磁路和铁芯线圈电路.ppt

第三章 磁路和铁芯线圈电路,3.1 磁路和铁磁性材料,3.1.1 磁场的基本物理量3.1.2 铁磁性材料3.1.3 汽车中的霍尔元件,所谓磁路，就是约束在铁芯及其气隙所限定的范围内的磁通路径。,图3-1 磁路示意图,3.1.1 磁场的基本物理量,1磁感应强度和磁通,电磁力的大小就与磁感应强度（B）、电流（I）、垂直于磁场的导体有效长度L成正比，公式为F=BIL（3-1）磁通（）是一个反映一定区域磁场强弱、方向等状况的物理量。=BS（3-2）,图3-2 载流导体受电磁力作用,磁导率（）是用来衡量物质导磁性能的物理量。（3-3）（3-4）,2磁导率和磁场强度,图3-3 直导体周围的磁场,3.1.2 铁磁性材料,1铁磁性材料特点,（1）磁化曲线高导磁性和磁饱和性,图3-4 B=f（H）磁化曲线,图3-5 磁滞回线,（2）磁滞回线磁滞性,按照铁磁性材料磁滞回线的形状以及在工程中的用途不同，铁磁性材料可分为3大类，即软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。,2铁磁性材料分类,图3-6 铁磁性材料分类,3.1.3 汽车中的霍尔元件,1霍尔效应和霍尔元件,图3-7 霍尔效应,霍尔电压为（3-7）式中，KH霍尔元件灵敏度，大小由霍尔元件的半导体材料及几何尺寸决定。,图3-8（c）所示为霍尔元件的基本检测电路，实际应用中可以把激励电流（I）或磁感应强度（B）作为输入信号进行检测。,图3-8 霍尔元件结构及基本检测电路,霍尔式曲轴位置传感器利用触发叶片或轮齿改变通过霍尔元件的磁感应强度（B），从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出 信号。,2霍尔元件在汽车中的应用,图3-9 霍尔式曲轴位置传感器1霍尔元件 2磁极 3转子叶片,3.2.1 磁路的欧姆定律3.2.2 磁路的基尔霍夫定律3.2.3 磁路定律在汽车中的应用磁感应点火信号发生器,3.2磁路基本定律及其应用,一段磁路，设长为l，磁路截面积为S，磁力线均匀分布于横截面上，可知 经变换，得磁通（）为（3-8）,3.2.1 磁路的欧姆定律,式中，Um磁路的磁位差，单位为安培（A），Um=Hl；Rm磁路的磁阻，单位为1/亨（1/H），。,3.2.2 磁路的基尔霍夫定律,1基尔霍夫磁通定律,写成一般形式为（3-9）,(Hl)=(NI)=(F)（3-10）式中，NI磁路的磁动势（F），单位为安培（A）；Hl磁位差Um。,2基尔霍夫磁位差定律,图3-11 基尔霍夫磁位差定律,【例3-1】图3-12所示为一无分支磁路，磁路中磁通为顺时针方向，试对磁路进行分段，并写出该磁路的磁位差平衡式。,图3-12 无分支磁路,表3-1磁路与电路对照表,汽车点火系统的作用是为汽油发动机汽缸内已压缩的可燃混合气提供足够能量的电火花，使发动机能及时、迅速地燃烧做功。点火系统应在发动机各种工况和使用条件下，均应保证可靠而准确地点火。,3.2.3 磁路定律在汽车中的应用磁感应点火信号发生器,图3-13 磁感应式点火信号发生器1信号转子 2永久磁铁 3铁芯4磁通 5传感线圈 6空气隙,图3-14 信号转子旋转的3个不同状态1信号转子 2传感线圈 3铁芯 4永久磁铁,如图3-14所示，通过对信号转子旋转的3个不同状态的分析，得到传感线圈中磁通和感应电动势的波形变化如图3-15所示。,3.3铁芯线圈和电磁铁,3.3.1 铁芯线圈的交流电路分析3.3.2 铁芯线圈的功率损耗3.3.3 电磁铁,根据基尔霍夫定律得（3-14）,3.3.1 铁芯线圈的交流电路分析,图3-16 铁芯线圈电路,式中，铜耗，它与电流的平方成正比。铁耗包含两部分损耗磁滞损耗（ph）和涡流损耗（pe）。,3.3.2 铁芯线圈的功率损耗,（3-18）,（1）磁滞损耗,铁芯既能导磁，也能导电，因此当磁通交变时，在铁芯截面中产生感应电动势，继而产生漩涡状的感应电流，称之为涡流。涡流是电磁感应的一种特殊形式，如图3-17所示。,（2）涡流损耗,图3-17 涡流,图3-18=f（i）曲线,图3-19 电磁铁的结构1铁芯 2线圈 3衔铁,根据电磁铁线圈中所通过的电流不同，可分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类。,3.3.3 电磁铁,1直流电磁铁,直流电磁铁的励磁电流是直流。F=4B02S105（3-21）,Fav=2Bm2S105（3-22）,2交流电磁铁,由于交流电磁铁的吸力随时间在0与最大值之间变化，因而衔铁要发生震动而引起噪声。为改善电磁铁工作时的震动和噪声现象，可以在铁芯的局部端面上嵌装一个短路环，又称分磁环，如图3-20所示。,图3-20 交流电磁铁的短路环,表3-2直流电磁铁和交流电磁铁的比较,图3-21所示为汽车电控燃油喷射系统中的喷油器，其中电磁铁中的衔铁与针阀是一体的，喷油器就是采用电磁铁的电磁吸力来打开或关闭燃油计柱塞，从而控制喷油器的喷油量。,图3-21 汽车电控燃油喷射系统中的喷油器,图3-22 开关式电磁阀1计算机 2铁芯线圈 3衔铁 4阀球 5泄油孔 6主油道 7控制油道,3.4变压器,3.4.1 单相变压器的基本结构3.4.2 单相变压器的工作原理3.4.3 仪表用互感器3.4.4 变压器技术参数,变压器是将一种等级的交流电压变换成频率相同的另一种等级的交流电压的静止电气设备。,3.4.1 单相变压器的基本结构,图3-23 单相变压器结构,铁芯构成了变压器的磁路，使绕组之间实现电磁耦合。为了提高铁芯导磁性能，减少铁芯损耗，铁芯通常采用厚度为0.350.5mm且表面涂有绝缘漆的硅钢片交错叠装而成。,1铁芯,绕组构成变压器的电路，与电源相连接的绕组称为一次侧绕组或初级绕组，与负载相连的绕组称为二次侧绕组或次级绕组。根据两侧绕组匝数的不同，也可将匝数多的称为高压绕组，匝数少的称为低压绕组。单相小容量变压器的绕组多用高强度漆包线绕制。为了降低绕组和铁芯间的绝缘要求，一般高压绕组同心地套在低压绕组的外面。,2绕组,3.4.2 单相变压器的工作原理,1变压器的空载运行电压变换,图3-24所示为单相变压器的空载运行示意图。图中标注了各物理量的参考方向。一次侧绕组接额定电压为UN1的交流电源，二次侧绕组处于开路状态，称为变压器的空载运行。,图3-24 单相变压器的空载运行示意图,图3-26所示为单相变压器的负载运行示意图。图中标注了各物理量的参考方向。一次侧绕组接额定电压为UN1的交流电源，二次侧绕组与负载相连接时，称为变压器的负载运行。,2变压器的负载运行电流变换,图3-25 变压器绕组的同名端,图3-26 单相变压器的负载运行示意图,变压器除了可以变换电压、电流之外，还可以变换负载阻抗，从而实现阻抗匹配。如图3-27所示。,3变压器的阻抗变换,图3-27 变压器的阻抗变换,变压器在传递能量时存在损耗，包括铜耗和铁耗。铜耗（pCu）为一、二次侧绕组电阻产生的损耗，大小为（3-32）它随负载电流的变化而变化，因此称铜耗（pCu）为可变损耗。,4变压器的损耗与效率,图3-28 变压器效率特性曲线,3.4.3 仪表用互感器,1电压互感器,图3-29 电压互感器的外形和原理图,图3-30 电流互感器的外形和原理图,2电流互感器,3.4.4 变压器技术参数,1额定电压（UN1、UN2）,额定电压是根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，单位为V或kV。,额定电流是根据变压器允许温升而规定的电流值，单位为A或kA。,2额定电流（IN1、IN2）,变压器额定容量是指在额定电压和额定电流情况下，其输出的额定视在功率。单相变压器为（3-36）三相变压器为SN=（3-37）,3额定容量（SN）,我国规定标准工频频率为50Hz，有些国家则规定为60Hz，使用时应注意。改变使用频率会导致变压器某些电磁参数（如磁通等）发生变化，影响其正常工作。,4额定频率（f）,【例3-2】有一台单相变压器，SN=10kVA，UN1/UN2=380V/220V。（1）若在二次侧接上40W，220V的白炽灯最多可接多少盏？试计算此时变压器一次侧、二次侧工作电流。（2）若在二次侧接上cos=0.46，UN=220V，PN=40W的日光灯（设每灯含有镇流器的功耗7W），问最多可接多少盏？,3.5.1 汽车电路的特点3.5.2 继电器3.5.3 汽车继电器电路分析,3.5 汽车继电器电路分析,3.5.1 汽车电路的特点,1直流低压,汽车中电源有两类，一类是蓄电池，另一类是交流发电机及其整流电路，它们都是直流低压电源。,蓄电池正极线直接与各用电设备连接，蓄电池负极线直接搭在车架金属机件上，这种负极线与车体相连接的方式就称为搭铁，也称为接地或接铁。,2负极搭铁,图3-32 汽车电电路特点分析（制动灯监视电路）1熔断器 2制动踏板 3制动灯开关 4干簧管继电器5监视指示灯 6制动灯,电源到用电设备只用一根导线连接，用电设备的另一端也就近搭铁。,3单线并联,3.5.2 继电器,1电磁式继电器,电磁式继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制电气执行元件。,蓄电池正极线直接与各用电设备连接，蓄电池负极线直接搭在车架金属机件上，这种负极线与车体相连接的方式就称为搭铁，也称为接地或接铁。,2负极搭铁,图3-33 常用电磁式继电器的图形符号,图3-34 几种常见插接式继电器的外形示意图,在图3-35（c）中继电器线圈得电，动合触点（87-88a）闭合，动断触点（87-87a）断开。图3-32（b）、（d）中的二极管和电阻都是起保护继电器作用。,图3-35 几种常见插接继电器的内部结构及插座插脚布置图,图3-36 干簧式继电器外形、图形符号及工作原理,3.5.3 汽车继电器电路分析,1扬声器继电器电路,图3-37 汽车扬声器继电器电路1触点臂 2线圈 3按钮 4触点 5支架 6扬声器 7蓄电池,图3-38 单线圈式蓄电池继电器结构示意图1回位弹簧 2动触点 3静触点 4励磁线圈 5动铁芯 6静铁芯,2蓄电池继电器电路,电磁式电源总开关亦称蓄电池继电器。其结构有单线圈式和双线圈式两种。,图3-39 单线圈式蓄电池继电器控制电路1主触点 2单线圈式电源开关 3蓄电池 4开关 5线圈,图3-40 双线圈式蓄电池继电器结构示意图1弹簧 2切换拨片 3动触点 4动断触点 5静触点 6吸拉线圈 7保位线圈 8动铁芯 9静铁芯,图3-41 双线圈式蓄电池继电器控制电路1主触点 2续流二极管 3蓄电池 4开关 5吸拉线圈 6动断触点 7保位线圈,3.6汽车点火线圈和传统点火系统工作过程,3.6.1 点火线圈3.6.2 传统点火系统,3.6.1 点火线圈,1点火线圈的分类,点火线圈按冷却方式不同分为沥青式、油浸式和气冷式；按有无附加电阻可分为带附加电阻型和不带附加电阻型；按接线柱的多少可分为两接柱式和三接柱式；按铁芯形状不同可分为开磁路式和闭磁路式；按功能差异可分为普通型和高能型。,点火线圈的内部结构如图3-47所示，主要由铁芯、一次侧与二次侧绕组、壳体及附加电阻等组成。,2传统点火线圈开磁路点火线圈,图3-47 点火线圈的内部结构1绝缘座 2铁芯 3二次侧绕组 4一次侧绕组 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,图3-48 开磁路点火线圈的磁路 1磁力线 2铁芯 3一次侧绕组4二次侧绕组 5导磁钢片,3闭磁路点火线圈,图3-49 闭磁路点火线圈1铁芯 2一次侧绕组接线柱 3二次侧绕组接线柱4一次侧绕组 5二次侧绕组 6空气隙,图3-50 两种点火线圈变换效率的比较1开磁路线圈 2闭磁路线圈,3.6.2 传统点火系统,1传统点火系统的基本组成,传统点火系统组成示意图如图3-51所示，主要由电源、点火开关、点火线圈、分电器（包括配电器和断电器）、火花塞等组成。,图3-51 传统点火系统组成示意图1点火开关 2电流表 3蓄电池 4起动机5高压导线 6阻尼电阻 7火花塞 8断电器9电容器 10点火线圈 11附加电阻 12配电器,（1）电源 电源为蓄电池和发电机，供给点火系统所需电能，一般电压为12V。（2）点火开关 点火开关的作用是接通或断开点火系统一次侧电路。（3）点火线圈 点火线圈就是一个升压变压器。,（4）分电器 分电器包括配电器和断电器，作用是接通和切断低压电路，使点火线圈及时产生高压电，按发动机各汽缸的点火顺序送至火花塞。（5）电容器 电容器与断路器触点并联，用来减小断路器触点断开时的火花，延长触点的使用寿命，提高点火线圈的高电压。,传统点火系统是基于电磁感应原理进行工作的。它把蓄电池或发电机的12V低压电转变为1520kV的高压电，同时按一定规律送入各缸火花塞，经过火花塞电极间火花放电点燃混合气。,2传统点火系统的工作原理,（1）断电器触点闭合，一次侧绕组电流按指数规律增长,图3-52 传统点火系统的工作过程,（2）断电器触点打开，二次侧绕组产生高电压,图3-53 传统点火系统工作过程波形图,（3）火花塞电极间火花放电,习 题,1铁磁性材料有哪些特点？2什么是铁磁性材料的磁滞性？它是如何形成的？3简述磁路的欧姆定律，其中磁路磁阻与哪些参数有关。4简述磁路的基尔霍夫定律。5为什么交流铁芯线圈在超过它的额定电压并不多的情况下工作时，线圈往往就烧坏了？,6直流电磁铁与交流电磁铁有什么不同？试比较。7为什么变压器的铁芯要用硅钢片叠成？能否采用整块的铁芯？为什么？8额定电压为220V/110V的单相变压器，如果不慎将低压端接到220V电源上行不行？后果怎样？空载电流有何变化？,9有一单相安全变压器，一、二次侧的额定电压为220V/36V，额定容量为2kVA，求：（1）一、二次侧的额定电流；（2）当一次侧加额定电压后，一、二次侧绕组中是否在任何负载下电流为额定值；（3）如果在二次侧接36V、100W的白炽灯20盏，求此时一次侧的电流；若电灯减少至2盏时，再求一次侧电流；在上述两种情况下所算得的一次侧电流哪一种情况比较准确，为什么？,自测题,一、填空题,1无分支磁路的线圈接于直流电源上，如果将磁路气隙增大（指长度增加），则磁通将会减小。（）2一段材料的磁阻与它的磁导率成正比。（）3空气隙的磁阻远远大于同样长度、同样截面的铁磁性材料的磁阻。（）,4交流铁芯线圈，已工作在接近磁化曲线的饱和段，如将电压提高一倍，则电流将会大大增加（远远超过一倍）。（）5变压器只能用于直流电源供电的电路。（）6从空载到负载运行过程中，变压器主磁通基本不变。（）7对于一台已经制造好的变压器，其同名端是客观存在的，与测试方法无关。但在确定同名端以后，其联结组别却随人为标定而定。（）,8变压器在额定运行时效率最高。（）9变压器用改变直流电的电压等级来传递直流电能。（）10电流互感器实际工作情况相当于空载运行的升压变压器。（）,1降压变压器的变压比 1，升压变压器的变压比 1。（填“大于”、“小于”、“等于”）2变压器的铁芯，按其结构形式分为 和 两种。为了减少，变压器的铁芯一般采用0.350.5mm厚的 叠装而成的。3一台变压器的变压比115，当它的一次侧绕组接到220V的交流电源上时，二次侧绕组输出的电压是。,二、填空题,4描述磁场的4个物理量分别为、以及。5铁磁性材料具有 性、性和 性。6变压器主要有两种损耗：可变损耗：和不变损耗：。7磁路分段的原则是：。,1变压器的基本工作原理是（）。A电磁感应B电流的磁效应 C能量平衡D电流的热效应 2变压器运行时，在电源电压一定的情况下，当负载阻抗增加时，主磁通如何变化（）。A增加B基本不变C减小,三、选择题,3有一台380V/36V的变压器，在使用时不慎将高压侧和低压侧互相接错，当低压侧加上380V电源后，将发生什么现象？（）A高压侧有380V的电压输出B高压侧没有电压输出，绕组严重过热C高压侧有高压输出，绕组严重过热D高压侧有高压输出，绕组无过热现象,4一负载电阻为RL，经变压器接到内阻R0=800的电源上，变压器一次侧、二次侧绕组的额定电流为2A/20A，若使从变压器一次侧绕组看进去的等效负载电阻RLR0时，则RL等于（）。A0.8B8C80D800,1描述磁场的物理量有哪几个？说明它们的物理意义、相互关系及单位。2非铁磁性材料、铁磁性材料的磁导率各有什么特点？3铁磁性材料按磁滞回线不同，可分为哪两类？各有什么用途？,四、问答题,4磁路的欧姆定律的内容是什么？什么叫磁阻？什么叫磁位差？它们的SI单位各是什么？5什么叫铁芯损耗？它包括哪两项？各自产生的原因是什么？直流铁芯中有这种损耗吗？6交流铁芯线圈额定电压为220V，如果误接直流220V，会产生什么后果？相反的情况将如何？,1交流电磁铁在吸合时，若衔铁长时间被卡住不能吸合，会有什么影响？直流电磁铁发生上述情况时，又会如何？2有一单相照明变压器，容量为10kVA，电压3300V/220V。今欲在二次侧绕组接上40W、220V的白炽灯，如果要变压器在额定情况下运行，这种白炽灯可接多少个？并求一、二次侧绕组的额定电流。,五、简答和分析计算题,3图3-56所示的变压器一次侧有两个额定电压为110V的绕组，二次侧绕组的电压为6.3V。（1）若电源电压是220V，一次侧绕组的4个接线端应如何正确连接，才能接入220V的电源上？（2）若电源电压是110V，一次侧绕组要求并联使用，这两个绕组应当如何连接？,图3-56,4试根据开磁路点火线圈和闭磁路点火线圈的磁路特点，比较它们的磁阻大小，并应用磁路欧姆定律分析点火线圈在相同的磁通下，磁动势的大小。5图3-57所示为电动门锁电路，试分析左前门锁开关在开锁位置时的电流方向。,图3-57 电动门锁电器,