汽车电工电子技术基础第4章

第4章电磁学的应用汽车工程学院•知识目标1.掌握磁场、磁路的基本概念2.掌握变压器结构和工作原理3.了解汽车继电器的典型应用能力目标1.能够进行磁路分析2.能够分辨直流电磁铁、交流电磁铁电磁学的应用一、电磁基础知识二、电磁感应三、变压器四、电磁铁五、继电器历史人物法拉第——电学之父迈克尔·法拉第(MichaelFaraday,1791—1867年)是19世紀电磁学领域中最伟大的实验物理电家。由于家境贫苦，他只在7岁到9岁读过两年小学。法拉第的贡献之一是提出了场的概念。他反对超距作用的说法，设想带电体、磁体周围空间存在一种物质，起到传递电、磁力的作用，他把这种物资称为电场、磁场．1852年，他引入了电力线(即电场线)、磁力线(即磁感线)的概念，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线形状。场的概念和力线的模型，对当时的传统观念是一个重大的突破。为了纪念他，用他的名字命名电容的单位——法拉。一、电磁基础知识1、电流的磁场磁石吸铁的性质叫做磁性，具有磁性的材料被称为磁性材料，通常所说的磁铁就是一种具有磁性的材料。一切磁现象都源于电流，永久磁铁磁性的起源于分子环流。组成一切物质的分子是一个个的小环形电流，物质被磁化后，分子环流规则排列，从而对外产生磁场。磁场方向规定为小磁针的N极在磁场中任一点所指的方向为该点的磁场方向。在研究磁场时，引入磁力线来形象地描绘磁场分布，磁力线在任一点的切线方向为该点的磁场方向。磁现象本质磁性物质的磁化1）磁感应强度B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。磁感应强度与产生它的电流之间的方向关系满足右螺旋法则。若磁场强度方向与大小相同，称为均匀磁场在国际单位制中，磁感应强度的单位是T(特斯拉)，1T=1Wb/m2。在工程计算中，采用G(高斯)作为磁感应强度的单位，1G=10-4T。2、磁场的基本概念lIFBlIBF或磁感应强度的数学式为2）磁通在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该截面的磁通Ф，又称为磁通密度。BSΦSΦB或磁通的单位是韦伯，简称韦，用字母Wb表示。3）磁导率μ磁导率μ是用来表征物质导磁能力的物理量，它的单位是H/m（亨/米）。实验测出，真空（或空气）的磁导率是一个常数，为7010π40rH/m其他物质的磁导率μ与真空的磁导率μ0的比值，称为该物质的相对磁导率μr，即若某物质μr≥1，称为顺磁物质，如空气，μr=1.000003；若其μr≤1，则称逆磁物质，如铜，μr=0.999995。有些物质的μr非常大，我们将μr1的物质称为铁磁材料，如铸钢（μr≈13000），铁、钴、镍及其合金等，μr均非常大且不为常数。而将μr≤1的物质称为非铁磁物质，且μr为常数。铁磁物质的导磁性能很好，在线圈内加上较小的电流便可产生很强的磁场。常用来作变压器、电动机等设备的激励线圈铁心。4）磁场强度H由于磁感应强度与处在磁场中物质的磁导率有关，且铁磁物质的磁导率又不是常数，为了方便对磁场强度的分析和计算，引入了一个描述磁场强弱和方向的辅助量磁场强度H。定义它为磁场中某点的磁感应强度与磁导率之比：BHH与材料的磁导率无关，仅与产生磁场的电流有关。3、磁路u+-ΦбNiΦ0图5-1主磁通漏磁通在线圈中通入电流，线圈的周围便产生磁场，磁场的分布常用一些闭合线（磁力线）来描述，磁力线所经过的路径称为磁路。为了获得更强的磁场，常将线圈绕在一定形状的铁心上①由于铁心比空气导磁性能更好，这样电流形成的磁力线（磁通）大部分通过铁心而闭合，形成了主磁路，铁心内的磁通称为主磁通Φ0。②另一少部分磁力线（磁通）经过空气而闭合形成了次磁路，经空气与线圈交链的磁通称为漏磁通Φσ，在实际应用中，由于漏磁通很少，有时为了便于分析问题，可将其忽略不计。③用于产生磁通的电流称为励磁电流，流过励磁电流的线圈称为励磁线圈。由直流电流励磁的磁路称为直流磁路，由交流电流励磁的磁路称为交流磁路。说明：u+-ΦбNiΦ0图5-1主磁通漏磁通磁路和电路具有相似之处,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磁动势：Fm=NI式中Fm——磁动式，安培（A）N——线圈匝数I——通过线圈的电流。mmRF电路中有电阻,磁路中亦有磁阻。它是磁通通过磁路时受Rm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。一般说来对于铁磁性材料来说磁导率磁通和磁动式磁阻之间的关系为：不是常数，所以Rm不是常数所以上述公式只能用来定性分析，不能用于磁路计算。二、电磁感应电流可以产生磁场,那么反过来,磁场是否能产生电流呢?英国物理学家法拉第于1831年发现磁在一定条件下能使导体产生电流，这一类电磁现象称为电磁感应。这一发现不仅深刻地揭示了电和磁之间的内在联系,进一步推动了电磁理论的发展,而且在生产技术上具有划时代的意义。根据电磁感应原理,入们设计并制造了发电机、感应电动机和变压器等电力设备。引言1、直导体中的感应电动势1）感应电动势的方向作切割磁力线运动的导体,其产生感应电动势的方向可用右手定则来确定:平伸右手,拇指与四指垂直,让磁感线垂直穿过手心,拇指指向运动方向,四指所指方向就是感应电动势的方向(或是感应电流方向)。需要注意的是：判断感应电动势方向时要把导体看成一个电源，在导体内部,感应电动势方向由负极指向正极。感应电流方向与感应电动势方向相同。当直导体没有形成闭合回路时,导体中只产生感应电动势,不产生感应电流。2）感应电动势的大小的正弦值成正比,即实验证明:在均匀磁场中,作切割磁力线运动的直导体,其感应电动势e的大小与磁感应强度B、导体的有效长度l、导体的运动速度v以及导体运动方向与磁感线方向之间夹角e=Blvsina例受外力作用的直导体AB,在匀强磁场中以v=20m/s的速度做匀速直线运动。设B=1T,导体有效长度l=0.5m,导体电阻R0=1Ω,负载电阻R=9Ω。试求导体AB中的感应电动势e和电流I。解:用右手定则确定的电动势e的方向为由下指向上。其大小为V1090sin205.01Blvsine电流方向与e相同,大小为：1A9110RReI2、线圈中的感应电动势1）感应电动势的方向线圈中的磁通量发生变化时,线圈就会产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律来判定楞次定律2）感应电动势的大小法拉第通过大量实验总结出:线圈中感应电动势的大小与线圈磁通dtd和线圈匝数N成正比。通常把这个规律叫法拉第电磁感应定律,其数学表达式为：量的变化率dtdNe3、自感1）自感现象由通入线圈的电流变化而产生感应电动势的现象叫自感现象,由自感现象产生的感应电动势叫自感电动势。显然,自感现象属于电磁感应现象。2）自感系数自感系数是用来描述线圈产生自感磁通能力的物理量。定义线圈中的磁通量与产生该磁通的电流的比值叫自感系数,又叫电感,用符号L表示,单位是亨利（H）。即iL由上式看出,电感表示线圈通过外电流所产生的自感磁通。电感越大,表示线圈产生自感磁通的能力越大。电感的大小与线圈的匝数、形状、大小及周围介质的磁导率有关。对给定的空心线圈,电感是常数,即不随线圈中电流变化而变化,故称线性电感。铁心线圈由于铁磁材料的磁导率不是常数,所以它的电感随外电流的变化而变化,故称非线性电感。在其他条件相同的情况下,线圈匝数越多,电感越大；有铁心的电感比空心线圈的电感大很多。3）自感电动势自感电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求得,即dtdeLdiddtdiLe即自感电动势的大小与线圈的电感及线圈中外电流的变化率成正比。负号表示自感电动势的方向总是企图阻碍外电流的变化。4、互感互感现象是指一个线圈中的电流变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象。互感现象产生的电动势叫互感电动势,也用符号e表示。dtdNe1111dtdNe1222那么正弦交流电在交流铁芯中，电源电压u-e1tsinm）（）（）（2tsinU2tsinfN2tcosNtsindtdNdtdNummmmSfNB44.4fN44.42fN22UUmmmm磁通则电源电压的有效值为此公式是交流发电机设置电压调节器的理论依据。电磁感应作用在导体内部感生的电流，电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁的分布而不同，其路径往往有如水中的漩涡，因此称为涡流。涡流的产生：把块装金属置于随时间变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强，这会造成很大的危害，所以要设法尽量避免。5、涡流现象三、变压器变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。用硅钢片叠压成的变压器铁芯与电源相接的是一次侧绕组,与负载相接的是二次侧绕组。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘它的基本结构形式有两种：芯式和壳式1、变压器的工作原理1）变压器的空载运行与变换电压原理交变的磁通穿过N1和N2时,分别在两个线圈中感应电压m2m1201fN44.44.44fNUUkNN21U14.44fN1Φm4.44fN2Φm=U20式中,k称为变压比,简称变比,显然,改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1为降压器；k1时为升压器。2）变压器的有载运行与变换电流原理221011)(NiNiNii0N1为负载开路时原绕组的磁通势，一般情况下，空载电流很小，容易满足i0i1，所以：111011)(NiNiNi变压器负载运行时,一次侧电流由i0变为i1，二次侧产生负载电流,而电压u20相应变为u2由上式得k1N2NII112变压器在能量传递过程中损耗很小，因此一次侧和二次侧的容量近似相等，有2211UIUI这是一个能量的传递过程，能量传递过程中，变压器在变换电压的同时也变换了电流。3）变压器的阻抗变换作用LZ1Z设变压器二次侧所接负载为,一次侧等效输入阻抗为,则有|ZL|=U2/I2|Z1|=U1/I1|Z1|=U1/I1=kU2/(I2/k)=k2U2/I2=k2|ZL|式中k2称为负载阻抗折算到一次侧时的变换系数。此式告诉我们:只要改变变压器的匝数比,即可获得合适的二次侧对一次侧的反射阻抗①工作频率f：变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用,这种频率称工作频率，单位Hz。中国国家标准频率f为50Hz。②额定电压（kV）：变压器长时间运行时原、副绕组所能承受的工作电压U1N，U2N。在变压器的铭牌上，它通常以“U1N/U2N”的形式表示原、副绕组的额定电压之比③额定电流(A):变压器的额定电流I1N和I2N是指变压器在长时连续工作运行时原、副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，在三相变压器中均代表线电流。2、变压器的主要参数3、汽车上使用的变压器•点火系统的基本功能是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。点火系统的类型发动机点火系统，按其组成和产生高压电方式的不同可分为传统蓄电池点火系统、电子点火系统、微机控制点火系统和磁电机点火系统。１）传统蓄电池点火系统：以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈和断电器的作用，将电源提供的12V或24V的低压直流电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。２）电子点火系统：以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈和由半导体器件(晶体三极管)组成的点火控制器将电源提供的低压电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。与传统蓄电池点火系统相比具有点火可靠、使用方便等优点３）微机控制点火系统：与上述两种点火系统的功能相同，也以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈将电源的低压电转变为高压电，再由分电器将高压电分配到各缸火花塞，或采用多点火线圈方式，取消高压分电