磁路和鐵芯線圈電路課件

第三章磁路和鐵芯線圈電路3.1磁路和鐵磁性材料3.2磁路基本定律及其應(yīng)用3.3鐵芯線圈和電磁鐵3.4變壓器3.5汽車?yán)^電器電路分析3.6汽車點(diǎn)火線圈和傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)工作過程3.1磁路和鐵磁性材料3.1.1磁場的基本物理量3.1.2鐵磁性材料3.1.3汽車中的霍爾元件所謂磁路，就是約束在鐵芯及其氣隙所限定的范圍內(nèi)的磁通路徑。圖3-1磁路示意圖圖3-2載流導(dǎo)體受電磁力作用磁導(dǎo)率（μ）是用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。 （3-3）

（3-4）2．磁導(dǎo)率和磁場強(qiáng)度圖3-3直導(dǎo)體周圍的磁場3.1.2鐵磁性材料1．鐵磁性材料特點(diǎn)（1）磁化曲線—高導(dǎo)磁性和磁飽和性圖3-4B=f（H）磁化曲線按照鐵磁性材料磁滯回線的形狀以及在工程中的用途不同，鐵磁性材料可分為3大類，即軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。2．鐵磁性材料分類圖3-6鐵磁性材料分類霍爾電壓為（3-7）式中，KH—霍爾元件靈敏度，大小由霍爾元件的半導(dǎo)體材料及幾何尺寸決定。圖3-8（c）所示為霍爾元件的基本檢測電路，實(shí)際應(yīng)用中可以把激勵(lì)電流（I）或磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）作為輸入信號進(jìn)行檢測。圖3-8霍爾元件結(jié)構(gòu)及基本檢測電路霍爾式曲軸位置傳感器利用觸發(fā)葉片或輪齒改變通過霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度（B），從而使霍爾元件產(chǎn)生脈沖的霍爾電壓信號，經(jīng)放大整形后即為曲軸位置傳感器的輸出信號。2．霍爾元件在汽車中的應(yīng)用3.2.1磁路的歐姆定律3.2.2磁路的基爾霍夫定律3.2.3磁路定律在汽車中的應(yīng)用—磁感應(yīng)點(diǎn)火信號發(fā)生器3.2磁路基本定律及其應(yīng)用一段磁路，設(shè)長為l，磁路截面積為S，磁力線均勻分布于橫截面上，可知

經(jīng)變換，得磁通（Φ）為 （3-8）3.2.1磁路的歐姆定律式中，Um—磁路的磁位差，單位為安培（A），Um

=

Hl；Rm—磁路的磁阻，單位為1/亨（1/H），。 ∑(Hl)=∑(NI)=∑(F) （3-10）式中，NI—磁路的磁動(dòng)勢（F），單位為安培（A）；Hl—磁位差Um。2．基爾霍夫磁位差定律圖3-11基爾霍夫磁位差定律【例3-1】圖3-12所示為一無分支磁路，磁路中磁通為順時(shí)針方向，試對磁路進(jìn)行分段，并寫出該磁路的磁位差平衡式。圖3-12無分支磁路汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的作用是為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)已壓縮的可燃混合氣提供足夠能量的電火花，使發(fā)動(dòng)機(jī)能及時(shí)、迅速地燃燒做功。點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況和使用條件下，均應(yīng)保證可靠而準(zhǔn)確地點(diǎn)火。3.2.3磁路定律在汽車中的應(yīng)用—磁感應(yīng)點(diǎn)火信號發(fā)生器圖3-13磁感應(yīng)式點(diǎn)火信號發(fā)生器1—信號轉(zhuǎn)子2—永久磁鐵3—鐵芯4—磁通5—傳感線圈6—空氣隙根據(jù)基爾霍夫定律得

（3-14）3.3.1鐵芯線圈的交流電路分析圖3-16鐵芯線圈電路

式中，銅耗，它與電流的平方成正比。鐵耗包含兩部分損耗—磁滯損耗（ph）和渦流損耗（pe）。3.3.2鐵芯線圈的功率損耗 （3-18）（1）磁滯損耗鐵芯既能導(dǎo)磁，也能導(dǎo)電，因此當(dāng)磁通交變時(shí)，在鐵芯截面中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，繼而產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，稱之為渦流。渦流是電磁感應(yīng)的一種特殊形式，如圖3-17所示。（2）渦流損耗圖3-17渦流圖3-18Φ=f（i）曲線圖3-19電磁鐵的結(jié)構(gòu)1—鐵芯2—線圈3—銜鐵根據(jù)電磁鐵線圈中所通過的電流不同，可分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類。3.3.3電磁鐵1．直流電磁鐵直流電磁鐵的勵(lì)磁電流是直流。 F

=

4B02S

×

105 （3-21）Fav

=

2Bm2S

×

105 （3-22）2．交流電磁鐵由于交流電磁鐵的吸力隨時(shí)間在0與最大值之間變化，因而銜鐵要發(fā)生震動(dòng)而引起噪聲。為改善電磁鐵工作時(shí)的震動(dòng)和噪聲現(xiàn)象，可以在鐵芯的局部端面上嵌裝一個(gè)短路環(huán)，又稱分磁環(huán)，如圖3-20所示。圖3-20交流電磁鐵的短路環(huán)表3-2 直流電磁鐵和交流電磁鐵的比較電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)吸合過程吸合后吸合不好時(shí)直流電磁鐵整塊軟鋼制成，無短路環(huán)電流不變，吸力變大，磁阻變小無震動(dòng)線圈不會(huì)過熱交流電磁鐵硅鋼片疊成，有短路環(huán)吸力不變，電流變小，磁阻變小有震動(dòng)線圈會(huì)過熱，可能燒壞圖3-21所示為汽車電控燃油噴射系統(tǒng)中的噴油器，其中電磁鐵中的銜鐵與針閥是一體的，噴油器就是采用電磁鐵的電磁吸力來打開或關(guān)閉燃油計(jì)柱塞，從而控制噴油器的噴油量。圖3-21汽車電控燃油噴射系統(tǒng)中的噴油器圖3-22開關(guān)式電磁閥1—計(jì)算機(jī)2—鐵芯線圈3—銜鐵4—閥球5—泄油孔6—主油道7—控制油道3.4變壓器3.4.1單相變壓器的基本結(jié)構(gòu)3.4.2單相變壓器的工作原理3.4.3儀表用互感器3.4.4變壓器技術(shù)參數(shù)變壓器是將一種等級的交流電壓變換成頻率相同的另一種等級的交流電壓的靜止電氣設(shè)備。3.4.1單相變壓器的基本結(jié)構(gòu)圖3-23單相變壓器結(jié)構(gòu)鐵芯構(gòu)成了變壓器的磁路，使繞組之間實(shí)現(xiàn)電磁耦合。為了提高鐵芯導(dǎo)磁性能，減少鐵芯損耗，鐵芯通常采用厚度為0.35～0.5mm且表面涂有絕緣漆的硅鋼片交錯(cuò)疊裝而成。1．鐵芯繞組構(gòu)成變壓器的電路，與電源相連接的繞組稱為一次側(cè)繞組或初級繞組，與負(fù)載相連的繞組稱為二次側(cè)繞組或次級繞組。根據(jù)兩側(cè)繞組匝數(shù)的不同，也可將匝數(shù)多的稱為高壓繞組，匝數(shù)少的稱為低壓繞組。單相小容量變壓器的繞組多用高強(qiáng)度漆包線繞制。為了降低繞組和鐵芯間的絕緣要求，一般高壓繞組同心地套在低壓繞組的外面。2．繞組3.4.2單相變壓器的工作原理1．變壓器的空載運(yùn)行—電壓變換圖3-24所示為單相變壓器的空載運(yùn)行示意圖。圖中標(biāo)注了各物理量的參考方向。一次側(cè)繞組接額定電壓為UN1的交流電源，二次側(cè)繞組處于開路狀態(tài)，稱為變壓器的空載運(yùn)行。圖3-24單相變壓器的空載運(yùn)行示意圖圖3-26所示為單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行示意圖。圖中標(biāo)注了各物理量的參考方向。一次側(cè)繞組接額定電壓為UN1的交流電源，二次側(cè)繞組與負(fù)載相連接時(shí)，稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。2．變壓器的負(fù)載運(yùn)行—電流變換圖3-25變壓器繞組的同名端圖3-26單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行示意圖變壓器除了可以變換電壓、電流之外，還可以變換負(fù)載阻抗，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖3-27所示。3．變壓器的阻抗變換圖3-27變壓器的阻抗變換變壓器在傳遞能量時(shí)存在損耗，包括銅耗和鐵耗。銅耗（pCu）為一、二次側(cè)繞組電阻產(chǎn)生的損耗，大小為 （3-32）它隨負(fù)載電流的變化而變化，因此稱銅耗（pCu）為可變損耗。4．變壓器的損耗與效率圖3-28變壓器效率特性曲線3.4.3儀表用互感器1．電壓互感器圖3-29電壓互感器的外形和原理圖圖3-30電流互感器的外形和原理圖2．電流互感器3.4.4變壓器技術(shù)參數(shù)1．額定電壓（UN1、UN2）額定電壓是根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許溫升而規(guī)定的電壓值，單位為V或kV。額定電流是根據(jù)變壓器允許溫升而規(guī)定的電流值，單位為A或kA。2．額定電流（IN1、IN2）變壓器額定容量是指在額定電壓和額定電流情況下，其輸出的額定視在功率。單相變壓器為 （3-36）三相變壓器為

SN= （3-37）3．額定容量（SN）我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻頻率為50Hz，有些國家則規(guī)定為60Hz，使用時(shí)應(yīng)注意。改變使用頻率會(huì)導(dǎo)致變壓器某些電磁參數(shù)（如磁通等）發(fā)生變化，影響其正常工作。4．額定頻率（f）【例3-2】有一臺(tái)單相變壓器，SN

=

10kVA，UN1/UN2

=

380V/220V。（1）若在二次側(cè)接上40W，220V的白熾燈最多可接多少盞？試計(jì)算此時(shí)變壓器一次側(cè)、二次側(cè)工作電流。（2）若在二次側(cè)接上cos

=

0.46，UN

=

220V，PN

=

40W的日光燈（設(shè)每燈含有鎮(zhèn)流器的功耗7W），問最多可接多少盞？3.5.1汽車電路的特點(diǎn)3.5.2繼電器3.5.3汽車?yán)^電器電路分析3.5汽車?yán)^電器電路分析3.5.1汽車電路的特點(diǎn)1．直流低壓汽車中電源有兩類，一類是蓄電池，另一類是交流發(fā)電機(jī)及其整流電路，它們都是直流低壓電源。蓄電池正極線直接與各用電設(shè)備連接，蓄電池負(fù)極線直接搭在車架金屬機(jī)件上，這種負(fù)極線與車體相連接的方式就稱為搭鐵，也稱為接地或接鐵。2．負(fù)極搭鐵圖3-32汽車電電路特點(diǎn)分析（制動(dòng)燈監(jiān)視電路）1—熔斷器2—制動(dòng)踏板3—制動(dòng)燈開關(guān)4—干簧管繼電器5—監(jiān)視指示燈6—制動(dòng)燈電源到用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線連接，用電設(shè)備的另一端也就近搭鐵。3．單線并聯(lián)3.5.2繼電器1．電磁式繼電器電磁式繼電器通常用來傳遞信號和同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來控制電氣執(zhí)行元件。蓄電池正極線直接與各用電設(shè)備連接，蓄電池負(fù)極線直接搭在車架金屬機(jī)件上，這種負(fù)極線與車體相連接的方式就稱為搭鐵，也稱為接地或接鐵。2．負(fù)極搭鐵圖3-33常用電磁式繼電器的圖形符號圖3-34幾種常見插接式繼電器的外形示意圖在圖3-35（c）中繼電器線圈得電，動(dòng)合觸點(diǎn)（87-88a）閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)（87-87a）斷開。圖3-32（b）、（d）中的二極管和電阻都是起保護(hù)繼電器作用。圖3-35幾種常見插接繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及插座插腳布置圖圖3-36干簧式繼電器外形、圖形符號及工作原理3.5.3汽車?yán)^電器電路分析1．揚(yáng)聲器繼電器電路圖3-37汽車揚(yáng)聲器繼電器電路1—觸點(diǎn)臂2—線圈3—按鈕4—觸點(diǎn)5—支架6—揚(yáng)聲器7—蓄電池圖3-38單線圈式蓄電池繼電器結(jié)構(gòu)示意圖1—回位彈簧2—?jiǎng)佑|點(diǎn)3—靜觸點(diǎn)4—?jiǎng)?lì)磁線圈5—?jiǎng)予F芯6—靜鐵芯2．蓄電池繼電器電路電磁式電源總開關(guān)亦稱蓄電池繼電器。其結(jié)構(gòu)有單線圈式和雙線圈式兩種。圖3-39單線圈式蓄電池繼電器控制電路1—主觸點(diǎn)2—單線圈式電源開關(guān)3—蓄電池4—開關(guān)5—線圈圖3-40雙線圈式蓄電池繼電器結(jié)構(gòu)示意圖1—彈簧2—切換撥片3—?jiǎng)佑|點(diǎn)4—?jiǎng)訑嘤|點(diǎn)5—靜觸點(diǎn)6—吸拉線圈7—保位線圈8—?jiǎng)予F芯9—靜鐵芯圖3-41雙線圈式蓄電池繼電器控制電路1—主觸點(diǎn)2—續(xù)流二極管3—蓄電池4—開關(guān)5—吸拉線圈6—?jiǎng)訑嘤|點(diǎn)7—保位線圈3.6汽車點(diǎn)火線圈和傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)工作過程3.6.1點(diǎn)火線圈3.6.2傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)3.6.1點(diǎn)火線圈1．點(diǎn)火線圈的分類點(diǎn)火線圈按冷卻方式不同分為瀝青式、油浸式和氣冷式；按有無附加電阻可分為帶附加電阻型和不帶附加電阻型；按接線柱的多少可分為兩接柱式和三接柱式；按鐵芯形狀不同可分為開磁路式和閉磁路式；按功能差異可分為普通型和高能型。點(diǎn)火線圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-47所示，主要由鐵芯、一次側(cè)與二次側(cè)繞組、殼體及附加電阻等組成。2．傳統(tǒng)點(diǎn)火線圈—開磁路點(diǎn)火線圈圖3-47點(diǎn)火線圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—絕緣座2—鐵芯3—二次側(cè)繞組4—一次側(cè)繞組5—導(dǎo)磁鋼套6—外殼7—接線柱（接斷路器）8—膠木蓋9—高壓線接頭10—接線柱（接附加電阻及短路開關(guān)）11—接線柱（接電源、附加電阻及短路開關(guān)）12—附加電阻圖3-48開磁路點(diǎn)火線圈的磁路1—磁力線2—鐵芯3—一次側(cè)繞組4—二次側(cè)繞組5—導(dǎo)磁鋼片3．閉磁路點(diǎn)火線圈圖3-49閉磁路點(diǎn)火線圈1—鐵芯2—一次側(cè)繞組接線柱3—二次側(cè)繞組接線柱4—一次側(cè)繞組5—二次側(cè)繞組6—空氣隙圖3-50兩種點(diǎn)火線圈變換效率的比較1—開磁路線圈2—閉磁路線圈點(diǎn)火線圈規(guī)格Rt/L1/mHR2/kL2/H開磁路線圈1.46.110.255閉磁路線圈1.46.56.66.43.6.2傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)1．傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的基本組成傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)組成示意圖如圖3-51所示，主要由電源、點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)火線圈、分電器（包括配電器和斷電器）、火花塞等組成。圖3-51傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)組成示意圖1—點(diǎn)火開關(guān)2—電流表3—蓄電池4—起動(dòng)機(jī)5—高壓導(dǎo)線6—阻尼電阻7—火花塞8—斷電器9—電容器10—點(diǎn)火線圈11—附加電阻12—配電器（1）電源電源為蓄電池和發(fā)電機(jī)，供給點(diǎn)火系統(tǒng)所需電能，一般電壓為12V。（2）點(diǎn)火開關(guān)點(diǎn)火開關(guān)的作用是接通或斷開點(diǎn)火系統(tǒng)一次側(cè)電路。（3）點(diǎn)火線圈

點(diǎn)火線圈就是一個(gè)升壓變壓器。（4）分電器分電器包括配電器和斷電器，作用是接通和切斷低壓電路，使點(diǎn)火線圈及時(shí)產(chǎn)生高壓電，按發(fā)動(dòng)機(jī)各汽缸的點(diǎn)火順序送至火花塞。（5）電容器電容器與斷路器觸點(diǎn)并聯(lián)，用來減小斷路器觸點(diǎn)斷開時(shí)的火花，延長觸點(diǎn)的使用壽命，提高點(diǎn)火線圈的高電壓。傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的。它把蓄電池或發(fā)電機(jī)的12V低壓電轉(zhuǎn)變?yōu)?5～20kV的高壓電，同時(shí)按一定規(guī)律送入各缸火花塞，經(jīng)過火花塞電極間火花放電點(diǎn)燃混合氣。2．傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理（1）斷電器觸點(diǎn)閉合，一次側(cè)繞組電流按指數(shù)規(guī)律增長圖3-52傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作過程（2）斷電器觸點(diǎn)打開，二次側(cè)繞組產(chǎn)生高電壓圖3-53傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)工作過程波形圖（3）火花塞電極間火花放電習(xí)題1．鐵磁性材料有哪些特點(diǎn)？2．什么是鐵磁性材料的磁滯性？它是如何形成的？3．簡述磁路的歐姆定律，其中磁路磁阻與哪些參數(shù)有關(guān)。4．簡述磁路的基爾霍夫定律。5．為什么交流鐵芯線圈在超過它的額定電壓并不多的情況下工作時(shí)，線圈往往就燒壞了？6．直流電磁鐵與交流電磁鐵有什么不同？試比較。7．為什么變壓器的鐵芯要用硅鋼片疊成？能否采用整塊的鐵芯？為什么？8．額定電壓為220V/110V的單相變壓器，如果不慎將低壓端接到220V電源上行不行？后果怎樣？空載電流有何變化？9．有一單相安全變壓器，一、二次側(cè)的額定電壓為220V/36V，額定容量為2kVA，求：（1）一、二次側(cè)的額定電流；（2）當(dāng)一次側(cè)加額定電壓后，一、二次側(cè)繞組中是否在任何負(fù)載下電流為額定值；（3）如果在二次側(cè)接36V、100W的白熾燈20盞，求此時(shí)一次側(cè)的電流；若電燈減少至2盞時(shí)，再求一次側(cè)電流；在上述兩種情況下所算得的一次側(cè)電流哪一種情況比較準(zhǔn)確，為什么？自測題一、填空題1．無分支磁路的線圈接于直流電源上，如果將磁路氣隙增大（指長度增加），則磁通將會(huì)減小。 （）2．一段材料的磁阻與它的磁導(dǎo)率成正比。 （）3．空氣隙的磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同樣長度、同樣截面的鐵磁性材料的磁阻。 （）4．交流鐵芯線圈，已工作在接近磁化曲線的飽和段，如將電壓提高一倍，則電流將會(huì)大大增加（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一倍）。 （）5．變壓器只能用于直流電源供電的電路。 （）6．從空載到負(fù)載運(yùn)行過程中，變壓器主磁通基本不變。 （）7．對于一臺(tái)已經(jīng)制造好的變壓器，其同名端是客觀存在的，與測試方法無關(guān)。但在確定同名端以后，其聯(lián)結(jié)組別卻隨人為標(biāo)定而定。 （）8．變壓器在額定運(yùn)行時(shí)效率最高。（）9．變壓器用改變直流電的電壓等級來傳遞直流電能。 （）10．電流互感器實(shí)際工作情況相當(dāng)于空載運(yùn)行的升壓變壓器。 （）1．降壓變壓器的變壓比

1，升壓變壓器的變壓比

1。（填“大于”、“小于”、“等于”）2．變壓器的鐵芯，按其結(jié)構(gòu)形式分為

和

兩種。為了減少

，變壓器的鐵芯一般采用0.35～0.5mm厚的

疊裝而成的。3．一臺(tái)變壓器的變壓比1∶15，當(dāng)它的一次側(cè)繞組接到220V的交流電源上時(shí)，二次側(cè)繞組輸出的電壓是

。二、填空題4．描述磁場的4個(gè)物理量分別為

、

、

以及

。5．鐵磁性材料具有

性、

性和

性。6．變壓器主要有兩種損耗：可變損耗：

和不變損耗：

。7．磁路分段的原則是：

。1．變壓器的基本工作原理是（）。A．電磁感應(yīng) B．電流的磁效應(yīng)C．能量平衡 D．電流的熱效應(yīng)2．變壓器運(yùn)行時(shí)，在電源電壓一定的情況下，當(dāng)負(fù)載阻抗增加時(shí)，主磁通如何變化（）。A．增加 B．基本不變 C．減小三、選擇題3．有一臺(tái)380V/36V的變壓器，在使用時(shí)不慎將高壓側(cè)和低壓側(cè)互相接錯(cuò)，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)加上380V電源后，將發(fā)生什么現(xiàn)象？（）A．高壓側(cè)有380V的電壓輸出B．高壓側(cè)沒有電壓輸出，繞組嚴(yán)重過熱C．高壓側(cè)有高壓輸出，繞組嚴(yán)重過熱D．高壓側(cè)有高壓輸出，