汽车电工与电子基础（第4版）课件：磁路与变压器

汽车电工与电子基础（第4版）

磁路与变压器单元学习目标知识目标：１.简述磁路基本物理量和基本定律ꎬ以及铁磁材料的磁性能。２.简述特殊变压器各自的特点。３.正确描述变压器的工作原理和使用方法。能力目标：１.会进行磁路分析，判别同名端。

２.会识别变压器类型，正确使用变压器。

３.对汽车点火线圈的工作原理、使用有较全面的了解。磁路变压器12

磁路１.１磁路的基本物理量

磁感应强度Ｂ是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量，如图４-１ｂ)所示的变压器磁路中，当线圈中通有励磁电流时，在铁芯内就产生磁场，磁场的大小与线圈的匝数和电流的大小有关，用通过垂直于磁场方向单位面积的磁感线数目表示磁感应强度Ｂ的大小，磁场的方向与励磁电流的方向有关，这个关系可用右手螺旋定则来表示，磁感应强度的单位是特斯拉(Ｔ)，简称特。图４-１几种常用电工设备的磁路

磁路１.１磁路的基本物理量

在均匀磁场中，磁通Φ等于磁感应强度Ｂ与垂直于磁场方向的面积Ｓ的乘积，即

Φ＝ＢＳ或Ｂ＝ΦＳ

故B又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，可取B的平均值，磁通的单位是韦伯(Ｗｂ)，简称韦。1Wb=1V·s（伏·妙）

磁路１.１磁路的基本物理量

磁导率

μ是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米(Ｈ/ｍ)。

磁路由于铁磁物质的磁导率μ不是常数，磁场的计算比较复杂，为了简化计算，引入磁场强度Ｈ这一辅助物理量，磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质的磁导率无关，磁场强度的单位是安/米(Ａ/ｍ)。１.２磁路的基本定律

磁场强度H的大小与磁感应强度B的大小之间的关系为

磁路１.２磁路的基本定律安培环路定律又称全电流定律，是计算磁场的基本定律，其内容是: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，即计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。

磁路１.２磁路的基本定律在电工技术中，常常遇到如图４-１ｂ)所示的情况，即闭合回路上各点的磁场强度Ｈ相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则安培环路定律可简化为b)变压器的磁路图4-1几种常用电工设备的磁路

磁路１.２磁路的基本定律式中1为回路(磁路)长度，由于电流Ｉ和闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则，如线圈有Ｎ匝，电流就穿过回路Ｎ次，因此所以式中Ｆ称为磁动势，单位是安(Ａ)。

磁路１.２磁路的基本定律在图4-1ｂ)所示的磁路中，磁通Φ为式中Ｒｍ＝ｌ/μＳ称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量。上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧姆定律。

磁路１.２磁路的基本定律磁路与电路有许多相似之处，见表4-1。

磁路１.３铁磁材料的磁性能

磁路１.３铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁饱和性表现在磁感应强度B不会随磁场强度H的增强而无限增强，当磁场强度H增大到一定值时，磁感应强度B不能继续增强，这就是铁磁材料的磁饱和性，铁磁材料的磁化曲线如图4-2所示。图４-２磁化曲线

磁路

铁磁材料不同，磁滞回线和磁化曲线也不同，按照铁磁材料磁滞回线的形状以及在工程中的用途不同，铁磁材料可分为以下３种类型，即软磁材料、硬磁材料和矩磁材料，图４-４所示为铁磁性材料分类。１.３铁磁材料的磁性能图４-４铁性磁材料分类

磁路１.３铁磁材料的磁性能

软磁材料的特点是磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小，软磁材料又分为低频和高频两种，低频软磁材料常用于工频交流电路中，有铸钢、硅钢片、坡莫合金等，硅钢片的厚度一般为０.３~１.０ｍｍ，硅钢片有冷轧与热轧之分，冷轧性能较好，但价格也较贵，常用于变压器和大型电动机的铁芯，高频软磁材料常用于电子电路，主要有软磁铁氧体，它是用几种氧化物的粉末烧结而成的，如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等，半导体收音机的磁棒、中周变压器的铁芯，都是用软磁铁氧体制成的。１)软磁材料

磁路１.３铁磁材料的磁性能

硬磁材料的特点是剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽，由于这类材料磁化后有很强的剩磁，宜制作永久磁铁，硬磁材料广泛用于各种磁电系测量仪表、扬声器等，常用的有碳钢、钴钢等，新型的硬磁材料钕铁硼合金，有极高的磁感应强度，能使永久磁铁的体积大为减小。２)硬磁材料

磁路１.３铁磁材料的磁性能

矩磁材料的特点是只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形，老式计算机的存储磁芯就是利用这种原理制造的，矩磁材料的＋Ｂ及－Ｂ两种状态，分别代表二进制数０和１两个数码，起到记忆功能。３)矩磁材料

磁路１.４交流铁芯线圈电路将线圈绕制在铁芯上便组成铁芯线圈，如图4-5所示。

图４-５交流铁芯线圈

磁路１.４交流铁芯线圈电路

磁路１.４交流铁芯线圈电路将交流铁芯线圈接通交流电源，铁芯形成的磁路就有交变磁通Φ。同时也在空气中产生漏磁通Φσ。这两个磁通分别在线圈中产生主磁电动势ｅ和漏磁电动势ｅσ。设电压ｕ、电流ｉ、磁通Φ、主磁电动势ｅ和漏磁电动势ｅσ的参考方向如图４-５所示，由基尔霍夫电压定律有式中Ｒ为铁芯线圈的电阻。

磁路１.４交流铁芯线圈电路设主磁通按正弦规律变化，则有则式中为主磁电动势ｅ的振幅，其有效值为

磁路１.４交流铁芯线圈电路通常由于线圈的电阻Ｒ和漏磁通Φσ都很小，Ｒ上的电压和漏磁电动势ｅσ也很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是上式表明在忽略线圈电阻Ｒ及漏磁通Φσ的条件下，当线圈匝数Ｎ及电源频率ｆ为一定时，主磁通的幅值Φｍ由励磁线圈外的电压有效值Ｕ确定，与铁芯的材料及尺寸无关。这一点和直流铁芯线圈不同，直流铁芯线圈的电压不变时，电流也不变，而磁通Φ却随磁路情况而改变。

磁路１.４交流铁芯线圈电路

图４-６交流铁芯线圈的等效电路

磁路１.４交流铁芯线圈电路【例４-１】有一铁芯线圈，接到Ｕ＝２２０Ｖ、ｆ＝５０Ｈｚ的交流电源上，测得电流Ｉ＝２Ａ，功率Ｐ＝５０Ｗ。

磁路１.４交流铁芯线圈电路解:(１)阻抗:(２)铜损铁损:或

变压器２.１变压器的工作原理变压器种类很多，图４-７是常见的变压器，由铁芯和绕组组成，其结构示意图如图４-８所示。图４-7变压器图４-8

变压器结构形式

变压器２.１变压器的工作原理

图４-9单相变压器的空载运行示意图

变压器２.１变压器的工作原理空载时变压器的一次绕组电路就是一个含有铁芯线圈的交流电路。根据前面所学知识可知，主磁通Φ在一次、二次绕组中产生的感应电动势分别为式中，Ｎ１、Ｎ２分别为一次、二次绕组匝数，ｆ为电源频率，Φｍ为主磁通的最大值。

由上两式可得式中，ｋ称为变压器的变比，亦即一次、二次绕组的匝数比。

变压器２.１变压器的工作原理根据一次绕组电路电动势平衡关系式在忽略很小的漏磁电动势和一次绕组电阻的电压降时，可得有效值关系为

变压器２.１变压器的工作原理由于是空载，所以二次绕组空载电压为则上式为变压器的基本公式，它说明变压器空载时，一次、二次绕组的电压比近似等于它的匝数比。可见，当电源电压片一定时，只要改变ｋ即可得出不同的输出电压Ｕσ２。ｋ>１时为降压变压器；ｋ<１时为升压变压器。

变压器２.１变压器的工作原理

图４-10单向变压器的负载运行示意图

变压器２.１变压器的工作原理

因空载电流与负载电流相比较小，近似计算时可以忽略不计空载磁动势。电流大小关系即为

变压器２.１变压器的工作原理上式反映了变压器变换电流的作用，即一次、二次绕组电流之比近似等于匝数的反比。变压器越接近满载运行，其比值关系越准确。由此可见，变压器的电流虽然由负载的大小确定，但一次、二次绕组电流的比值却不变。因为负载增加而使二次绕组电流增加时，一次绕组电流也必须增加，以抵消二次绕组电流对主磁通的影响，维持主磁通基本不变ꎮ。负载运行时一次、二次绕组的电动势平衡式为

变压器２.１变压器的工作原理二次绕组的漏磁电动势和电阻的压降都较小，忽略不计后得到可得到有效值大小之比为上式说明，变压器在负载运行时，电压之比仍近似等于匝数之比。

变压器２.１变压器的工作原理变压器除了能改变交流电压、电流的大小以外，还能变换交流阻抗，这在电子、电信工程中有着广泛的应用。设接在变压器二次绕组的负载阻抗Ｚ的模为|Ｚ|，则Ｚ反映到一次绕组的阻抗模|Ｚ′|为

变压器２.１变压器的工作原理上式表明，负载Ｚ通过变比为ｋ的变压器接至电源，与负载|Ｚ′|直接接至电源的效果是一样的。这样，不论负载阻抗有多大，只要在信号源与负载之间接入一个变压器并适当选择变比，都能使负载等效阻抗等于信号源阻抗，从而保证负载获得最大的输出功率，这就是变压器的阻抗变换原理。

变压器２.１变压器的工作原理

变压器２.１变压器的工作原理解:(１)负载直接接信号源时，负载获得功率为

变压器变比为

变压器２.２变压器的使用

变压器２.２变压器的使用图４-12变压器的外特性曲线

变压器２.２变压器的使用变压器的损耗和效率：变压器的损耗与交流铁芯线圈相似，包括铜损和铁损，即

变压器２.２变压器的使用

变压器的效率很高，大型变压器的效率可达９５％以上，小型变压器效率为７０％~８０％ꎮ。研究表明，当变压器的铜损等于铁损时，其效率接近最高。

变压器２.２变压器的使用在使用变压器或磁耦合的互感线圈时，要注意绕组的连接。如一台变压器有两个匝数相同的一次绕组，它们的端子分别用１、２和３、４表示，如图4-13所示。

图4-13变压器线圈的同极性端

变压器２.２变压器的使用如果把其中一个线圈反绕ꎬ如图4-14所示，则１、４(或２、３)端为同极性端。可见，同极性端与线圈绕向有关。因此，只需根据线圈绕向来确定同极性端。若无法辨认绕向时，就得借助于实验方法。图４-14变压器反接时的同极性端

变压器２.２变压器的使用(１)直流法:接线如图４-15ａ)所示，当开关Ｓ闭合瞬间，若直流毫安表的指针正向偏转，则１和３是同极性端:反向偏转时则１和４是同极性端。a)直流法图４-15测定变压器绕组的同极性端

变压器２.２变压器的使用

b)交流法图４-15测定变压器绕组的同极性端

知识拓展特殊变压器１.自耦变压器

自耦变压器的结构特点是二次绕组是一次绕组的一部分，一次、二次绕组不但有磁的联系，也有电的联系，如图４-16所示。一次、二次绕组电压之比和电流之比为：图４-16自耦变压器

知识拓展特殊变压器２.仪用互感器

在直流电路中，测量较大的电流常并联分流电阻，测量较高的电压常串联分压电阻。在交流电路中，电流更大，电压更高，由于绝缘要求和仪表制造工艺方面的原因，用仪表直接去测量大电流和高电压是不可能的，必须借助仪用互感器进行间接测量。仪用互感器有电流互感器和电压互感器，将大电流变换成小电流的称电流互感器，将高电压变换成低电压的称电压互感器。仪用互感器的工作原理与变压器相同，但由于用途不同、安装地点不同、电压等级不同，在构造和外形上有明显的区别。

知识拓展特殊变压器３.电流互感器

电流互感器的原绕组线径较粗，匝数很少，有时只有一匝，与被测电路负载串联；二次绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电能表、继电器的电流线圈串联。如图４-17ａ)所示。根据变压器电流变换原理，电流互感器一次、二次绕组电流之比为

知识拓展特殊变压器４.电压互感器电压互感器的一次绕组匝数很多；并联于待测电路两端，二次绕组匝数较少，与电压表及电能表、功率表、继电器的电压线圈并联，如图４-17ｂ)所示。根据变压器电压变换原理，电压互感器一次、二次绕组电压之比为

实例分析汽车点火系统的点火线圈与电路１.闭磁路点火线圈结构闭磁路点火线圈结构如图４-18所示，在“日”字形铁芯内绕有一次绕组。在一次绕组外面绕有二次绕组，为减小磁滞损耗，在磁路中有一很小的气隙，由于闭合磁路基本由铁芯构成，漏磁少，磁路磁阻相对于开磁路点火线圈小很多，在同样的磁通下需要的磁通势(绕组匝数与励磁电流乘积)比较小。因此绕组匝数或励磁电流就比较小。这样一方面使得点火线圈能量转换效率高；另一方面减少了绕组匝数，使得点火线圈的体积变小，结构紧凑。

实例分析汽车点火系统的点火线圈与电路图４-18闭磁路点火线圈结构

实例分析汽车点火系统的点火线圈与电路２.闭磁路点火系统的工作原理

闭磁路点火系统工作原理如图４-19所示。汽