单元四(汽车电工电子技术基础).ppt

1、,单元3 电磁学的应用,汽车工程学院,知识目标 1.掌握磁场、磁路的基本概念 2.掌握变压器结构和工作原理 3.了解汽车继电器的典型应用 能力目标 1.能够进行磁路分析 2.能够分辨直流电磁铁、交流电磁铁,电磁学的应用,一、电磁基础知识,二、电磁感应,三、变压器,四、电磁铁,五、继电器,历史人物,法拉第电学之父,迈克尔法拉第(Michael Faraday,17911867年)是19世紀电磁学领域中最伟大的实验物理电家。由于家境贫苦，他只在7岁到9岁读过两年小学。法拉第的贡献之一是提出了场的概念。他反对超距作用的说法，设想带电体、磁体周围空间存在一种物质，起到传递电、磁力的作用，他把这种物资称

2、为电场、磁场1852年，他引入了电力线(即电场线)、磁力线(即磁感线)的概念，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线形状。场的概念和力线的模型，对当时的传统观念是一个重大的突破。为了纪念他，用他的名字命名电容的单位法拉。,一、电磁基础知识,1、电流的磁场,磁石吸铁的性质叫做磁性，具有磁性的材料被称为磁性材料，通常所说的磁铁就是一种具有磁性的材料。,一切磁现象都源于电流，永久磁铁磁性的起源于分子环流。组成一切物质的分子是一个个的小环形电流，物质被磁化后，分子环流规则排列，从而对外产生磁场。磁场方向规定为小磁针的N极在磁场中任一点所指的方向为该点的磁场方向。在研究磁场时，引入磁力线来形象地描绘磁场分布，磁

3、力线在任一点的切线方向为该点的磁场方向。,磁现象本质,磁性物质的磁化,1）磁感应强度B,磁感应强度B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。磁感应强度与产生它的电流之间的方向关系满足右螺旋法则。,若磁场强度方向与大小 相同，称为均匀磁场,在国际单位制中，磁感应强度的单位是T(特斯拉)，1T=1Wb/m2。 在工程计算中，采用G(高斯)作为磁感应强度的单位，1G=10-4T。,2、磁场的基本概念,磁感应强度的数学式为,2）磁通,在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该截面的磁通 ，又称为磁通密度。,或,磁通的单位是韦伯，简称韦，用字母Wb表示。,3）磁

4、导率,磁导率是用来表征物质导磁能力的物理量，它的单位是H/m（亨/米）。实验测出，真空（或空气）的磁导率是一个常数，为,H/m,其他物质的磁导率与真空的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r，即,若某物质r1，称为顺磁物质，如空气，r=1.000003；若其r1，则称逆磁物质，如铜，r=0.999995。,有些物质的r非常大，我们将r1的物质称为铁磁材料，如铸钢（r13000），铁、钴、镍及其合金等，r均非常大且不为常数。而将r1的物质称为非铁磁物质，且r为常数。,铁磁物质的导磁性能很好，在线圈内加上较小的电流便可产生很强的磁场。常用来作变压器、电动机等设备的激励线圈铁心。,4）磁场强度H,

5、由于磁感应强度与处在磁场中物质的磁导率有关，且铁磁物质的磁导率又不是常数，为了方便对磁场强度的分析和计算，引入了一个描述磁场强弱和方向的辅助量磁场强度H。定义它为磁场中某点的磁感应强度与磁导率之比：,H与材料的磁导率无关，仅与产生磁场的电流有关。,3、磁路,在线圈中通入电流，线圈的周围便产生磁场，磁场的分布常用一些闭合线（磁力线）来描述，磁力线所经过的路径称为磁路。为了获得更强的磁场，常将线圈绕在一定形状的铁心上,由于铁心比空气导磁性能更好，这样电流形成的磁力线（磁通）大部分通过铁心而闭合，形成了主磁路，铁心内的磁通称为主磁通0。,另一少部分磁力线（磁通）经过空气而闭合形成了次磁路，经空气与线

6、圈交链的磁通称为漏磁通，在实际应用中，由于漏磁通很少，有时为了便于分析问题，可将其忽略不计。,用于产生磁通的电流称为励磁电流，流过励磁电流的线圈称为励磁线圈。由直流电流励磁的磁路称为直流磁路，由交流电流励磁的磁路称为交流磁路。,说明：,磁路和电路具有相似之处,电路中的电动势是形成电流的原因,磁路中的磁动势是产生磁通的原因,磁动势：,Fm=NI,式中Fm磁动式，安培（A） N线圈匝数 I通过线圈的电流。,电路中有电阻,磁路中亦有磁阻。它是磁通通过磁路时受Rm的阻碍作用,磁阻Rm的大小与磁路的长度L成正比,与磁路的横截面积S成反比,并与组成磁路材料的磁导率有关。,一般说来对于铁磁性材料来说磁导率,

7、磁通和磁动式磁阻之间的关系为：,不是常数，所以Rm不是,常数所以上述公式只能用来定性分析，不能用于磁路计算。,二、电磁感应,电流可以产生磁场,那么反过来,磁场是否能产生电流呢?英国物理学家法拉第于1831年发现磁在一定条件下能使导体产生电流，这一类电磁现象称为电磁感应。这一发现不仅深刻地揭示了电和磁之间的内在联系,进一步推动了电磁理论的发展,而且在生产技术上具有划时代的意义。根据电磁感应原理,入们设计并制造了发电机、感应电动机和变压器等电力设备。,引言,1、直导体中的感应电动势,1）感应电动势的方向,作切割磁力线运动的导体,其产生感应电动势的方向可用右手定则来确定:平伸右手,拇指与四指垂直,让

8、磁感线垂直穿过手心,拇指指向运动方向,四指所指方向就是感应电动势的方向(或是感应电流方向)。,需要注意的是：判断感应电动势方向时要把导体看成一个电源，在导体内部,感应电动势方向由负极指向正极。感应电流方向与感应电动势方向相同。当直导体没有形成闭合回路时,导体中只产生感应电动势,不产生感应电流。,2）感应电动势的大小,的正弦值成正比,即,实验证明:在均匀磁场中,作切割磁力线运动的直导体,其感应电动势e的大小与磁感应强度B、导体的有效长度l、导体的运动速度v以及导体运动方向与磁感线方向之间夹角,e=Blvsina,例 受外力作用的直导体AB,在匀强磁场中以v = 20 m/s的速度做匀速直线运动。

9、设B=1T,导体有效长度l=0.5m,导体电阻R0=1,负载电阻R=9。试求导体AB中的感应电动势e和电流I。,解:用右手定则确定的电动势e的方向为由下指向上。其大小为,电流方向与e相同,大小为：,2、线圈中的感应电动势,1）感应电动势的方向,线圈中的磁通量发生变化时,线圈就会产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律 来判定,楞次定律,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磁通,和线圈匝数N成正比。通常把这个规律叫法拉,第电磁感应定律,其数学表达式为：,量的变化率,3、自感,1）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

10、生的感应电动势叫自感电动势。显然,自感现象属于电磁感应现象。,2）自感系数,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,由上式看出,电感表示线圈通过外电流所产生的自感磁通。电感越大,表示线圈产生自感磁通的能力越大。,电感的大小与线圈的匝数、形状、大小及周围介质的磁导率有关。对给定的空心线圈,电感是常数,即不随线圈中电流变化而变化,故称线性电感。铁心线圈由于铁磁材料的磁导率不是常数,所以它的电感随外电流的变化而变化,故称非线性电感。在其他条件相同的情况下,线圈匝数越多,电感越大；有铁心的电感比

11、空心线圈的电感大很多。,3）自感电动势,自感电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求得,即,即,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。,4、互感,互感现象是指一个线圈中的电流变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象。互感现象产生的电动势叫互感电动势,也用符号e表示。,那么,正弦交流电在交流铁芯中，电源电压u,-e1,磁通,则电源电压的有效值为,此公式是交流发电机设置电压调节器的理论依据。,电磁感应作用在导体内部感生的电流，电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁的分布而不同，其路径往往有如水中的漩涡，因此称为涡流。 涡流的产生：

12、把块装金属置于随时间变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强，这会造成很大的危害，所以要设法尽量避免。,5、涡流现象,三、变压器,变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。用硅钢片叠压成的变压器铁芯与电源相接的是一次侧绕组,与负载相接的是二次侧绕组。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘,它的基本结构形式有两种：芯式和壳式,1、变压器的工作原理,1）变压器的空载运行与变换电压原理,交变的磁通穿过N1和N2时,分别在两个线圈中感应电压,U1,4.44fN1m,4.44fN2m,=,U

13、20,式中,k称为变压比,简称变比,显然,改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1为降压器；k1时为升压器。,2）变压器的有载运行与变换电流原理,i0N1为负载开路时原绕组的磁通势，一般情况下，空载电流很小，容易满足i0 i1 ，所以：,变压器负载运行时,一次侧电流由i0变为i1，二次侧产生负载电流,而电压u20相应变为u2,由上式得,变压器在能量传递过程中损耗很小，因此一次侧和二次侧的容量近似相等，有,这是一个能量的传递过程，能量传递过程中，变压器在变换电压的同时也变换了电流。,3）变压器的阻抗变换作用,设变压器二次侧所接负载为,一次侧等效输入阻抗为,则有,|ZL | =U2/I2 |

14、Z1 | =U1/I1,| Z1 | =U1/I1=kU2/(I2/k)=k2U2/I2=k2 |ZL |,式中k2称为负载阻抗折算到一次侧时的变换系数。,此式告诉我们:只要改变变压器的匝数比,即可获得合适的二次侧对一次侧的反射阻抗,工作频率f ：变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用,这种频率称工作频率，单位Hz。中国国家标准频率f为50Hz。 额定电压（kV）：变压器长时间运行时原、副绕组所能承受的工作电压U1N ，U2N 。在变压器的铭牌上，它通常以“U1N /U2N ”的形式表示原、副绕组的额定电压之比 额定电流(A): 变压器的额定电流I1N和I2N是指变压器在长

15、时连续工作运行时原、副绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的，在三相变压器中均代表线电流。,2、变压器的主要参数,3、汽车上使用的变压器,点火系统的基本功能是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。,点火系统的类型,发动机点火系统，按其组成和产生高压电方式的不同可分为传统蓄电池点火系统、电子点火系统、微机控制点火系统和磁电机点火系统。,）传统蓄电池点火系统：以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈和断电器的作用，将电源提供的12V 或24V 的低压直流电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电

16、火花，点燃可燃混合气。,）电子点火系统：以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈和由半导体器件(晶体三极管)组成的点火控制器将电源提供的低压电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。与传统蓄电池点火系统相比具有点火可靠、使用方便等优点,）微机控制点火系统：与上述两种点火系统的功能相同，也以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈将电源的低压电转变为高压电，再由分电器将高压电分配到各缸火花塞，或采用多点火线圈方式，取消高压分电器。微机控制系统根据各种传感器提供的反映发动机工况的信息，发出点火控制信号，控制点火时刻，点燃可燃混合气。,）磁电机点火系统：由磁电机本

17、身直接产生高压电，不需另设低压电源。与传统蓄电池点火系统相比，磁电机点火系统在发动机中、高转速范围内，产生的高压电较高，工作可靠。但在发动机低转速时，产生的高压电较低，不利于发动机起动。因此磁电机点火系统多用于主要在高速、满负荷下工作的赛车发动机，以及某些不带蓄电池的摩托车发动机和大功率柴油机的起动发动机上。,点火系统的基本要求,点火系统应在发动机各种工况和使用条件下保证可靠而准确地点火。为此点火系统应满足以下基本要求： 1.提供足够高的脉冲高压，使火花塞极间放电跳火。现代汽车的点火系统都能提供20KV以上的脉冲高压。 2.放电火花要有足够的能量。点火能量越大，汽油混合气的着火性能越好。目前采

18、用的高能点火装置，点火能量超过80100mJ。,点火线圈,点火线圈的工作原理,四 电磁铁,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、固定位置的一种电器,直流电磁铁：铁心用整块软钢制成 交流电磁铁：铁心用硅钢片叠成的,电磁起重机,自动变速箱换挡电磁阀,1直流铁心线圈及直流电磁铁 直流电磁铁工作原理，通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力，吸力大小： 式中B0电磁感应强度，S0为铁心截面积，N为线圈匝数。 直流铁心线圈特点：（1）励磁电流是由励磁线圈的外加电压U 和线圈电阻R 决定的，电流是恒定的，无感应电动势产生。（2）无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。（3）吸合后电磁力比吸

19、合前大得多，但励磁电流不变（因磁动势 NI 不变，磁阻Rm B ，所以吸力F）,2交流铁心线圈与交流电磁铁,交流电磁铁及其特点 交流电磁铁也是一种电磁器件，结构形式与直流电磁铁类似。在工业部门应用为广泛。如冶金工业中用于提放钢材的电磁吊车，传递动力的电磁离合器，液压传动中的电磁阀；交流接触器等。铁心中的磁通是交变的。 交流电磁铁的吸力的瞬时值f和有效值F分别为：,式中Fm为吸力最大幅值。,交流电磁铁的分磁环,交流电磁铁使用50Hz的交流电时,电流会交替出现过零点,此时电磁铁的吸力为零,处于释放状态。过零后电流又上升,至某值,吸力F恢复,电磁铁吸合，电流再过零,又再恢复,电磁铁一吸一放,就会引起

20、颤动和噪音，出现吸合不牢的现象。为了解决这个问题, 通常在交流电磁铁与衔铁吸合的磁极端面上，留一凹槽，套上一个铜环，又称分磁环。,交流电磁铁的特点 铁心中的磁通是交变的，交流电磁铁的瞬时吸力f 是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象，铁心需加分磁环；前后吸力不变；铁心和衔铁均由硅钢片叠成，可减小铁损。,功率损耗主要有铜损和铁损两种。,在交流铁芯线圈中，线圈电阻上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示，设线圈电流的有效值为I，线圈电阻为R，则铜损,交流磁铁的几种损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电 ，因铁心在交变磁通作 用下产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流

21、叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗，用Pe表示,减小涡流损耗的办法：铁芯用彼此绝缘的铁磁导体薄片（如硅钢片）叠成，同时,硅钢中的硅使材料的电阻率增大,也起到减小涡流的作用。,涡流损耗,减小磁滞损耗的办法：铁心尽量采用软磁材料，选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯，变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,磁滞损耗：由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗，用Ph表示 ，单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f，磁滞损耗转化为热能，引起铁芯发热。,3、电磁铁在汽车上的应用,由于直流电磁体结构简单，易于控制等特点，广泛用于汽车控制领域中，如各种电磁开关阀、喷油器、电喇叭

22、等等。,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 。,双级触点式电压调节器就是控制硅整流发电机励磁电流的大小来控制发电机输出电压的,触点式电压调节器,1.闭合点火开关 S时,1-低速触点支架；2-活动触点臂；3-电磁线圈；4-拉力弹簧；5-磁扼；6 -电刷；7-滑环；8 -励磁绕组9-三相定子绕组；10 -点火开关；S-点火接线柱；F-磁场接线柱；Rl-加速电阻,2.发电机转速升高时,3.发电机转速升高，发电机电压达到一级工作电压 14V 时,4.发电机高速运转转速超过14.5V,电喇叭,汽车电喇叭靠电磁原理使膜片振动而

23、发出声音报警信号，由电磁铁、可动的衔铁、膜片和动断的触点等构成,1-下铁心；2-线圈；3-上铁心；4-膜片；5-共鸣板；6-衔铁；7-触点；8-调整螺钉；9-铁心；10-喇叭按钮；11-锁紧螺母；,四、 继电器,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,继电器分类： 继电器主要有三类：常开（NO型）继电器，常闭（NC型）继电器和 混合型继电器。,1、继电器的类型与结构,电磁式继电器：以电磁系统为主体构成的，成本较低，便于控制 电路采用,电磁继电器实物,舌簧管式继电器：反应灵敏多作为传感器信号采集使用，舌簧

24、管式继电器的触点是一个或几个舌簧管,舌簧管式继电器结构示意图,2、继电器主要电气参数,1.线圈功率：指继电器线圈消耗的额定电功率,2.线圈电压：继电器正常工作时线圈需要的电压值，汽车继电器的电压与汽车电源电压相一致,分12V,24V 两种。,3.线圈电阻：是指继电器线圈的电阻值,型号为“JZC-21F/ 006-1Z”的继电器，其中“006”即为规格号，表示额定工作电压为 6V ；“JZC-21F/048-1Z”的继电器，其中“048”是规格号，表示额定工作电压为48V。汽车继电器的电压均与汽车电源电压相一致,分12V,24V 两种。,3、 选用继电器应注意的问题,继电器的额定工作电压应小于或等于控制电路（继电器线圈所在电路）的工作电压., 接点负荷的选择。加在接点上的电压和电流值不应超过该继电器的接点负荷。,继电器的体积应合乎电路的要求。,查阅有关手册，找出合乎要求的继电器。在电参数和体积都满足的情况下，应选用性能价格比高的产品。,4.