《磁与电磁感应》PPT课件.ppt

能力目标1.能用电磁学基本原理解释电流磁效应、电磁力现象及自感与互感；2.能解释点火线圈的工作原理。知识目标1.能理解磁场的四个基本物理量；2.了解基本电磁现象；3.掌握磁路的基本定律；4.掌握点火线圈的基本工作原理。,第三章 磁与电磁感应,第三章 磁与电磁感应,碳罐电磁阀,起动机,发电机,点火线圈,磁是物质运动的基本形式之一。物体能吸引铁、镍、钴等金属或它们合金的性质叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体上磁性最强的部位叫磁极。任何磁体都有两个磁极，而且无论怎样把磁体分割，磁体总保持两个磁极，通常以S表示磁体的南极（常涂红色），以N表示磁体的北极（常涂绿色或白色）。磁极间的相互作用力叫磁力，磁极间相互作用的规律是：同性相斥，异性相吸，如图3-1-1所示。原来没有磁性的铁磁物质，放在磁铁旁边会获得磁性，这一现象叫磁化。被磁化的铁磁物质远离磁铁后仍保留一定的磁性，叫剩磁。磁体周围存在磁力作用的空间，当另一磁体或通电导体置入该空间时，就要受到磁力的作用，人们通常把这个磁力空间叫磁场。磁场具有力和能的性质，因而它是一种物质。但它又与其他物质不一样，它没有构成物质的分子或原子。所以，磁场是存在于磁体周围空间的一种特殊物质。,第一节 磁场的基本概念及物理量,1磁、磁场与磁感线的概念,磁场力和能的性质可以通过磁场方向和强弱表示出来。一般情况下，磁场各处的强弱和方向都是不同的。为了形象地表示磁场在空间各点的强弱和方向，人们根据铁屑在磁体周围磁场的作用下有规则地排列的启示图3-1-2（a），想像出磁感线。所谓磁感线，就是一条条从磁体北极沿磁体周围空间到磁体南极，然后再通过磁体内部回到北极的闭合曲线。曲线上每一点的切线方向（即小磁针N极在该点的指向）就表示该点的磁场方向，曲线在某处的疏密程度（单位面积内的磁感线条数）就表示该处的磁场强弱，如图3-1-2（b）所示。,a)b)c)图3-1 磁力线a)磁铁的磁力线 b)同极性磁极相互排斥 c)异极性磁极相互吸引,如空气、木材、纸、铝等。,注意,铁磁性物质的磁导率是个变量，它随磁场的强弱而变化。,非磁性材料,铁磁性材料,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。,磁阻，是一个与电路中的电阻类似的概念。电流总是沿着电阻最小的路径前进；磁通量总是沿着磁阻最小的路径前进。磁阻与电阻一样，都是一个标量。空气和真空的磁阻较大，而容易磁化的物质，例如软铁，则磁阻较低。,图3-2 低磁阻物质对磁力线的影响,第一节 磁场的基本概念及物理量,一、磁感应强度,磁感应强度 B 是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量。它是矢量。磁场对电流(或运动电荷)有作用，而电流(或运动电荷)也将产生磁场。,第一节 磁场的基本概念及物理量,第一节 磁场的基本概念及物理量,磁感应强度 B 的大小及方向：,电流强度为 I 长度为 l 的电流元，在磁场中将受到磁力的作用。实验发现，力的大小不仅与电流元 Il 的大小有关，还与其方向有关。,当 l 的方向与 B 的方向垂直时电流元受力为最大 F=F max，此时规定，磁场的大小,B 的单位为特斯拉(T),第一节 磁场的基本概念及物理量,a）b)图3-3 带电导体在磁场中的受力a）导体受到的作用力 b)左手定则,第一节 磁场的基本概念及物理量,当然，对磁感应强度的定义也可从运动电荷的角度进行定义。,如洛仑兹力公式所表示,二.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=B S 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=1Vs,。,第一节 磁场的基本概念及物理量,用磁力线描述磁场，磁力线密度就反映磁场的大小。通过某一面积的磁力线总数应表示通过该面积的磁通的大小。由于磁通的连续性，磁力线是闭合的空间曲线。,磁通的单位是韦伯(Wb)，在工程中常用电磁制单位麦克斯韦(Mx)，两者关系为,根据电磁感应公式,磁通的单位为伏秒(Vs)，由此，磁感应强度的单位也可表示为韦伯每平方米(Wb/m2)。,物质的磁性,1.非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：,所以磁通 与产生此磁通的电流 I 成正比，呈线性关系。,当磁场媒质是非磁性材料时，有：,即 B与 H 成正比，呈线性关系。,由于,0 r 1,B=0 H,(),(I),2.磁性物质,磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,磁畴,外磁场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁畴,磁性材料的磁性能,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 2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。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。,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料一般用来制造电机、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)永磁材料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。,3.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,磁场强度H的单位：安培/米（A/m),真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,三.磁导率,磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。,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。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,第一节 磁场的基本概念及物理量,相对磁导率：,上式说明，在同样电流的情况下，磁场空间某点的磁感应强度与该点媒质的磁导率有关，若媒质的磁导率为，则磁感应强度 B 将是真空中磁感应强度的r倍。,自然界的所有物质可根据磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料两大类。,非磁性材料的相对磁导率为常数且接近于1；磁性材料的相对磁导率则很大。,第一节 磁场的基本概念及物理量,四、磁场强度,磁场强度 H 是计算磁场时常用的物理量，也是矢量。它与磁感应强度矢量的关系为,安培环路定律,上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分；右侧是穿过由闭合回线所围面积的电流的代数和。电流的符号规定为：闭合回线的围绕方向与电流成右旋系时为正，反之为负。,第一节 磁场的基本概念及物理量,以环形线圈为例，计算线圈内的磁场强度。,线圈内为均匀媒质，取磁力线作为闭合回线，且以磁场强度的方向为回线的绕行方向。于是,其中N 为线圈的匝数；Hx 是半径为 x 处的磁场强度。,乘积 I N 是产生磁通的原因，称为磁动势，用F 表示。,第二节 电流的磁效应,图3-4 直线载流导体周围磁场 图3-5 螺旋载流导体周围磁场,磁路的分析方法,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，磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,第三节 磁路的基本定律,磁路：磁通所通过的路径。主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。,第三节 磁路的基本定律,主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流。直流:直流磁路 例如:直流电机 交流:交流磁路 例如:变压器,第三节 磁路的基本定律,a)b)c)图3-6 各种磁路a)直流电机磁路 b)变压器磁路 c)电磁铁磁路,第三节 磁路的基本定律,一、安培环路定律,安培环路定律：磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和,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，则,第三节 磁路的基本定律,为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备或电磁元件中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径磁路。,图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。,得出,第三节 磁路的基本定律,式中：F=IN 称为磁动势，此为产生磁通的激励；,Rm 为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。,第三节 磁路的基本定律,上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：,磁路,电路,磁动势 F,磁通,磁感应强度B,磁阻 R=l/S,电动势 E,电流 I,电流密度 J,电阻 R=l/S,第三节 磁路的基本定律,二、磁路的欧姆定律,计算磁路问题时，可以应用上面介绍的磁路欧姆定律，但由于磁路的磁导率不是常数(随励磁电流而变)，往往要借助于磁场强度H这个物理量。,或,若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻应由不同的几段串联而成，即,右图所示继电器的磁路就是由三段串联,第三节 磁路的基本定律,气隙中的磁场强度H0,B0的单位为特斯拉，若用高斯为单位，则,然后计算各段磁路的磁压降 Hl，进而求出磁路的磁动势，应用磁路欧姆定律对磁路进行分析。,第三节 磁路的基本定律,例：一均匀闭合铁心线圈，匝数为 300，铁心中磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度为45cm,试求：,(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流；(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,先从磁化曲线中查出磁场强度的H值，然后再计算电流。,(1)H1=9000A/m，,(2)H2=260A/m，,可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则所需要的磁动势或励磁电流是不同的。因此，采用高磁导率的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。,第三节 磁路的基本定律,三、磁路的基尔霍夫定律,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。,即：,第三节 磁路的基本定律,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N,HL：称为磁位差。,第三节 磁路的基本定律,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。,例：,第三节 磁路的基本定律,磁路,电路,磁通,I,N,I,磁压降,磁动势,第三节 磁路的基本定律,基本定律,磁阻,磁感应强度,基尔霍夫定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流强度,基尔霍夫定律,电 路,R,+,_,E,I,第三节 磁路的基本定律,四、电磁感应定律,a)b）图3-9 电磁感应现象a)移动磁铁，导体不动 b）移动导体，磁铁不动,第三节 磁路的基本定律,电磁感应定律又称为法拉第电磁感应定律，其内容是：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比。其表达式为：,表示感应电动势，单位为伏特（V）；,表示回路里磁通量的变化率，,磁通的单位为韦伯（Wb）；,时间的单位为秒（s）。,第三节 磁路的基本定律,a)b)图3-10 回路中的感应电流,感应电动势的方向可用楞次定律确定。即在闭合回路中，感应电流所产生的磁场，总是阻碍回路中原磁通量的变化。,第三节 磁路的基本定律,图3-11 回路中的感应电流,第三节 磁路的基本定律,图3-12 感应电动势,是运动方向与磁力线的夹角,第四节 互感、自感现象及霍尔效应,一、互感现象,图3-13 互感与自感作用,一次线圈,二次线圈,一个线圈中电流的变化引起另一个线圈产生感应电动势的现象叫互感效应线圈B的感应电动势总是力图阻止线圈A的电流变化汽车点火线圈就是利用这一原理制成的,第四节 互感、自感现象及霍尔效应,二、自感现象,自感电动势具有如下一些结论：1、自感电动势是由通过线圈本身的电流发生变化而引起的。2、自感电动势的大小与电感和电流变化率的乘积成正比。3、自感电动势起着阻碍电流变化的作用。,第四节 互感、自感现象及霍尔效应,三、霍尔效应,半导体薄片垂直置于磁场中，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向的导体的两个端面之间产生横向电势差的物理现象称为霍尔效应,图3-14 霍尔效应,III,I,第四节 互感、自感现象及霍尔效应,实验表明，霍耳电压与通过导体板的激励电流I 和作用在薄片上的磁场强度 B 的大小成正比，与板的厚度 d 成反比，即,图3-15 霍尔效应式点火系统1霍尔传感器 2分火头 3转轴,第五节 汽车上常用的电磁器件,一、继电器,继电器是一种根据电量(如电压、电流)或非电量(如时间、转速、温度、压力等)的变化，接通或断开控制电路，用以自动控制与保护电气传动装置的电磁开关，常用于以小电流控制大电流的场合。继电器结构如图3-16所示，包括一个控制电路，一个电磁铁、一个电枢和一组触点等。在汽车中，有许多地方应用了继电器，例如，燃油泵、喇叭和起动系统等。,应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电接触控制。,本节主要介绍几种常用的低压电器，基本的控制环节和保护环节的典型线路。,实现继电接触控制的电气设备，统称为控制电器，如刀闸、按钮、继电器、接触器等。下面介绍常用控制电器的用途及电工表示符号。,按钮(手动切换电器),(b)结构,按钮常用于接通和断开控制电路。,按钮的外形图和结构如图所示。,按钮开关的外形和符号,(a)外形图,动画,交流接触器的外形与结构,接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,(a)外形,(b)结构,接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,线圈,辅助触点,铁心,衔铁,电源,电机,主触点,常闭,常开,动画,弹簧,符号,由于主电路 流过的大电流(需加灭弧 装置),用于控制电路流过的小电流(无需加灭弧装置),继电器,继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：接触器的主触点可以通过大电流；继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。,电流及电压继电器,电流继电器：可用于过载或过载保护，电压继电器：主要作为欠压、失压保护。,中间继电器,中间继电器触头容量小，触点数目多，用于控制线路。,通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。,(a)外形,中间继电器外形与符号,热继电器,用于电动机的过载保护。,热继电器外形与结构,(a)外形,(b)结构,发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，常闭触点断开。,发热元件,杠杆,热继电器,工作原理,结构原理图,双金属片,常闭触头,用于电动机的过载保护。,动画,第五节 汽车上常用的电磁器件,图3-16 继电器结构示意图1接电源 2电源电路 3衔铁 4接负载 5触头 6电枢与铁心 7控制电路 8图形符号,第五节 汽车上常用的电磁器件,1中间继电器,图3-17 汽车电喇叭电路中的继电器,第五节 汽车上常用的电磁器件,2电流继电器,图3-18 电流继电器结构1触头 2、8铁心 3、4衔铁 5、12线圈 6常闭触头 7常开触头 9磁轭 10、11反作用弹簧,第五节 汽车上常用的电磁器件,二、汽车点火线圈,1,2,3,4,5,6,7,8,9,100,110,120,图3-19 汽车点火线圈结构示意图1绝缘座2铁心3一次绕组4二次绕组5导磁钢套6外壳7接线柱（接断路器）8胶木盖9高压线接头10接线柱（接附加电阻及其短路开关）11接线柱（接电源、附加电阻及短路开关）12附加电阻,随着汽车工业现代化进程的加快，电子制造业正处于蓬勃发展的黄金时期。点火线圈作为汽车点火控制系统的重要组成部件，其指标直接影响汽车的动力学性能及环保性能。中国将逐渐成为点火线圈在全球的制造中心，预计未来几年内点火线圈产量将会超过一千万只。与此同时，国产点火线圈制造和测试设备还比较落后，自动化水平低且智能程度不高，难以满足现代化大规模生产的需要。分析和研究点火线圈制造技术及其加工工艺、品质等方面的可靠性工作，具有重要的现实意义,点火线圈的工作原理,在汽车发动机点火系统中，点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供点火能量的执行部件。其主要工作是基于电磁感应的原理，通过电子控制器接收ECU的指令关断和打开点火线圈的初级回路，通过初级线圈绕组的电流作为磁场储存。当初级线圈绕组电流突然被切断（通过功率晶体管断开电路接地端）时，磁场衰减，使次级线圈绕组产生感应电动势，该感应电动势的电压足以使火花塞放电，我们称其为电感放电式点火。另外也有电容放电式(CDI)点火系统。点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器，它将蓄电池12V的低电压转换成15-20KV甚至更高的电压。,ECU叫电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它和普通的单片机一样,由微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量。电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路等组成。,