项目3 磁路和铁芯线圈电路

项目3磁路和铁芯线圈电路项目3磁路和铁芯线圈电路任务分析3相关知识4任务实施5归纳总结6学习目标1任务提出2学习目标(1)了解磁路的定义，掌握磁路的基本物理量。(2)了解交流铁芯线圈电路的组成，掌握其电压的计算和铁损的组成。(3)了解电磁铁的原理和构成，掌握磁路欧姆定律的应用。(4)了解变压器的应用，掌握变压器电压比、电流比和阻抗比的计算。(5)了解汽车继电器电路分析。(6)了解点火线圈的结构，了解汽车传统点火系统的组成和工作原理。任务提出在汽车的汽油发电机中汽缸内的可燃混合气体是由高压电火花点燃的保证按时产生电火花的全部设备就是发动机的点火系统。下面首先对传统点火系统的部件(如点火线圈)进行了解，继而对整个系统的工作过程进行分析。点火线圈是用来将电源的低电压转变为高电压的基本元件，常用的点火线圈分为开磁路点火线圈（如图3-1所示）和闭磁路点火线圈（如图3-2所示）。1点火线圈任务提出1-“-”接线柱；2-外壳；3-导磁钢套；4-二次绕组；5-一次绕组；6-铁芯；7-绝缘座；8-附加电阻；9-“+”接线柱；10-接起动机的接线柱；11-高压线接头；12-胶木盖13-弹簧；14-橡胶罩；15-高压阻尼线；16-橡胶密封圈；17-螺钉；18-附加电阻盖；19-附加电阻瓷质绝缘体；20-附加电阻固定架；21-绝缘纸；22-封料图3-1开磁路点火线圈任务提出”接线柱；6-高压线插孔

1.次绕组；2.二次绕组；3.铁芯；4.“+”接线柱；5.“-”接线柱；6.高压线插孔图3-2闭磁路点火线圈任务提出1)传统点火系统的组成。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，系统组成如图3-3所示。点火开关作用是接通或断开点火系一次电路。点火线圈相当于一个变压器且有两个绕组导线，较粗的是一次侧绕组和较细的是二次侧绕组。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。电容器与断路器触点并联，用来减小断路触点断开时的火花，延长触点的使用寿命，提高点火线圈的高电压。火花塞由中心电极组成，安装在发动机的燃烧室中，用来将点火线圈产生的高压电引入燃烧室，点燃燃烧室内的可燃混合气。2)工作过程。①断电器触点闭合，一次侧绕组电流按指数规律增长。②断电器触点打开，二次侧绕组产生高电压。③火花放电。2传统点火系统的组成任务提出1-点火开关；2-点火线圈；3-配电源；4-断电器；5-电容器；6-火花塞；7-高压导线；8-阻尼电阻；9-起动机；10-电流表；11-蓄电池；12-附加电阻图3-3蓄电池点火系统的组成任务分析

在现代的汽车发动机中，汽缸内被压缩的可燃混合气就是靠点火系统电路产生的电火花点燃的。点火系统的电路的作用是将蓄电池或发电机供给的低压电(一般为12～14V)转变为高压电(20～30kV)，并根据发动机的工作顺序与点火时间的要求，适时地、准确地将高压电送到各缸的火花塞，产生电火花，点燃可燃混合气，使发动机工作。要想深入理解汽车点火系统的原理，就需要学习磁路与变压器相关知识。任务分析相关知识任务3.1磁路及磁性材料任务3.2铁芯线圈和电磁铁任务3.3变压器任务3.4汽车继电器电路分析任务3.1磁路及磁性材料磁路1铁磁性材料23.1.1磁路在电器、电动机中采用铁磁材料，不但可以用较小的励磁电流获得较大的磁通，而且可使磁通集中地通过一定的闭合路径。所谓磁路，是指主要由铁磁材料构成而为磁通集中通过的闭合回路，磁路中的铁磁材料称为铁芯。磁路中除铁芯外往往还有一些非铁磁性物质，如空气间隙等。由于磁感线是连续的，所以通过无分支磁路各处横截面的磁通是相等的。在如图3-4所示的无分支磁路中，穿过铁芯和空气间隙的磁通相等。磁路的基本物理量主要有以下几点。图3-4磁路3.1.1磁路1．磁感应强度2．磁通3．磁导率μ4．磁场强度5．安培环路定律(全电流定律)6．磁路的欧姆定律3.1.1.1磁感应强度磁感应强度B表示磁场内某点电磁场强弱和方向的物理量，其大小可以用位于该点的通电导体所受磁场作用力来衡量。磁感应强度B的大小主要决定于磁场介子的性质。方向：与电流方向之间符合右手螺旋定则。大小：B=F/LI。单位：特斯拉(T)和高斯(Gs)，两者的换算关系为1T=104Gs。均匀磁场：各电磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。3.1.1.2磁通垂直穿过磁场中每单位面积的磁力线总量称为磁通，用符号“φ”表示。在电磁学中常把磁通所经过的路径称为磁路。磁通定义为磁感应强度B与垂直磁场方向的面积S的乘积，即φ=BS

或B=φ/S当磁感应强度B的单位取T、面积S的单位取

，磁通

的单位是韦伯(Wb)；若磁感应强度B的单位取Gs、面积S的单位取

时，则磁通

的单位的麦克斯韦(Mx)。两种的换算关系是3.1.1.3磁导率μ磁导率μ是用来表示物质的导磁性能的物理量。μ的单位是H/m(亨/米)，自然界的物质根据其导磁性能不同，可以分为铁磁材料(如铁、镍、硅钢、铸钢、坡莫合金等)和非铁磁材料(如空气、木材、铜、铝等)两大类。各种物质的磁导率与真空的磁导率相比，其比值能够很好地反映他们的导磁性能，这个比值称为相对磁导率，用

表示μr，即

μr=μ

/μ0。为方便于比较各类物质的导磁能力，通常以真空的磁导率作为衡量的标准。实验测得真空的磁导率μ0

=4π×10-7

（H/m），且为一常量。3.1.1.4磁场强度为了计算方便，引入磁场强度的概念，并把它定义为磁感应强度B与该处物质的磁导率μ之比，即H=B/μ其中，磁场强度H描述了电流的磁场强弱和方向，与磁场所处介质无关。磁场强度H的单位为安培/米(A/m)。3.1.1.5安培环路定律(全电流定律)其中，∫HDl是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；∑I是穿过闭合回线所围面积的电流代数和。安培环路定律电流正负的规定：任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正，反之为负。在均匀磁场中HL=IN，H=IN/L。安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。3.1.1.6磁路的欧姆定律如图3-5所示为交流铁芯线圈示意图。电源和绕组构成铁芯线圈的电路部分，铁芯构成线圈的磁路部分。当铁芯线圈两端加上正弦交流电压u时，则线圈电路中就会有按正弦规律变化的电流i通过。电流i通过N匝线圈时形成的磁动势

，磁动势在铁芯中激发出按照正弦规律变化、沿铁芯闭合的工作磁通

。把电路与磁路进行比较：电路中流通的是电流I，磁路中通过的是磁通

；电动势是激发电流的因素；电阻阻碍电流，磁阻阻碍磁通。图3-5交流铁芯线圈示意图任务2.2单一参数的正弦因此，磁路中的磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可以比照电路欧姆定律，即称为磁路欧姆定律。其中磁阻Rm=L/μS

，由于铁磁材料的磁导率μ是一个变量，因此磁阻Rm也不是常数，所以磁路欧姆定律远没有电路欧姆定律应用得那么广泛。磁路欧姆定律通常只对磁路进行定性的分析。由磁路欧姆定律可知，若铁芯磁路中存在气隙，由于铁磁材料的磁导率μ要比空气中的磁导率μ0大几百甚至几千倍，因此很小一段气隙的磁阻就会远大于整个铁芯的磁阻。当铁芯磁路的气隙增大时，必然造成磁路磁阻Rm大大增加。3.1.2铁磁性材料铁磁性材料之所以被广泛应用于电工技术，是由于它具有以下几个基本特征。（1）高导磁性（2）磁饱和性（3）磁滞性和剩磁性（4）磁性材料的分类（5）铁芯损耗3.1.2.1高导磁性铁磁性材料之所以具有良好的导磁性能，是由材料内部结构决定。在铁磁材料内部，往往存在几百或更多相邻的分子电流，流向一致，这些流向一致的分子电流的磁场排列整齐，方向相同，在他们所处的局部范围显示呈磁性的一个个小磁性区域。这些天然磁性区域被称为磁畴，磁畴的体积约为10-9cm3

。铁磁材料内部的这种磁畴结构好比其内部存在一个个小磁体，这些小磁体在无外磁场作用时，排列顺序杂乱无章，因此它们的磁场相互抵消，对外不能显示磁性，如图3-6(a)所示；但是，如果铁磁材料处在有外磁场作用时，形成一个与外磁场方向一致的附加磁场，从而使铁磁材料内部的磁感应强度大大增加，如图3-6(b)所示。3.1.2.1高导磁性图3-6铁磁材料的磁畴与磁化图3-7磁滞回线3.1.2.2磁饱和性在真空或空气中，磁感应强度是与磁场强度成线性关系的，由于铁磁物质在磁化时有磁性饱和的特点，故铁磁物质中B与H的关系是非线性的。铁磁物质的磁化特性可用磁化曲线来表示。各种铁磁物质的磁化曲线是用实验方法测出来的。该曲线大致可分为3段：Oa段的H增大，B几乎是线性地增大；ab段的H已较强，B的上升很快；bc段的H很强，这时B增加得很少，达到磁饱和。在图3-7的B-H曲线上，a为跗点，b为膝点，c为饱和点。上述分析说明，在铁磁物质的磁化过程中，当励磁电流增大到一定值时，几乎所有的磁畴都与外磁场的方向一致，即使再增大励磁电流，也不会使铁磁材料的磁性继续增强，即出现了磁饱和现象。如图3-7所示是铁磁材料的磁化曲线。3.1.2.3磁滞性和剩磁性1如图3-7所示的闭合回线，当H减到零时，B并不等于零，说明铁磁材料内部已经排列整齐的磁畴不会完全恢复到磁化前杂乱无章的状态，仍然保留一定的磁性，这部分剩余磁性就是图中的Oc段和Of段，称为剩磁，各种人造的永久磁体就是根据剩磁原理制作的。2由于铁芯在反复磁化过程中，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象被称为铁磁材料的磁滞性，相应B与H变化关系的闭合回线被称为磁滞回线。3.1.2.4磁性材料的分类磁路中除铁芯外往往还有一些非铁磁性物质，如空气间隙等。由于磁感线是连续的，所以通过无分支磁路，各处横截面的磁通是相等的。工程上应用的铁磁材料按磁性能和用途可分为以下三类。(1)硬磁材料(2)软磁材料(3)矩磁材料3.1.2.5铁芯损耗铁芯工作在交变磁场中会发热，铁芯发热所造成的能量损失称为铁芯损耗。铁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。(2)涡流损耗铁磁材料不仅是导磁材料还是导电材料，当穿过铁芯中的磁通量发生变化时，在铁芯中将产生感应电压和感应电流。这种感应电流在垂直于磁力线的平面内，呈涡流状，被称为涡流。涡流在铁芯电阻上引起的热量损失被称为涡流损耗。(1)磁滞损耗铁磁材料在反复交变的磁化过程中，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，磁畴间相互碰撞和内摩擦使铁芯发热，这种热量损失被称为磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗越大。3.1.2.5铁芯损耗无论是磁滞损耗，还是涡流损耗，最终的形式都是转换为热量，致使铁芯的温度升高而增加功耗，铁芯发热严重时，甚至可能破坏设备的绝缘，对设备造成损害。为了减轻铁损带给设备的危害，交流电工设备中的铁芯都不用整块铁磁材料制作，而是在顺着磁场的方向上用表面彼此绝缘的0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠压而成，如图3-8所示，硅钢片越薄，铁耗越小，当硅钢片用于高频电路时，厚度只有0.05～0.1mm。硅钢片具有较大的电阻率和较高的导磁率，同时又因为硅钢片将涡流限制在较小的截面内流通，加长了涡流的路径，从而最大限度地减小了涡流和涡流损耗。3.1.2.5铁芯损耗虽然涡流对电动机、电器的铁芯可以造成损害，必须采取措施加以限制，但它在金属加工工艺和电度表中却得到了广泛的应用：用于半导体材料的区熔炉、合金和贵金属冶炼用的熔炼炉。工件的热处理及化工工艺加热设备等，都是利用涡流加热的专门装置；电度表的铝盘转动也是利用了涡流现象。图3-8铁芯中的涡流相关知识任务3.1磁路及磁性材料任务3.2铁芯线圈和电磁铁任务3.3变压器任务3.4汽车继电器电路分析任务3.2铁芯线圈和电磁铁3.2.1电磁感应3.2.2感应电动势的大小和方向3.2.3自感与互感3.2.4电磁铁3.2.1电磁感应实验一，将一根直导体放在均匀磁场中，并以速度v朝着磁力线垂直方向运动，在导体的两端接上一个检流计，如图3-9所示。当导体左右切割磁力线时，可以看到检流计发生偏转；而如果导体不运动时，检流计指针是不动的。图3-9实验一示意图3.2.1电磁感应实验二，将线圈两端与检流计连接，而将磁通插入或拔出线圈，如图3-10所示。当磁通插入线圈时，检流计指针发生偏转；而当磁铁在线圈中不动时，检流计指针不动，当磁铁拔出线圈时，检流计指针反向偏转。图3-10实验二示意图3.2.2感应电动势的大小和方向在均匀磁场中，长度为L的直导体以速度v作与磁感应强度B垂直方向运动时，实验证明其感应电动势为e=BLν感应电动势的单位为伏特(V)。直导体切割磁力线产生感应电动势的方向可用右手定则确定。1直导体的感应电动势大小和方向法拉第电磁感应定律告诉我们：当线圈中的磁通发生变化时，线圈中感应出电动势的大小与磁通的变化率成正比，与线圈的匝数N成正比，即e=N(dφ/dt)其中，磁通

的单位为韦伯(Wb)，e的单位为伏特(V)。线圈中的感应电动势方向可用楞次定律和右手螺旋定则来确定。如果用一个表达式表示法拉第电磁感应和楞次定律，即e=-N(dφ/dt)其中，“-”表示线圈的感应电流产生的磁通将力图阻止原磁通的改变。2线圈的感应电动势大小和方向3.2.2感应电动势的大小和方向楞次定律指出：如果线圈中的感应电动势是由于穿过线圈的磁通发生变化而产生的，则感应电动势在线圈中流过的感应电流，其产生的磁通将力图阻止原磁通的改变。在图3-11(a)中，当磁铁插入线圈时，线圈中的磁通量增加，根据楞次定律，线圈流过的感应电流所产生的磁场方向应与磁铁的磁场方向相反，应用右手螺旋定则可确定：大拇指向上表示磁场方向，即图3-11(a)中的虚线的磁力线，而弯曲的四指表示感应电流方向，由此定出，线圈的感应电动势的极性是上面“+”，下面是“-”。在图3-11(b)中，当磁铁拔出时，线圈中的磁通量将减小，同样根据楞次定律定则，大拇指在下，表示磁场的方向，即图3-11(b)中的虚线的磁力线，而弯曲的四指表示感应电流方向，由此定出，线圈的感应电动势的极性是上面“-”，下面“+”。3.2.2感应电动势的大小和方向图3-11铁芯插入或拔出线圈时感应电动势方向3.2.3.1自感如果线圈中通入变化的电流，它将会使线圈中产生变化的磁通，如图3-12所示。变化的磁通穿过本身线圈，必将使线圈感应出感应电动势，这个由于在自己本身线圈中而产生的感应电动势称为自感电动势，用eL表示，其表示式为图3-12自感3.2.3.2互感当紧靠的两个线圈，其中一个线圈流入变化的电流时，可以发现另一个线圈回路中电流表的指针发生偏转，说明该线圈两端产生了感应电动势，这一现象叫做互感现象，该电动势称为互感电动势，用符号eM表示，而由互感电动势产生的电流称为互感电流，用符号iL表示。如图3-13所示，接入变化电流的线圈成为磁极线圈(副线圈)。eM产生的原因是线圈1通过变化的电流i1之后产生的变化磁通φ1，由于两线圈紧靠，故有一部分磁通φ12穿过线圈2，使线圈2感应出互感电动势eM，互感电动势的大小与线圈2的匝数和通过穿过线圈2的磁通变化率成正比。图3-13互感3.2.4电磁铁电磁铁的概念1电磁铁的组成与结构2电磁铁的类型3电磁铁在汽车上的应用43.2.4.1电磁铁的概念电磁铁是利用通电的铁芯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。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消失，衔铁或其他零件即被释放。3.2.4.2电磁铁的组成与结构电磁铁可分线圈、铁芯及衔铁三部分。它的结构形式通常有如图3-14所示的几种。图3-14电磁铁的几种形式3.2.4.2电磁铁的组成与结构电磁铁在生产中的应用极为普通，如图3-15所示的例子是用它来制动机床和起重机的电动机。图3-15电磁铁应用举例3.2.4.3电磁铁的类型（1）直流电磁铁当励磁线圈通入电流时，便产生磁场，铁芯和衔铁都被磁化，衔铁受到电磁力的作用而被吸向铁芯。磁路中的空气隙随衔铁的吸合而减小。直流电磁铁的吸力与空气隙的磁感应强度的平方成正比，和空气隙的截面积成正比。（2）交流电磁铁交流电磁铁和直流电磁铁的构造基本相同，也是由励磁线圈，软磁材料铁芯和衔铁三部分组成。3.2.4.3电磁铁的类型交流电磁铁的吸力如图3-16所示，在零与最大值之间脉动，而因衔铁以二倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。图3-16交流电磁铁的吸力变化3.2.4.3电磁铁的类型为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁环如图3-17所示。于是在分磁环(或称短路环)中便产生感应电流，以阻碍磁通的变化，使在磁极二部分中的磁通φ1与φ2之间产生相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，这就消除了衔铁的颤动，除去了噪音。图3-17分磁环3.2.4.4电磁铁在汽车上的应用利用电磁铁的特点，可制成许多控制部件或执行部件应用到汽车上，其中比较典型的应用就是触点式电压调节器和汽车电喇叭。1触点式电压调节器利用电磁铁在不同电流下的磁力变化使衔铁触点断开或吸合，控制发电机励磁电路的闭合与断开，达到调节发电机输出电压的目的。2电喇叭利用衔铁触点控制电磁铁电路的通断，使电磁铁不断吸合和断开，产生振荡，发生鸣叫声。(1)触点式电压调节器现以配装在东风EQ140汽车上的FT-61型双级触点式电压调节器为例进行说明。其结构原理如图3-18所示。动触点在两个静触点中间形成一对动断的低速触点K1，和一对动合的高速触点K2，能调节二级电压，故称为双级触点式。高速静触点与金属底座直接搭铁。对外只有点火(或火线、电枢、A、S、+)和磁场(或F)两个接线柱。1-拉力弹簧；2-磁轭；3-电磁线圈；4-电磁铁芯；5-绝缘板；6-活动触点片；K1-低速触点；K2-高速触点；R1-加速电阻；R2-调节电阻；R3-温度补偿电阻图3-18

FT-61型双级触点式电压调节器原理图(2)电喇叭为了警告行人和来往车辆，保证安全行车，汽车上都装有点喇叭。汽车电喇叭按外形不同可分为螺旋形、筒形和盆型，目前国产汽车使用的多位螺旋形和盆型喇叭,。二种形式的电喇叭结构和工作原理基本相同，不同之处是扬声筒形状不同。汽车电喇叭靠电磁原理使膜片振动而发出声音报警信号。电喇叭有电磁铁、可动的衔铁、膜片和动断的触点等构成，如图3-19(a)所示。触点与磁场线圈串联连接，其中一个触点依附于衔铁。(2)电喇叭当电流流过磁场线圈时，线圈便建立起吸引可动衔铁的磁场，周边被固定的膜片，随着衔铁移动，衔铁移动导致触点打开(如图3-19(b)所示)，从而断开电路，膜片回到它的原来位置，触点再次闭合而重复上述动作。这便引起膜片以每秒数次的频率来回振动。膜片振动，引起喇叭里面的空气柱振动，从而发出声音。图3-19电喇叭结构示意图1-接蓄电池正极；2-磁场线圈；3-部分外壳；4-内装电阻；5-触点；6-衔铁；7-膜片相关知识任务3.1磁路及磁性材料任务3.2铁芯线圈和电磁铁任务3.3变压器任务3.4汽车继电器电路分析任务3.3变压器变压器的用途、种类和结构1变压器的工作原理2几种常用的变压器33.3.1变压器的用途、种类和结构变压器是一种将交流电压变换成频率相同而电压不同的静止电器设备。3.3.1.1变压器的用途3.3.1.2变压器的种类3.3.1.3变压器的结构3.3.1.1变压器的用途变压器是一种常见的电器设备，在电力系统和电子线路中的应用十分广泛。其主要作用是升高电压和降低电压。在电力系统中，常用变压器来升高电压、减小电流，以降低输电过程中的功率损耗和节约输电线路有色金属的消耗，在用户端用变压器来降低电压，以保护用电过程的安全。用来升高电压的变压器称为升压变压器；用来降低电压的变压器称为降压变压器；升压变压器和降压变压器合称为电力变压器。变压器除了可以用来变换电压外，还可以用来变换电流、变换阻抗和传递信息，如电子线路中的输出变压器、耦合变压器。3.3.1.2变压器的种类变压器的种类很多，通常可按用途、结构、相数和冷却方式的不同分类。(1)按用途分类(3)按线圈绕组形式(5)按相数分类(2)按铁芯结构形式分类(4)按绕组材料分类(6)按冷却方式分类3.3.1.3变压器的结构虽然变压器的种类繁多，用途各异，但变压器基本结构大致相同。变压器主要由铁芯和绕组两大部分组成。(2)绕组。绕组是变压器的电路部分，其作用为输入(输出)电流，产生磁通和感应电动势。绕组可分为高压绕组和低压绕组两种，它们通常同芯地套在铁芯柱上，低压绕组在里，高压绕组在外。这种排列方式可降低对绕组和铁芯之间的绝缘要求。一台变压器可以只有一个绕组(自耦变压器)，也可以有两个或多个绕组。绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制。(1)铁芯。铁芯是变压器的磁路部分。为了提高铁芯的导磁性能，减小涡流和磁滞损耗，变压器的铁芯通常采用涂绝缘漆或经氧化处理，厚度为0.35～0.5mm的硅钢片叠压而成。按照铁芯的构造不同，分为芯式变压器和壳式变压器。芯式铁芯成“口”字形，绕组包围着铁芯，如图3-20(a)所示。壳式铁芯成“日”字形，铁芯包围着绕组，如图3-20(b)所示。3.3.1.3变压器的结构图3-20芯式变压器和壳式变压器3.3.1.3变压器的结构变压器在工作时，铁芯和绕组都会放热，所以必须采取冷却措施。对小容量变压器多用空气冷却方式，对大容量变压器多用油浸自冷、油浸风冷或强迫油循环风冷等方式。如图3-21所示为一油浸式变压器的外形图。1-温度计；2-吸湿器；3-储油柜；4-油表；5-安全气道；6-气体继电器；7-高压套管；8-低压套管；9-分接开关；10-油箱；11-铁芯；12-线圈；13-放油阀门图3-21油浸式电力变压器3.3.2变压器的工作原理最简单的变压器是由一个闭合铁芯和绕在铁芯上的两个绕组组成，与电源相连的绕组称为原绕组或初级绕组；与负载相连的绕组称为副绕组或次级绕组。芯中产生交变磁通，称为主磁通。主磁通集中在铁芯内，极少一部分在绕组闭合，称为漏磁通，可忽略不计。认为原、副绕组同受磁通作用。根据电磁感应定律，原、副绕组都将产生感应电动势。当S接通时，就有感应电流流过负载。3.3.2.1变压原理3.3.2.2变流原理3.3.2.3阻抗变换原理3.3.2.4变压器的损耗和效率3.3.2.1变压原理空载运行时，副边电流为零，此时原绕组流过的电流称为空载电流，空载电流比额定电流小很多(约为额定电流的3%～8%)。如图3-22所示为变压器的空载运行。图3-22变压器的空载运行3.3.2.1变压原理设原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2，由于原副绕组同受主磁通作用，所以在两个绕组中产生感应电动势。e1和e2的频率与电源频率相同。若主磁通的变化率为

，则由电磁感应定律可得：,。经过理论分析计算，原、副绕组上产生的感应电动势的有效值为E=4.44ƒφmN1，E=4.44ƒφmN2

，其中ƒ是电源频率，φm是交变磁通的最大值。在原绕组中，感应电动势E1起着阻碍电流变化的作用，与加在原绕组两端的电压U1相平衡。原绕组的电阻很小，如果略去不计，则由U1≈E1；对变压器负载来讲，副绕组相当于一个电源，感应电动势E2相当于电源的电动势。副绕组的电阻也很小，略去不计，副绕组就相当于无内阻的电源，因而副绕组两端的电压U2等于感应电动势E2，即U2≈E2。3.3.2.1变压原理因此得到式中，k叫做变压器的变压比或匝数比。当k>1时，N1>N2，U1>U2，此类变压器成为降压变压器；当k<1时，N1<N2，U1<U2，此类变压器成为升压变压器；当k=1时，N1=N2，U1=U2，该变压器既不升压，也不降压，只能做隔离变压器使用。因此，取不同的k值，可获得不同数值的输出电压，使变压器具有不同用途。=3.3.2.2变流原理如图3-23所示，使原绕组接通电源，副绕组接通负载，此时，副绕组中就有电流i2流过，并向负载ZL供电，该状态成为变压器的负载运行。图3-23变压器的负载运行3.3.2.2变流原理设变压器的副绕组向负载输出的功率为P2，而变压器的原绕组从电源获得的功率为P1。若忽略变压器本身的损耗，根据能量守恒定律，P2应与P1相等，即P1=P2。由交流电有功功率公式P=UIcosφ2可得其中，

cosφ1是原绕组电路的功率因数，

cosφ2副绕组电路的功率因数，

φ1和φ2

通常相差很小，在实际计算时可以认为它们相等，因而得到1/k叫做变压器的变流比，这说明变压器具有变流作用。由以上分析可看出，变压器原边的电流I1的大小是由副边I2的大小决定的。当I2=0时，I1很小，等于空载电流；副绕组接上负载后，|ZL|愈小，I2=U2/|ZL|愈大，I1也随之增大。3.3.2.3阻抗变换原理在电子线路中，常用变压器来变换交流阻抗。无论是收音机，还是其他电子装置，总希望负载获得最大功率，而负载获得最大功率的条件是负载电阻等于信号源内阻，此时成为阻抗匹配。但在实际电路中，负载的电阻与信号源内阻往往是不相等的。为此，就需要利用变压器来进行阻抗匹配，使负载获得最大功率，如图3-24所示。图3-24变压器的阻抗变换3.3.2.3阻抗变换原理把带负载的变压器(图3-24中虚线部分)称为信号源的负载，并以RL′表示，则将，

代入上式整理得因为

所以可见，在副绕组接上负载电阻RL时，就相当于使信号源上接上一个负载电阻

。3.3.2.4变压器的损耗和效率1输入功率2输出功率3变压器的损耗4额定容量5变压器的效率3.3.3几种常用的变压器电焊变压器4三相电力变压器1自耦变压器2仪用互感器33.3.3.1三相电力变压器三相电力变压器是工业企业供电的主要设备，它把输送到工厂的高压三相交流电变换成低压三相交流电，供各种电器设备使用。可以用三台相同的单相变压器组成三相变压器组，来变换三相电压，如图3-25所示的接法也可以用一台三相变压器来完成。图3-25同三台单相变压器接成的Y/Y0连接的三相变压器组3.3.3.1三相电力变压器如图3-26所示为三相变压器原理图，它有三个芯柱的铁芯作为三相磁路，每个芯柱上各套有属于同一相的两个绕组(原绕组和副绕组)。原绕组首端用A、B、C标注，末端用X、Y、Z标注，副绕组首端和末端分别用小写a、b、c、和x、y、z标注。图3-26三相变压器原理图3.3.3.2自耦变压器普通变压器的原绕组和副边绕组是分开的两个绕组。如果把原绕组和副绕组合二为一，就成为只有一个绕组的变压器，这种变压器称为自耦变压器。如图3-27所示为实验中常用的两种输入电压和自耦变压器外形和原理图。从1、2两端输入的额定电压为110V，原绕组匝数为N1；从1、3两端输入的额定电压为220V，原绕组匝数为N1+N2。图3-27自耦变压器外形和电路3.3.3.2自耦变压器如图3-28所示为三相自耦变压器，它的三个绕组通常接成星形，常用它来启动功率较大的三相交流电动机。图3-28三相自耦变压器3.3.3.3仪用互感器供测量用的将高电压变换成低电压、将大电流变换称小电流的变压器称为仪用互感器。仪用互感器分为电流互感器和电压互感器两种。图3-29电压电流互感器的连接图(a)电压互感器接线图；(b)电流互感器接线图1．电压互感器单一电阻、电感或电压互感器实际上是一台小容量的降压变压器。它的一次侧匝数很多，二次侧匝数较少。工作时，一次侧接在需要测量的电路中，二次侧接在电压表或功率表的电压线圈上。电压互感器的接线图如图3-29(a)所示。电压互感器一次侧绕组匝数很多，可以有许多抽头，根据不同的测量电压选取合适的匝数比。二次侧额定的电压通常都设计为100V。电压互感器二次侧绕组接阻抗很大的电压线圈，工作时相当于变压器的空载运行状态。因励磁电流和漏阻抗很小，可以忽略，则有2．电流互感器电流互感器的接线图如图3-29所示，它的一次侧匝数很少，二次侧匝数很多，一次侧与被测电流的线路相串联，二次侧接电流表或功率表的电流线圈。电流互感器的阻抗很小，它串入被测电路对其电流没有影响。电流互感器工作时二次侧所接电流表的阻抗很小，相当于变压器的短路工作状态。忽略励磁电流，由磁势平衡关系可得由上式可以看出，一次侧的电流值等于电流表所测得的电流乘以电流变比K1。3.3.3.4电焊变压器交流电弧焊在生产实际中的应用很广泛。交流电弧焊机就是一种特殊的降压变压器。电焊工艺对电焊变压器有以下几点要求。(1)具有60～75V的空载电压，以保证容易起弧(2)具有迅速下降的外特性，以适应电弧特性的要求(3)工作时常处于短路状态，短路电流不能过大，一般不超过额定电流的两倍(4)为了适应不同焊条的焊件，要求能够调节焊接电流的大小3.3.3.4电焊变压器除了用可改变可调节铁芯位置来调节焊接电流外，还可用改变分接头进行粗调焊接电流的大小。如图3-30所示，若用换接片接通2和3，则变压器的二次线圈Ⅱ1与电抗线圈Ⅱ3串联，这时二次绕组感应电势减小，漏抗大，焊接电流小；若用换接片接通3和4，则二次绕组Ⅱ1串入Ⅱ2

，电抗线圈只串入部分线圈，这时二次绕组感应电动势增大，漏抗减小，焊接电流变大。图3-30具有磁分路的电焊变压器原理图相关知识任务3.1磁路及磁性材料任务3.2铁芯线圈和电磁铁任务3.3变压器任务3.4汽车继电器电路分析任务3.4汽车继电器电路分析磁场继电器控制电路1充电指示灯控制电路2喇叭继电器33.4.1磁场继电器控制电路磁场继电器控制电路一般接在电源与调节器之间，用以控制交流发电机的励磁电路。即发电机启动时，自动接通发电机的励磁电路，熄火时有自动断开发电机的励磁电路。通常将它与双级电磁振动式调节器合装为一体，仍然称为调节器，但这种调节器只装于柴油机上。电路的组成01电路分析023.4.1磁场继电器控制电路现以FT61A型调节器为例，讲述其工作原理。它的的控制电路如图3-31所示。图3-31

FT61A型双联调节器电路Q1-启动线圈；Q2-维持线圈；X-调节器磁化线圈；S-电源开关；SB-启动按钮；K1-低速触点；K2-高速触点；K3-触点；R1-加速电阻；R2-调节电阻；R3-温度补偿电阻3.4.1.2电路分析(1)启动时(2)启动中(3)启动后(4)电压调节(5)发电机熄火3.4.2充电指示灯控制电路汽车充电指示灯用来表示充电系统的工作情况。大多数汽车是在接通点火开关时充电指示灯亮，表示发电机不工作或电压过低。而在发电机正常工作时，充电指示灯熄灭。因此，发电机工作时，如指示灯突然发亮，则充电系统有故障。1(1)利用中性点电压，通过充电指示继电器控制2(2)利用三相绕组的一相线输出，使充电指示灯工作3(3)在充电电路中增加一个功率稍大的二极管控制3.4.2.1利用中性点电压，通过充电指示继电器控制丰田汽车发电机调节器(带继电器)控制电路原理如图3-32所示，Q为继电器线圈，它承受发电机中性点电压；

K1为继电器常闭触点，搭铁；

K1为继电器常开触点，静触点，接发电机输出电压“+”B处；HL为充电指示灯，亮表示不充电，灭表示充电。图3-32丰田汽车发电机调节器的电路3.4.2.1利用中性点电压，通过充电指示继电器控制电路分析如下。接通点火开关S，充电指示灯HL亮，表示不充电。其通路为：蓄电池“+”极→点火开关S→充电指示灯HL→常闭触点K1→搭铁→蓄电池“-”极，构成回路。(1)启动时(2)启动后发电机电压升高，由他励进入自励。当电压达到充电电压时，在发电机中性点电压作用下，线圈Q的吸力使继电器动作，K2闭合，K1打开，充电指示灯熄灭，表示蓄电池开始充电。同时，K1闭合，将调节器磁化线圈电路接通。调节器根据发电机端电压的高低进行工作，使其保持在一定的范围内。3.4.2.2利用三相绕组的一相线输出，使充电指示灯工作天津大发微型车采用这种控制方式，如图3-33所示，充电指示灯接在三相线圈的一相火线端P点，当打开点火开关，由于发电机未工作，故没有电流输出，充电指示灯电路中没有电流通过，指示灯不亮，表示不充电。当启动发动机时，发电机便具有一定的电压，由发电机P点输出经过充电指示灯，使其发亮。图3-33天津大发汽车充电指示灯电路3.4.2.2利用三相绕组的一相线输出，使充电指示灯工作

其通路为：发电机定子线圈→充电指示灯→搭铁→端盖二极管→发电机定子线圈。值得注意的是：交流发电机工作正常时，充电指示灯亮，表示充电，若充电指示灯突然熄灭，则表示充电系统有故障。3.4.2.3在充电电路中增加一个功率稍大的二极管控制沃尔沃汽车采用这一方式。它的交流发电机与一般的交流发电机相同，仅在电路中增加了一个功率稍大的二极管，其电路如图3-34所示。图3-34瑞典沃尔沃汽车充电指示灯电路3.4.2.3在充电电路中增加一个功率稍大的二极管控制3.4.3喇叭继电器(2)电路分析当按下喇叭按钮后，电流从蓄电池正极→继电器电池接线柱→线圈

继电器按钮接线柱→按钮→搭铁→蓄电池负极。由于继电器线圈有电流通过，铁芯被磁化，将活动触点臂吸下，使其触点闭合，便接通了喇叭电路。电流从蓄电池正极→继电器电池接线柱→触点臂1→触电5→继电器“喇叭”接线柱→搭铁→蓄电池负极构成回路。这时因为电流通过了喇叭线圈，便发出了声响，当松开按钮时，继电器线圈的电流被切断，电磁铁的磁性消失，触点在弹簧的作用下而分开，从而切断了喇叭电路。(1)电路组成喇叭继电器的结构如图3-35所示，继电器由线圈、铁芯、触点臂和触点组成，在外部有喇叭、电池和按钮3