磁路及电磁器件

本章主要介绍的内容有：

●磁场及电磁感应●变压器

●点火线圈

●电磁铁

●继电器

●课题实验第三章磁路及电磁器件第一节磁场及电磁感应

本节主要介绍的内容有：

●磁场的形成及基本物理量

●电流的磁场及磁力线

●电磁感应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。一、磁场的形成及基本物理量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。（1）磁感应强度磁感应强度是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量。它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。磁感应强度用符号B表示，单位是特斯拉（T），也就是韦伯/平方米（Wb/m2）。如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，这样的磁场则称为均匀磁场。（2）磁通磁通就是磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积的乘积，磁通的符号用Ф表示，单位是韦伯（Wb），也就是伏秒（V·S）。（3）磁场强度磁场强度是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度用符号H表示，单位是安培/米（A/m）。2．基本物理量通电直导线周围磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上，如图3-1-3（a）所示。实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都随之改变。磁感线的方向与电流方向之间的关系可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判定：如图3-1-3（b）所示，用右手握住通电直导线，让拇指指向电流方向，则四指环绕的方向就是磁感线的方向。二、电流的磁场及磁力线（4）磁导率磁导率是表征媒介质磁化性质的物理量，用符号μ表示，它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，磁导率的单位是亨利/米（H/m）。1．电流的磁场（1）通电直导线周围的磁场把直导线绕成螺线管线圈，并通入电流，结果通电线圈产生类似条形磁铁的磁场，如图3-1-4（a）所示。由图可见，在线圈外部，磁感线从N极出来进入S极，线圈内部的磁感线方向由S极指向N极，并和外部的磁感线形成闭合曲线。实验证明：通电线圈磁场的强弱，不仅与线圈的电流大小有关，而且还与线圈的匝数有关，即与线的电流和匝数的乘积成正比。通电线圈的磁场的方向，可用右手螺旋定则确定：如图3-1-4（b）所示，右手握住线圈，用弯曲的四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是磁场方向。（2）通电线圈的磁场载流导体在磁场中所受的作用力称为电磁力（或安培力），单位是牛（N）。通电直导体在磁场中所受作用力的方向，可用左手定则判定：如图3-1-5所示，将左手伸开，使拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过掌心，四指朝向导体电流的方向，大拇指所指的方向就是导体所受安培力的方向。2．电磁力如图3-1-6所示，为汽车上装用的动磁式电流表的结构图，黄铜导电板固定在绝缘底板上。3．电磁力在汽车上的应用

（1）在图3-1-7（a）所示的均匀磁场中放置一根导体AB。导体两端联接一个检流计，当导体垂直切割磁感线时，可以明显地观察到检流计指针有偏转。这说明导体回路中有电流存在。另外，当使导体平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转，说明导体回路中不产生电流。（2）在图3-1-7（b）所示实验中，空心线圈两端联接检流计。当用一块条形磁铁快速插入线圈时，我们会观察到检流汁指针向一个方向偏转；如果条形磁铁在线圈内静止不动，检流计指针不偏转；再将条形磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一方向偏转。上述两实验现象说明：当导体相对于磁场运动且切割磁感线或者线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路，则导体或线圈中将有电流流过。三、电磁感应（1）感应电动势的方向做切割磁感线运动的导体产生的感应电动势的方向可由右手定则来确定：平伸右手，拇指与四指垂直；让磁感线垂直穿过掌心，使拇指指向导体运动方向，四指所指方向就是感应电动势的方向（或感应电流的方向），如图3-1-8所示。（2）感应电动势的大小实验证明：在均匀磁场中，做切割磁感线运动的直导体，其感应电动势e的大小与磁感应强度B、导体的有效长度ι、导体的运动速度υ以及导体运动方向与磁感线之间的夹角α的正弦值成正比。1．直导体中的感应电动势（1）感应电动势的方向我们已经知道，线圈中的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律和右手螺旋定则来确定。（2）感应电动势的大小法拉第通过大量实验总结出：线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通量的变化快慢（即变化率）和线圈的匝数N的乘积成正比。2．线圈中的感应电动势一、电磁铁的概念、结构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。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。1．电磁铁的概念2．电磁铁的组成与结构

电磁铁由磁化铁圈、铁心和衔铁3个主要部分组成。常用有马蹄式、拍合式及螺旋管式三种结构，如图3-4-1，马蹄式一般用于起重电磁铁，拍合式常用于继电器，螺旋管式则用于液压电磁阀。电磁铁在生产中的应用极为普遍，图3-4-2中所示的例子是用它来制动机床和起重机的电动机。当接通电源时，电磁铁动作而拉开弹簧，把抱闸提起，于是放开了装在电动机轴上的制动轮，这时电动机便可自由转动。当电源断开时，电磁铁的衔铁落下，弹簧便把抱闸压在制动轮上，于是电动机就被制动。二、电磁铁的类型电磁铁广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。电磁铁分为直流和交流两种。1．直流电磁铁当励磁线圈通入电流时，便产生磁场，铁心和衔铁都被磁化，衔铁受到电磁力的作用而被吸向铁心。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。直流电磁铁中既有电路（励磁线圈回路），又有磁路（闭合铁心磁路）。对于电路，由于是直流励磁，铁心中的磁通是恒定的，线圈中无感应电动势，所以线圈的电流决定于电源电压和线圈的内阻。当电源电压和线圈内阻一定时，励磁电流就恒定不变，磁动势也就不变。对于磁路，当衔铁刚吸合时，衔铁和铁心之间的空气隙最大，此时磁路中磁阻最大，由于磁动势一定，磁通和磁感应强度最小，吸力也最小。当衔铁吸合后，空气隙最小，磁路中磁阻最小，则磁通和磁感应强度最大，所以吸力也最大。所以，在直流电磁铁中，当电源电压和线圈电阻一定时，励磁电流恒定不变，与空气隙大小无关（即磁路不影响电路），但衔铁吸力随衔铁吸合过程将逐渐增大。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，软磁材料铁心和衔铁三部分组成。当交流电磁铁的铁心线圈通入正弦交流电时，铁心中便产生交变磁通，当电源频率和线圈匝数一定时，铁心中磁通的最大值与电源电压的有效值成正比。当电压有效值不变时，铁心中磁通的最大值亦保持恒定不变，与磁路的情况（如铁心材料的磁导率、气隙大小等）无关。交流电磁铁是用交流电励磁的，气隙中的磁感应强度随时间而变化，所以交流电磁铁的吸力也要随时间而变化。一般计算时，只考虑其平均值，平均吸力是最大吸力的一半。交流电磁铁的吸力如图3-4-3所示，在零与最大值之间脉动，因而衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁环（图3-4-4）。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，使在磁极两部分中的磁通Ф1与Ф2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。●提示：交流电磁铁的铁心是由硅钢片叠成的。这是因为铁心中的磁通是交变的，要产生涡流和磁滞损耗。为了减小铁心损耗，必须用硅钢片叠合而成。而在直流电磁铁中，因磁通是恒定的，无铁心损耗，铁心是用整块软钢制成的。●进一步：交直流电磁铁除有上述的不同外，还应该知道，它们在吸合过程中电流和吸力的变化情况也是不一样的。●提示：汽车电路中主要应用直流电磁铁，交流电磁铁在汽车中的应用很少。第五节继电器

本节主要介绍的内容有：

●继电器的概念

●继电器的类型、结构、符号和主要参数

●汽车继电器的典型应用一、继电器的概念

继电器是自动控制电路中常用的一种元件，它是用较小的电流来控制较大电流的一种自动开关，在电路中起着自动操作、自动调节、安全保护等作用。在工业控制中使用的中间继电器、热继电器等体积较大，线圈通过的电流或承受的电压较大，触点允许通过的电流较大。在汽车电气系统中所使用的继电器体积较小，触点控制的电流也较小，属于小型继电器。本节主要讨论小型继电器。二、继电器的类型、结构、符号和主要参数1．继电器的类型（1）电磁式继电器

继电器的种类很多，常用的有电磁式和干簧式两种。电磁式继电器是一种具有跳跃输出特性、传递信号的电磁器件。它由电磁机构与触点系统两部分组成，包括铁心、衔铁、线圈、回位弹簧和触点等，如图3-5-1所示。（2）干簧式继电器干簧式继电器与电磁式继电器的主要区别就是，干簧式继电器的触点是一个或几个干簧管，如图3-5-2所示为干簧式继电器的结构，它的符号与电磁式继电器一样。当继电器线圈通以电流时，在线圈中心工作气隙中形成磁通回路，从而使干簧管的一对触点吸合。电子继电器相当于一个大电流的开关管。2．继电器符号在电路中，表示继电器时只要画出它的线圈和与控制电路有关的接点组就可以了。继电器的线圈用一个长方框符号表示，同时在长方框内或框旁标上这个继电器的文字符号“K”。表3-5-1中列出了继电器的常用符号和三种接点的符号。3．继电器的主要电气参数

（1）线圈电压和功率是指继电器线圈使用的是直流电还是交流电，以及线圈消耗的额定电功率。 （2）线圈电压是指继电器正常工作时线圈需要的电压值。（3）线圈电阻是指线圈的电阻值。（4）寿命（触点负荷）是指触点的负载能力，有时也称为触点容量。三、汽车继电器的典型应用1．起动继电器

在采用电磁啮合式起动机的起动电路中，起动开关常与点火开关制成一体，由于通过起动机电磁开关（吸引线圈和保持线圈）的电流很大（大功率起动机可达30～40A），而使点火开关早期损坏。为此，在有些汽车上，点火开关和起动机电磁开关之间装有起动继电器，如图3-5-3所示。继电器是一种用小电流控制大电流的器件，在汽车上经常利用开关控制继电器的吸合与断开，再利用继电器的触点控制电器部件的通断。在汽车上常用的继电器有：起动继电器、喇叭继电器、闪光（转向）继电器、刮水继电器等。下面做简单介绍。2．喇叭继电器

图3-5-4所示为继电器在喇叭电路中的应用。3．闪光继电器

闪光继电器又称为闪光器，按其结构不同，可分为阻丝式、电容式和电子式三种。其中阻丝式又可分为热丝式（电热式）和翼片式（弹跳式），而电子式又可分为混合式（带触点的继电器与电子元件）和全电子式（无继电器）。图3-5-5为电容式闪光器工作原理图。它由一个继电器和一个电容器组成。在继电器铁芯上绕有串联线圈和并联线圈，电容则采用大容量（1500μF）电解电容。利用电容器充放电延时特性，使继电器的两个线圈的电磁吸力时而相加，时而相减，产生周期性的开关动作，使转弯信号灯闪烁。4、刮水继电器图3-5-6为EQ1090F型汽车上的间歇刮水器线路图，除刮水开关外，还有一个内部带有时间继电器的间歇继电器（刮水继电器）。刮水器上有0、I、Ⅱ、Ⅲ四个挡位，其中0挡为停止挡，I挡为间歇挡，Ⅱ挡为低速挡，Ⅲ挡为高速挡，工作原理如下。当刮水器开关拨