汽车电工与电子技术基础第3版

第三章电磁学基础3.2线圈电路分析3.5汽车点火线圈3.1磁路及其基本定律3.3电磁铁3.4变压器汽车电工与电子技术基础第3版书名：汽车电工与电子技术基础第3版书号：978-7-111-54521-7作者：冯渊出版社：机械工业出版社本章要点：1.四个基本物理量，磁路欧姆定律和磁路的基尔霍夫定律。2.铁磁性材料特性及其应用,含铁心线圈交流电路的分析。3.电磁铁的工作特性以及在汽车中的应用。4.变压器的基本结构及其基本工作原理。5.汽车点火线圈的结构。第三章电磁学基础一、电磁学的基本物理量表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。大小:方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。lIFB单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。3.1磁路及其基本定律1、磁感应强度B2、磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s3、磁导率μ磁导率μ来表示物质的导磁性能。μ的单位是H/m(亨/米）。注意真空的磁导率为常数，用0表示，有：H/m10π470相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。0r不同的介质，磁导率µ也不同。磁导率值大的材料，导磁性能好。磁导率与真空磁导率近似相等，即r≈1。如空气、木材、纸、铝等。注意铁磁性物质的磁导率µ是个变量，它随磁场的强弱而变化。材料分类：非铁磁性材料铁磁性材料磁导率远远大于真空磁导率，即r1，可达到几百到上万。材料如铁、钴、镍及其合金等。所以电器设备如变压器、电机都将绕组套装在铁磁性材料制成的铁心上。4、磁场强度磁场强度H：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。BH磁场强度H的单位：安培/米（A/m)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。H和B同为矢量。H的方向就是该点B的方向。在后面学到的磁路问题中，常常用到磁场强度这个物理量。二、磁路及其基本定律1.磁路的概念在电机、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。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路磁路：主磁通所经过的闭合路径。1u2uis线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。sΦΦ：主磁通：漏磁通线圈铁心变压器的磁路一个闭合磁路通常是由几段截面积S不同或者材料不同(磁导率μ不同，比如空气隙与铁磁材料)的磁路构成，因此要分析磁路，就必须首先对磁路进行分段处理。磁路分段原则：截面积S与材料相同的磁路分为一段解：根据材料、截面积不同磁路分为三段：1）第一段：截面积为S1、铁磁材料；2）第二段：截面积为S2（S1≠S2）、材料与第一段同；3）第三段：截面积为S2，材料为非铁磁材料——空气隙。例3-1试对磁路进行分段。2.磁路的基尔霍夫第一定律对于有分支磁路，其分支汇集处称为磁路的节点，磁路的任意节点所连接的各分支磁路的代数和等于零。003211I1N132N2I2即：HLNI在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁位差。NI：称为磁动势。一般用F表示。F=NI3.磁路的基尔霍夫第二定律HLNI总磁动势在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁位差之和。00lHIHNI例：INl0l对于均匀磁路LSLBHLNI磁路中的欧姆定律4.磁路的欧姆定律则：mRLSNIFINSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。SLRm令：Rm称为磁阻l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积；为磁导率。磁通势磁路和电路对照表（一）磁路电路磁通ΦINΦI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIR+_EU欧姆定律mmUR磁阻SlRm基尔霍夫定律HLNI0磁路INΦ欧姆定律电阻基尔霍夫定律0ISUIRUIRrSlR磁路与电路对照表(二)电路R+_USI3.2线圈电路分析1、高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。一、铁磁性材料特点B＝f（H）磁化曲线许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用较小的励磁电流（与H有关）产生较大的磁场。比如变压器的一、二次绕组就绕制在由铁磁性材料构成的铁心上。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。B＝f（H）磁化曲线2、磁饱和性在ab段，B增加就变缓慢，铁心开始进入饱和状态，这段称为磁化曲线的膝部。电机等铁心的磁感应强度B多数选择在这个部位。b点称饱和点，一般为0.8-1.8T。在bc段，B随H增加得极少，这时铁磁物质处于饱和状态。Oa段：B与H几乎成正比地增加•磁导率不是常数。•铁磁材料未饱和时磁导率µ大。•越趋于饱和，磁导率µ越小。3、磁滞性磁滞回线：磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条闭合曲线。磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)矫顽磁力Hc磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。(a)软磁材料(b)硬磁材料(c)矩磁材料各类材料的磁滞回线2.铁磁性材料分类软磁材料硬磁材料矩磁材料(1)软磁材料磁导率µ高，磁滞回线狭窄、面积小，磁滞损耗小。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、坡莫合金即铁氧体等。(2)硬磁材料磁滞回线较宽，面积大，磁滞损耗大。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。二、含有线圈的交流电路1.电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。tiLσdd线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ与i不是线性关系。+––+–+eeuNieeRiuσ式中：R是线圈导线的电阻L是漏磁电感)(ddetiLRiσddeNtu≈-e由于铁心线圈的电阻R与铁心的漏磁电动势数值很小，忽略不计，得：设主磁通则t,sinmddeNt)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEEEU恒磁通公式当u是正弦电压时：mfNEU44.4mfNEU44.4（2）在交流铁心线圈电路中，主磁通φ的大小与磁路无关。根据磁路欧姆定律，磁通φ不变，磁路的变化（如气隙大小）直接影响的是励磁电流的大小。（1）在交流铁心线圈电路中，当频率f、匝数N一定时，主磁通φ正比与电源电压U；当电源电压U一定时，主磁通φ基本保持恒定。电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成。铁心衔铁衔铁有时是机械零件、工件充当衔铁FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心3.3电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。直流电磁铁：用直流电源励磁交流电磁铁：用交流电源励磁一、直流电磁铁1．直流电磁铁的吸力F=4B02S×105式中B0为空气隙磁感应强度（Wb/m2）；S为空气隙磁场截面积（m2）；F为电磁铁的吸力（N）。2.直流电磁铁特点（1）线圈中的直流励磁电流只取决于电源电压和线圈电阻，是不变的。（2）直流电磁铁在衔铁吸合过程中气隙是逐渐变小的，磁路中磁阻也逐渐变小。二、交流电磁铁4.44mUfN1．交流电磁铁的吸力Fav=2Bm2S×1052．短路环（1）在衔铁吸合过程中,吸力F的大小基本不变。（2）励磁电流在吸合前后将有很大的变化。吸力随时间在零与最大值间变化，衔铁要发生振动而引起噪声。闭合短路铜环可以有效地消除这种噪声。（1）在衔铁吸合过程中,吸力F的大小基本不变。（2）励磁电流在吸合前后将有很大的变化。3．交流电磁铁特点由实验可知，U形交流电磁铁衔铁打开时的励磁电流是吸合后的10-15倍。而线圈的允许电流值是按衔铁吸合后的电流值设计的。所以如果线圈得电而衔铁由于种种原因不能吸合或频繁操作时，线圈易过热甚至烧坏，这也是交流电磁铁比直流电磁铁容易烧坏的原因之一。内容直流电磁铁交流电磁铁铁心结构整块软钢制成，无短路环硅钢片叠成，有短路环吸合过程电流不变，吸力由小变大吸力不变，电流由大变减小吸合后无振动有振动吸合不好时线圈不会过热线圈会过热，可能烧坏直、交流电磁铁的比较三、电磁铁在汽车中的应用汽车电控燃油喷射系统中的喷油器3.4变压器变压器的主要功能有：变电压（电力系统）变电流（电流互感器）变阻抗（电子线路中的阻抗匹配）变压器的主要用途:经济地输电合理地配电安全地用电变压器利用电磁感应原理，将一种交流电转变为另一种或几种频率相同、大小不同的交流电。例：电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…实验室380/220V降压变电站10kV降压降压变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式心式变压器符号变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组1u2uLZ1i2iΦ+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心一、单相变压器基本结构二、变压器的工作原理1u2uLZ1i2iΦ+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。1.空载运行情况0i02i1u+–20u+–2e+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNei0(i0N1)1dd011tiLeσσtΦNedd22空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。1m144.4NfE有效值:2m244.4NfE(1)一次、二次侧主磁通感应电动势由于电阻R1和感抗X1(或漏磁通)较小,则11144.4NfΦEUm2m22022N4.44fΦEUU,0I变压器空载时:KNNEEUU2121201（匝比）K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2.负载运行1u+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNe1dd111tiLeσσtΦNedd22i1(i1N1)i1i2(i2N2)2负载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Zdd2tiLeσ2σ2有载运行2222ZUIZ1m11444Nf.EU可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有由上式，若U1、f不变，则m基本不变，近于常数。空载：m10Ni有载：m2211NiNi+–|Z|2i1u2e1iΦ1e1N2N+–+–+–2u一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。2211NiNi所以或2211NINI2211NINI所以KNNII11221结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：221011NiNiNi1.提供产生