导磁材料的磁性能加以讨论。磁路和电路是相关联的，因此本章我们还将研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。通过以上的基本概念学习后，我们会对分析与计算磁路的基本方法加以讨论，最后，会讨论变压器及电磁铁等应用实例。4.1．磁路的基本概念为了更好地理解磁场的基本性质，掌握磁场的特性，我们可用下列几个在物理学中学过的基本物理量来表示，对此我们做一复习。4.1.1．磁场的基本物理量1．磁感应强度B磁感应强度是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系满足右手螺旋定则，其大小可用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中的电流和导体的有效长度的乘积的比值，来表示该点磁场的性质，并称作该点磁感应强度B。其数学式为：FBlI在SI制中，B的单位是特斯拉，简称特（T）；以前也常用电磁制单位高斯（Gs）。两者的关系是1T=104Gs如果磁场内各点磁感应强度B的大小相等，方向相同，则称为均匀磁场。在均匀磁场中，B的大小可用通过垂直于磁场方向的单位截面上的磁力线来表示。由上式可知，一载流导体在磁场中受电磁力气作用，如图3-1所示。电磁力的大小F与磁感应强度B、电流I、垂直于磁场的导体有效长度L成正比。其数学式为sinBILF（4-1）式中，为磁场与导体的夹角；B、F、I三者的方向由左手定则确定。若90，则BILF（4-2）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S乘积称为该面积的磁通，即BS（4-3）可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。在SI制中，的单位是韦伯，简称韦（Wb）；在工程上有时用电磁制单位麦克斯韦（Mx）。两者的关系是1Wb=108Mx3．磁导率μ磁导率μ是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。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即HB（4-4）直导体通电后，在周围产生磁场，在导体附近X点处的磁感应强度XB与导体中的电流I、X点所处的空间几何位置及磁介质的磁导率有关。其数学式为2XXIBHr由（3-4）可见，磁场内某一点的磁场强度H只与电流大小以及该点的几何位置有关，而与磁场媒质的磁性（）无关，就是说在一定电流值下，同一点的磁场强度不因磁场媒质的不同而有异。但磁感应强度是与磁场媒质的磁性有关的。当线圈内的媒质不同时，则磁导率不同，在同样电流下，同一点的磁感应强度的大小就不同，线圈内的磁通也就不同了。自然界的物质，就导磁性能而言，可分为铁磁物质(1r)和非铁磁物质(1r)两大类。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率0很接近，70104H/m。任意一种物质磁导率和真空的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r，即000rrHBHB（4—5）在SI制中，单位是亨/米（H/m）上式表示相对磁导率就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B与在同样电流值下在真空中该点的磁感应强度0B之比所得的倍数。4．磁场强度H磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。磁场内某点的磁场强度的大小等于该点磁感应强度除以该点的磁导率，即BH（4-6）式中，H的单位是安每米（A/m）上式是安培环路定律（或称为全电流定律）的数学表示式。它是计算磁路的基本公式。由图3-2可知，X点的磁场强度XH为rIBHXX2（4-7）由式（3-7）可知，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。4.1.2．磁性材料的磁性能1．磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金而言。这些磁性材料具有下列磁性能。1）．高导磁性磁性材料的磁导率很高，铁磁物质的磁导率比非磁物质的要高很多，如硅钢的相对磁导率可达7000之多。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。铁磁性材料的磁化曲线可否用磁感应强度B随外磁场强度H的变化关系来表征（由实验结果绘成）。如图4-1所示的HfB曲线。曲线大致可分为三个段：oa段、ab段和bc段。oa段为高导磁性材料段。正是由于铁磁材料的高导磁性，许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用小的励磁电流（与H有关）产生较大的磁场、磁通。如变压器、电机与发电机的铁心都是高导性材料制成。以降低设备的体积与重量。图4-1磁化曲线图4-2磁滞回线2）．磁饱和性在图4-1中的ab段，磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限地增强。当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时磁化磁场的磁感应强度BJ即达饱和值。OabHB－HcHBOBrHc3）．磁滞性在铁心线圈中通入交流电，铁心被交变的磁场反复磁化，在电流变化一次时，磁感应强度B随磁场强度H而变化的关系如图4-2所示，由图可见，当H已减到零值时，B并未回到零值。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性，由此画出的B-H曲线称为磁滞回线。当线圈中电流减小到零值（即H=0）时，铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失。这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br（也叫剩磁），在图4-2中即为纵坐标0-2和0-5，永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。如果要使铁心的剩磁消失，通常改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化。使B=0的H值（如图3-6中的0-3和0-6段）称为矫顽磁力HC（也叫矫顽力）。铁磁材料在反复磁化过程中产生的损耗称为磁滞损耗，它是导致铁磁性材料发热的原因之一，对电机、变压器等电气设备的运行不利。因此，常采用磁滞损耗小的铁磁性材料作他们的铁心。由实验可知，不同的铁磁性材料，其磁化曲线和磁滞回线都不一样。2．磁性物质的分类按磁化特性的不同，铁磁性材料可以分成三种类型。1）．软磁材料具有较小的矫顽力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，可做计算机的磁心，磁鼓以及录音机的磁带、磁头。2）．硬磁性材料——永磁材料具有较大的矫顽力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。3）．矩磁材料具有较小的矫顽力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金。4.1.3．磁路基本定律为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通（或磁感应强度），在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。由于铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通路径，称为磁路。1．安培环路定律（全电流定律）在磁路中，沿任意闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭合路径交链的电流的代数和。即：HdlI（4-8）计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，式中N为线圈匝数，则：HlINI2．磁路欧姆定律设一段磁路长为l，磁路面积为S的环形线圈，磁力线均匀分布于横截面上，这时B、H与之间的关系为BHSB根据安培环路定律得磁路的欧姆定律。mBHlllSHlFlRS或（4-9）上式中，FHl为磁动势，单位为安匝；SlRm称为磁路的磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量，他与磁路的几何尺寸、磁介质的磁导率有关，单位为1H。式（4-9）与电路的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路的欧姆定律。它是磁路进行分析与计算所要遵循的基本定律。因为铁磁材料的磁导率不是常数，它随励磁电流而变，所以铁磁材料的磁阻是非线性的，数值很小；空气隙的磁导率0很小，而且是常数，所以空气隙中的磁阻是线性的，数值很大。由于铁磁材料的磁阻是非线性的，因此，不能直接用（4-9）式进行定量分析，而只能进行定性分析。总结：1、磁场的基本物理量磁感应强度B：是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。它的方向由右手螺旋定则确定，其大小可用FBlI来衡量。磁通：磁场中垂直穿过某截面S的磁感线总数，即BS磁导率μ：表示物质导磁能力的物理量。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率0很接近，70104H/m。铁磁物质的磁导率很大，且不是常数。相对磁导率为0r。磁场强度H：表示励磁电流在空间产生的磁化力的矢量物理量。它与磁感应强度之间的关系为BH，这是反映磁性材料的磁化性能的基本公式。2．磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性。磁滞会产生损耗并导致铁心发热。3．磁路的基本定律安培环路定律：HdlI或HlINI，它是计算磁路的基本定律。欧姆定律：mHlFlRS，它用来对磁路作定性分析，一般不用来做定量计算。4.2．变压器变压器是根据电磁感应原理工作的一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。它的基本作用是将一种等级的交流电变换成另外一种等级的交流电。在电力和电子线路中，变压器独有广泛应用。4.2.1．变压器