新能源汽车电力电子技术 课件 第3章 电磁学基础及其应用

第3章磁路与铁芯线圈电路磁场的基础知识3.1铁芯线圈磁路3.2汽车中常用电磁器件3.33.1磁场的基础知识3.1.1

磁场的基本物理量3.1.2

铁磁材料的磁性能3.1.3

磁路的基本定律3.1.1磁场的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度

是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（

T），简称特。2.磁通在均匀磁场中，磁感应强度

与垂直于磁场方向的面积

的乘积，称为通过该面积的磁

通，在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。3.磁导率磁导率

是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米（

）。任意一种物质的磁导率与真空的磁导率之比称为相对磁导率。4.磁场强度磁场强度

是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量，为了从磁感应强度中

除去磁介质的因素。3.1.2铁磁材料的磁性能物质按其导磁性能可分为两大类。一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴等，这类材料的导磁性能好，磁导率

值大；另一类为非铁磁材料，如铜、铝、纸、空气等，此类材料的导磁性能差，磁导率

值小（接近真空的磁导率

）。铁磁材料是制造变压器、电动机等各种电工设备的主要材料。铁磁材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有很大影响。铁磁材料的磁性能主要表现为高导磁性、磁饱和和磁滞性。1.高导磁性铁磁材料具有很强的导磁能力，在外磁场作用下，其内部的磁感应强度会大大增强，相对磁导率可达几百、几千甚至几万。这是因为在铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴。每个磁畴就像一块小磁铁。在无外磁场作用时，这些磁畴的排列是不规则的，对外不显示磁性，如图3-1（a）所示。在一定强度的外磁场作用下，这些磁畴将顺着外磁场的方向趋向规则的排列，产生一个附加磁场，使铁磁材料内的磁感应强度大大增强。如图3-1（b）所示，这种现象称为磁化。（a）磁化前

（b）磁化后图3-1铁磁材料的磁化3.1.2铁磁材料的磁性能2.磁滞性如果励磁电流是大小和方向都随时间变化的交变电流，则铁磁材料将受到交变磁化。在电流交变的一个周期中，磁感应强度随磁场强度变化的关系如图3-2所示。图3-2磁滞回线随着磁场强度不断正反向变化，得到的磁化曲线为一封闭曲线。在铁磁材料反复磁化的过程中，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞现象，如图所示的封闭曲线称为磁滞回线。3.1.2铁磁材料的磁性能铁磁材料按其磁性能可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三种类型，如图3-3所示是不同类型的磁滞回线。其中，图3-3（a）是软磁材料，图3-3（b）是硬磁材料，图3-3（c）是矩磁材料。软磁材料的剩磁和矫顽磁力较小，磁滞回线形状较窄，但磁化曲线较陡，即磁导率较高，所包围的面积较小。硬磁材料的剩磁和矫顽力较大，磁滞回线形状较宽，所包围的面积较大。矩磁材料的磁滞回线近似于矩形，剩磁很大，接近饱和磁感应强度，但矫顽磁力较小，易于翻转。（a）是软磁材料

（b）硬磁材料

（c）矩磁材料图3-3三种不同类型的磁滞回线2.磁滞性3.1.2铁磁材料的磁性能3.1.3磁路的基本定律1.磁路

在通有电流的线圈周围和内部存在着磁场。当线圈中通过电流时，铁芯即被磁化，使得其中的磁场大为增强，故通电线圈产生的磁通主要集中在由铁芯构成的闭合路径内，这种磁通集中通过的路径便称为磁路。用于产生磁场的电流称为励磁电流，通过励磁电流的线圈称为励磁线圈或励磁绕组。下图为几种常见的磁路。常见的几种铁心2.电生磁的基本定律-安培环路定律安培环路定律也称为全电流定律,如图3-5所示。沿空间任意一条闭合回路l，磁场强度的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。

式中,H为沿该回路上各点切线方向的磁场强度分量，i为每根导体中的电流;磁场强度沿闭合回路的线积分与所选的路径无关。图3-5安培环路定律3.磁生电的基本定律一法拉第电磁感应定律电磁感应现象:变化的磁场会产生电场,使导体中产生感应电动势,这就是电磁感应现象。感应电动势和磁场之间符合法拉第电磁感应定律。电磁感应现象主要表现在以下两个方面。(1)磁场对通电直导体的作用如图3-6所示，导体与磁场有相对运动,导体切割磁力线时,导体内产生感应电动势,称为切割电动势。做切割磁力线运动的导体,产生感应电动势的方向可用右手定则来确定。图3-6导体作切割磁力线运动(2)磁场对通电线圈的作用

当线圈中磁通发生变化时,线圈中产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律来判定:线圈中感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。图3-7所示为楞次定律实验原理图,表示了在插入线圈和拔出线圈两种情况下线圈的感应电动势的方向。

法拉第通过大量实验总结出:当线圈中的磁通量增加时,感应电流就要产生与它方向相反的磁通去阻碍它的增加(增反);当线圈中原来的磁通量减小时,感应电流就要产生与它方向相同的磁通去阻碍它的减小(减同)。(a)插入线圈

(b)抜出线圈图3-7椤次定律实验原理图4.自感现象由通入线圈的电流变化而产生感应电动势的现象叫自感现象,由自感现象产生的感应电动势叫自感电动势。自感现象属于电磁感应现象。自感系数是用来描述线圈产生自感磁通能力的物理量。定义线圈中的磁通量与产生该磁通的电流的比值叫自感系数,又叫电感,用符号L表示,单位是亨[利](H)。即

按照法拉第电磁感应定律,回路中所产生的自感电动势可用自感系数L表示为

上式表明,自感电动势的大小与线圈的电感及线圈中外电流的变化率成正比。负号表示自感电动势的方向总是企图阻碍外电流的变化。5.互感现象互感现象是指一个线圈中的电流变化使得另一个线圈产生感应电动势的现象,如图3-8所示。互感现象产生的电动势叫作互感电动势,也用符号e表示

那么

此公式是交流发电机设置电压调节器的理论依据。图3-8互感现象

如图所示为绕有线圈的铁芯，电流、磁通、线圈匝数、磁路的截面积、磁路的材料磁的导率之间关系如下式：该式与电路中的欧姆定律相似，因而称它为磁路欧姆定律。磁路与电路虽然有许多相似之处，但它们的实质是不同的。而且由于铁芯磁路是非线性元件，其磁导率是随工作状态剧烈变化的。因此，一般不宜直接用磁路欧姆定律和磁阻公式进行定量计算，但在很多场合可以用来进行定性分析。

铁心线圈电路6.磁路的欧姆定律3.2

铁芯线圈磁路3.2.1直流铁芯线圈磁路3.2.2交流铁芯线圈磁路

3.2.1直流铁芯线圈磁路

3.2.2交流铁芯线圈磁路

如图

所示是交流铁芯线圈电路，线圈的匝数为N，当在线圈两端加上正弦交流电压

时，就有交变励磁电流i流过。设线圈电阻为R。根据磁路定析可得：

上式给出了铁芯线圈在正弦交流电压作用下，铁芯中磁通最大值与电压有效值的数量关系。1.电磁关系

2.功率损耗（1）磁滞损耗铁磁材料交变磁化的磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗。它是由铁磁材料内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁心发热而造成的损耗。铁心单位体积内每周期产生的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。为了减小磁滞损耗，交流铁芯均由软磁材料制成。（2）涡流损耗铁磁材料在交变磁通的作用下铁芯内将产生感应电动势和感应电流，感应电流在垂直于磁通的铁芯平面内围绕磁力线呈旋涡状，故称为涡流。涡流使铁芯发热，其功率损耗称为涡流损耗，为了减小涡流，可采用硅钢片叠成的铁芯。

3.2.2交流铁芯线圈磁路3.3汽车中常用电磁器件3.3.1电磁铁3.3.2变压器3.3.3电磁阀3.3.4继电器3.3.5接触器3.3.1电磁铁

电磁铁是利用载流铁芯线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。电磁铁主要由线圈、铁心及衔铁三部分组成。

当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。电磁铁

变压器由铁芯和绕在铁芯上的两个或多个线圈（又称绕组）组成。铁芯的作用是构成变压器的磁路。根据铁芯结构形式的不同，变压器分为壳式和心式两种。下图

为一个单相双绕组变压器的原理结构示意图及其图形符号。两个绕组中与电源相连接的绕组称为一次绕组，又称原绕组或初级绕组。

（a）心式（b）壳式1.变压器的基本结构3.3.2变压器

2.变压器的工作原理

如图

所示为单相变压器的工作原理图

1.电压变换

2.电流变换3.阻抗变换3.3.2变压器

3.变压器的外特性

变压器的输出电压随所带负载性质的变化而变化，利用变压器的外特性描述它们之间的关系。通常希望二次电压的变动越小越好。

在一般变压器中，由于其电阻和漏磁感均很小，电压变化率约为5%左右。

变压器外特性3.3.2变压器4.变压器的主要参数(1)额定电压（、）

额定电压是根据绝缘强度和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常工作电压和一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压有效值。(2)额定电流（、）

变压器连续运行时，一、二次绕组允许通过的最大电流有效值。(3)额定容量（）

变压器二次侧额定电压和额定电流的乘积。(4)额定频率（）

变压器应接入的电源频率。3.3.2变压器

自耦变压器的结构特点是：二次绕组是一次绕组的一部分，而且一、二次绕组不仅有磁的耦合，还有电的联系。上述变压、变流和变阻抗关系都适用于它。

自耦变压器的外形与原理图除了单相自耦变压器之外，还有三相自耦变压器。

(1)自耦变压器5.几种常见的变压器(2)互感器互感器是配合测量仪表专用的小型变压器，使用互感器可以扩大仪表的测量范围，使仪表与高压隔开，保证仪表安全使用。

①电压互感器电压互感器一次与二次电压关系为：

②电流互感器电压互感器电流互感器

电流互感器一、二次侧绕组电流关系为：3.3.3电磁阀1.电磁阀的结构、分类、符号(1)电磁阀的结构电磁阀主要由阀体、阀心、动铁心、线圈、弹簧等组成。当线圈通电或断电时,所产生的磁场会改变阀心的运动方向,从而使流体通过阀体或在阀体处被切断。(2)电磁阀的分类电磁阀从原理上可分为直动式电磁阀、分步直动式电磁阀和先导式电磁阀3大类;电磁阀从气路通断方式可分为常闭型和常开型;生产中常用的电磁阀有二位二通、二位三通、二位四通及二位五通等。(3)电磁阀的符号表3-1是常见的电磁阀图形符号,图形符号的含义如下:表3-1常见电磁阀符号3.3.3电磁阀2.电磁阀的工作原理

电磁阀工作原理就是电流通过电磁线圈时利用电磁线圈产生的电磁力的作用,推动阀心移动、实现各个气路油路的通断。单电控的失电时在弹簧力的作用下回复原位,双电控的保持原位、先导式的按功能而定。如图3-21所示为直动式电磁阀工作原理图。其工作原理:通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开；断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。特点:在真空、负压、零压时能正常工作,但通径一般不超过25mm。(a)断电时电磁阀关

(b)通电时阀开图3-21直动式电磁阀工作原理3.3.3电磁阀3.3.4继电器继电器是自动控制电路中常用的一种电磁元器件,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。(a)结构

(b)图形符号图3-22电磁式继电器汽车控制电路大多采用电磁式继电器作为控制执行部件,电磁式继电器如图3-22所示,当线圈两端加上直流电压时,就会有电流流过线圈,在线圈的周围就产生磁场。

图3-23为汽车电路中常用的继电器内部结构插座插脚布置图。图3-23汽车电路中常用继电器内部结构及插座插脚a)动合型

b)动合型（带保护二极管）

c)混合型

d)混合型（带泄流电阻）3.3.5接触器1.直流接触器