磁路与线圈电路

1、第三章第三章 电磁学基础电磁学基础3.2 线圈电路分析线圈电路分析3.5 汽车点火线圈汽车点火线圈3.1 磁路及其基本定律磁路及其基本定律3.3 电磁铁电磁铁3.4 变压器变压器本章要点：本章要点：1.1.四个基本物理量，磁路欧姆定律和磁路的基四个基本物理量，磁路欧姆定律和磁路的基尔霍夫定律。尔霍夫定律。2.2.铁磁性材料特性及其应用铁磁性材料特性及其应用, , 含铁心线圈交流含铁心线圈交流电路的分析。电路的分析。3.3.电磁铁的工作特性以及在汽车中的应用。电磁铁的工作特性以及在汽车中的应用。4.4.变压器的基本结构及其基本工作原理。变压器的基本结构及其基本工作原理。5.5.汽车点火线圈的结构

2、。汽车点火线圈的结构。 第三章第三章 电磁学基础电磁学基础lIFB 3.1 磁路及其基本定律磁路及其基本定律 说明说明: : 如果如果磁通磁通 的单位的单位: :磁导率来表示物质的导磁性能。的单位是H/m(亨/米）。注意H/m10470 0r 不同的介质，磁导率也不同。磁导率值大的材料，导磁性能好。磁导率与真空磁导率近似相等，即 。如空气、木材、纸、铝等。注意铁磁性物质的磁导率铁磁性物质的磁导率是个变量，它随磁场的强弱而变化。是个变量，它随磁场的强弱而变化。 材料分类：非铁磁性材料铁磁性材料磁导率远远大于真空磁导率，即 ，可达到几百到上万。材料如铁、钴、镍及其合金等。所以电器设备如变压器、电机

3、都将绕组套装在铁磁性材料制成的铁心上。4、磁场强度磁场强度 BH 磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。H和B同为矢量。H的方向就是该点B的方向。在后面学到的磁路问题中，常常用到磁场强度这个物理量。 二、二、 磁路及其基本定律磁路及其基本定律+NIfNSS磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。1u2uis 线圈通入电流后，线圈通入电流后，产生磁通，分主磁产生磁通，分主磁通和漏磁通。通和漏磁通。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通线圈线圈铁心铁心变压器的磁路 一个闭合磁路通常是由几段截面积S不同或者材料不同(磁导率不同，比如空气隙与铁磁材料)的

4、磁路构成，因此要分析磁路，就必须首先对磁路进行分段处理。磁路分段原则：截面积S与材料相同的磁路分为一段解解：根据材料、截面积不同磁路分为三段：1）第一段：截面积为S1、铁磁材料； 2）第二段：截面积为S2 （S1 S2）、材料与第一段同； 3）第三段：截面积为S2，材料为非铁磁材料空气隙。 例例3-1 试对磁路进行分段。2. 2. 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律 对于有分支磁路，其分支汇集处称为磁路对于有分支磁路，其分支汇集处称为磁路的节点，磁路的任意节点所连接的各分支磁路的的节点，磁路的任意节点所连接的各分支磁路的代数和等于零。代数和等于零。01I I1 1N N1 132N

5、N2 2I I2 20321即：即：HLNI 在无分支的均匀磁路在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路磁路长度长度L线圈线圈匝数匝数NIHL：称为磁位差。称为磁位差。NI：称为磁动势。一般称为磁动势。一般 用用 F 表示。表示。F=NI3. 3. 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律HLNI总磁动势总磁动势 在非均匀磁路在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁位差之和。强度不等）中，总磁动势等于各

6、段磁位差之和。00lHIHNI例：例：INl0l对于均匀磁路对于均匀磁路 LSLBHLNI磁路中的磁路中的欧姆定律欧姆定律4. 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律则：则： mRLSNIFINSL注：由于磁性材料注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。分析，不做定量计算。SLRm令：令：Rm 称为磁阻称为磁阻磁路和电路磁路和电路对照表对照表 （一）（一）磁磁路路电电路路磁通磁通INI磁压降磁压降HL磁动势磁动势INF 电动势电动势电流电流电压降电压降UEIR+_EU欧姆定律欧姆定律mmUR 磁阻磁阻SlRm基尔霍夫定律基尔霍夫定律HL

7、NI0磁磁 路路IN欧姆定律欧姆定律电阻电阻基尔霍夫定律基尔霍夫定律0ISUIRUIRrSlR 磁路与电路对照表磁路与电路对照表 (二二)电电 路路R+_USI3.2 3.2 线圈电路分析线圈电路分析一、铁一、铁磁性材料特点磁性材料特点Bf（H）磁化曲线 Bf（H）磁化曲线 在ab段，B增加就变缓慢，铁心开始进入饱和状态，这段称为磁化曲线的膝部。电机等铁心的磁感应强度B多数选择在这个部位。b点称饱和点，一般为0.8-1.8T。在bc段，B随H增加得极少，这时铁磁物质处于饱和状态。 Oa段：B 与H几乎成正比地增加磁导率不是常数。铁磁材料未饱和时磁导率大。越趋于饱和，磁导率越小。磁滞性：磁滞性：

8、磁性材料中磁感应强度B 的变化总是滞后于外磁场变化的性质。矫顽磁力矫顽磁力H Hc c (a)软磁材料 (b) 硬磁材料 (c)矩磁材料各类材料的磁滞回线2.2.铁磁性材料分类铁磁性材料分类 磁导率高，磁滞回线狭窄、面积小，磁滞损耗小。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)硬磁材料硬磁材料磁滞回线较宽，面积大，磁滞损耗大。一般用来制造一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和

9、较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。二、含有二、含有线圈的交流电路线圈的交流电路1. 1. 电磁关系电磁关系u(Ni)i ddtNe tNedd （磁通势）（磁通势）主磁通主磁通 ：通过铁心闭合的：通过铁心闭合的磁通。磁通。漏磁通漏磁通 ：经过空气或其：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。它非导磁媒质闭合的磁通。tiLdd i，铁心线圈的漏磁电感 常常数数 iNLeeRi u 式中：R是线圈导线的电阻L 是漏磁电感)(ddetiLRi d

10、deNtu-e 由于铁心线圈的电阻 R 与铁心的漏磁电动势数值很小，忽略不计，得：t, sinm ddeNt)90t(sin2m fN)90(sinm tE mmm444222 fN.fNEE EU 恒磁通公式mfNEU44. 4mfNEU44. 4（2）在交流铁心线圈电路中，主磁通的大小与磁路无关。根据磁路欧姆定律，磁通不变，磁路的变化（如气隙大小）直接影响的是励磁电流的大小。 （1）在交流铁心线圈电路中，当频率f、匝数N 一定时，主磁通正比与电源电压U；当电源电压U一定时，主磁通基本保持恒定。电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成3.3 电磁铁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

11、机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。 直流电磁铁：直流电磁铁：用直流电源励磁用直流电源励磁交流电磁铁：交流电磁铁：用交流电源励磁用交流电源励磁一、直流电磁铁一、直流电磁铁1直流电磁铁的吸力 F=4B02S10 5 式中 B0 为空气隙磁感应强度（Wb/m2）； S 为空气隙磁场截面积（m2）； F 为电磁铁的吸力（N）。2.直流电磁铁特点（1）线圈中的直流励磁电流只取决于电源电压和线圈电阻，是不变的。（2）直流电磁铁在衔铁吸合过程中气隙是逐渐变小的，磁路中磁阻也逐渐变小。二、交流电磁铁二、交流电磁铁

12、4.44mUfN 1交流电磁铁的吸力交流电磁铁的吸力 F av =2Bm2S10 5 2短路环短路环 （1）在衔铁吸合过程中,吸力F 的大小基本不变。（2）励磁电流在吸合前后将有很大的变化。吸力随时间在零与最大值间变化，衔铁要发生振动而引起噪声。 闭合短路铜环可以有效地消除这种噪声。 （1）在衔铁吸合过程中,吸力F 的大小基本不变。（2）励磁电流在吸合前后将有很大的变化。3交流电磁铁特点交流电磁铁特点由实验可知，U形交流电磁铁衔铁打开时的励磁电流是吸合后的10-15倍。而线圈的允许电流值是按衔铁吸合后的电流值设计的。所以如果线圈得电而衔铁由于种种原因不能吸合或频繁操作时，线圈易过热甚至烧坏，这

13、也是交流电磁铁比直流电磁铁容易烧坏的原因之一。内容直流电磁铁交流电磁铁铁心结构整块软钢制成，无短路环硅钢片叠成，有短路环吸合过程电流不变，吸力由小变大吸力不变，电流由大变减小吸合后无振动有振动吸合不好时线圈不会过热线圈会过热，可能烧坏直、交流电磁铁的比较三、电磁铁在汽车中的应用三、电磁铁在汽车中的应用 汽车电控燃油喷射系统中的喷油器 3.4 3.4 变压器变压器：变电压（变电压（电力系统电力系统）变电流（变电流（电流互感器电流互感器）变阻抗（变阻抗（电子线路中的阻抗匹配电子线路中的阻抗匹配）经济地输电经济地输电合理地配电合理地配电安全地用电安全地用电变压器利用电磁感应原理，将一种交流电转变为另

14、变压器利用电磁感应原理，将一种交流电转变为另一种或几种频率相同、大小不同的交流电。一种或几种频率相同、大小不同的交流电。例：电力工业中常采用高压输电低压配电，实现例：电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：节能并保证用电安全。具体如下： 发电厂发电厂10.5kV输电线输电线220kV升压升压仪器仪器36V降压降压实验室实验室380 / 220V降压降压变电站变电站 10kV降压降压降压降压变压器的分类变压器的分类变压器的磁路变压器的磁路1u2uLZ1i2i+由高导磁硅钢片叠成由高导磁硅钢片叠成厚厚0.35mm 或或 0.5mm铁心铁心一次一次绕组绕组N1二次二次绕组

15、绕组N2铁心铁心二、二、变压器的工作原理变压器的工作原理1u2uLZ1i2i+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心1. 空载运行情况空载运行情况0i02i1u+20u+2e+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe i0 ( i0N1) 1 dd011tiLe tNedd 22 空载时，铁心中主空载时，铁心中主磁通磁通 是是由一次绕由一次绕组磁通势产生的。组磁通势产生的。1m144.4NfE 有效值有效值:2m244. 4NfE 由于电阻由于电阻 R1 和感抗和感抗 (或漏磁通或漏磁通)较小较小, 则则11144. 4NfEUm2m22022N4.44fEUU,0IKNNEE

16、UU 2121201结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2. 负载运行负载运行1u+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe 1 dd111tiLe tNedd 22 i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2负载时，铁心负载时，铁心中主磁通中主磁通 是是由一次、二次由一次、二次绕组磁通势共绕组磁通势共同产生的合成同产生的合成磁通。磁通。 2i2+e2+e 2+u2 dd2tiLe22 2222ZUIZ 1m11 44 4 Nf.EU m10 Nim2211 NiNi+|Z |2i1u2e1i1e1N2N+2u一般情况下：一般情况下：I0 (2

17、3)%I1N 很小可忽略。很小可忽略。2211 NiNi 所所以以或或2211NINI 2211NINI 所所以以KNNII11221 结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：或：221011NiNiNi 22Ni102211NiNiNi 空载磁势空载磁势有载磁势有载磁势3. 阻抗变换阻抗变换22IUZ 11IUZ ZKIUKKIKUIUZ22222211 ZKZ2 结论：结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。倍。 1U2U1I2IZ+1U1IZ +铜耗（可变损耗 ）铁耗（

18、不变损耗 ）铜耗pcu ：随负载电流的变化而变化。铁耗pFe ：为交变磁通在铁心中产生的损耗，包括涡流损耗pe和磁滞损耗ph两部分。 22121122cucucupppI RI R 2212PPPPCuFepp一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时，最大。当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。 AXax Aax 同极性端用同极性端用“”表示表示。增加增加+四、变压器同名端四、变压器同名端 联接联接 23 Nf.Um2444220 变压器一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组。例例1 1NN1324 NN1324 联接联接 13，

19、2 4ii Nf.U444110m 当电源电压为220V时：220u+110u+电源电压为电源电压为110V时：时：例例2 如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：在同名端不明确时，一定要先测定再通电。结论：在同名端不明确时，一定要先测定再通电。答答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消两个线圈中的磁通抵消原因：电流电流 很大很大11Rui 1111eRiu 感应电势感应电势0e1324NNi +u1.1.变压器的型号变压器的型号五、五、变压器的额定值变压器的额定值 变压器额定容量变压器额定容量(KVA)S:三相三相D:单相单相 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N ，一次侧电压， U2N，二次侧空载时的电压三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流传送功率的最大能力。单相：三相：N1N1N2N2NIUIUS N1N1N2N2N33IUIUS N1N1NIUS 容量：容量： 21PP 一次侧输入功率：一次侧输入功率： cos222IUP 输出功率：输出功率： 变压器运行时的功率取决于负载的性质变压器运行时的功率取决于负载的性质 在汽车的汽油发动机中，汽缸内的可燃混合气体是由高压电