学习任务6 磁路

第六章磁路与变压器学习目标重点难点主要内容本章小结思考与练习学习目标1.了解磁路的基本概念，掌握磁感应强度、磁场强度、磁通、磁导率等磁路的基本物理量；2.掌握电磁器件的工作原理；3.熟悉汽车常用电磁器件继电器及喇叭继电器等应用电路工作原理分析；4.学会变压器功能及应用。学习目标1.能掌握电磁学的基本原理2.能分析常用电磁器件的工作过程3.能够用万用表等仪器对电磁继电器和电喇叭等电磁器件进行性能检测。

继电器结构及原理；磁路的欧姆定律；变压器的工作原理；变压器的变电压、变电流、变阻抗的计算。6.1磁路6.2继电器6.3变压器

6.1磁路6.1.1磁场的基本物理量

6.1.2铁磁性材料

6.1.3磁路欧姆定律

6.1.4磁脉冲转速传感器电路本节点睛磁生电，电又可生磁。电与磁是密切联系的；同样，磁路与电路是相互关联的，在许多的实际应用中是不能孤立分析的。如变压器、电磁铁等电工设备，他们都是依靠电磁相互作用的原理工作的。6.1

磁场的基本物理量6.1.1

磁感应强度磁感应强度B:

表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小:磁感应强度B的方向:

与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁感应强度B的单位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均匀磁场:

各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场。

6.1.2磁通磁感应强度B（如果不是均匀磁场，则取B的平均值）与垂直于磁场方向的面积S的乘积称为通过该面积的磁通，即

的单位是韦伯，简称韦（Wb）；可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。真空的磁导率为常数，用

0表示，有：6.1.3磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。相对磁导率

r：

任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。磁导率的单位：亨/米（H/m）6.1.4磁场强度

磁场强度是计算磁场时所引用的一个物理量，也是个矢量。磁场内某点的磁场强度的大小等于该点磁感应强度除以该点的磁导率，即

式中，H的单位是安/米（A/m）6.1.2铁磁性材料磁性材料很多，常用的主要由铁、镍、钴及其合金等材料。磁性材料都有很强的导磁性能，磁性能主要表现为磁饱和性和磁滞性。

1.铁磁性材料的磁性能（1）高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r

1，磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。（2）磁饱和性铁、镍等磁材料的导磁性能是在其受到磁化后表现出来的，但磁材料由于受到磁化作用的加强，所产生的磁场不会无限增加，B与H的关系曲线如图6.1所示。从图示可以看出，曲线分成三个阶段：①oa段：B与H差不多按正比例增长。②ab段;随着H的增长，B增长缓慢，此段称为曲线的膝部③bc段；随着H的继续增长，B几乎不增长，达到饱和状态。几乎所有的磁化材料都具有磁饱和性，B与H不成正比关系，所以其磁导率不是常数，按图示6.2曲线随H变化。

图6.1

图6.2

（3）磁滞性

当铁心线圈在交流励磁电流作用下，铁心被交变的磁场反复磁化，在电流变化一次时，磁感应强度B随磁场强度H而变化的关系如图6.3所示，由图可见，当H已减到零值时，B并未回到零值。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性，由此画出的B-H曲线称为磁滞回线。当线圈中电流减小到零值（即H=0）时，铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失。这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br（也叫剩磁），在图6.3中即为纵坐标0-2和0-5，永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。图6.3图6.3磁滞回线如果要使铁心的剩磁消失，通常改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化。使B=0的H值（如图6.3中的0-3和0-6段）称为矫顽磁力HC（也叫矫顽力）。铁磁材料在反复磁化过程中产生的损耗称为磁滞损耗，它是导致铁磁性材料发热的原因之一，对电机、变压器等电气设备的运行不利。因此，常采用磁滞损耗小的铁磁性材料作它们的铁心。

2．磁性物质的分类按磁化特性的不同，铁磁性材料可以分成三种类型。(1)软磁材料其特点是导磁率高，磁滞特征不明显，具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢片等。(2)硬磁性材料—永磁材料其特点是剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢等。(3)矩磁材料其特点是只要受到较小的外磁场作用就能磁化达到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的镁锰铁氧体等。

6.1.3磁路欧姆定律在电机、变压器及各种铁磁元件等电气设备和测量仪表中，为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通（或磁感应强度），常用磁导率高的磁性材料做成一定形状的铁心。由于铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通路径，称为磁路。

图6.4几种电工设备的磁路图6.4表示几种电工设备的磁路，(a)变压器磁路；(b)电磁铁磁路；(c)磁电式电表磁路。这些磁路分别由不同铁磁性物质构成，并且磁路内有时不免有很短的空气隙存在，空气隙简称气隙。磁路的磁通绝大部分通过磁路（包括气隙）闭合，这部分磁通称为主磁通，用Φ表示。另一小部分磁通穿出铁芯，经过磁路周围非铁磁性物质（包括空气）闭合，称为漏磁通用Φs来表示。

磁路中的主要定律有安培环路定律磁路欧姆定律

1．安培环路定律（全电流定律）在磁路中，沿任意闭合路径，磁场强度的线积分等于穿过该闭合路径所围面积内的电流的代数和。即：

计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则：式中，N是线圈的匝数；是磁路（闭合回线）的平均长度；H是磁路铁心的磁场强度。上式中线圈匝数与电流的乘积NI称为磁通势，用字母F代表，即F=NI

磁通就是由它产生的。它的单位是安（培）（A）

2．磁路欧姆定律

称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。表6.1磁路与电路对照电路磁路电流：I

磁通：电阻：磁阻：电阻率：磁导率：电动势：磁通势：F电路欧姆定律：磁路欧姆定律：

磁路和电路有很多相似之处，但分析与处理磁路比电路难得很多，例如；（1）在处理电路时一般不涉及电场问题，而在处理磁路时离不开磁场的概念。例如在讨论电机时，常常要分析电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。（2）在处理电路时一般不考虑漏电流（因为导体的电导率比周围介质的电导率大得很多），但在处理磁路时一般都要考虑漏磁通（因为磁路材料的磁导率比周围介质的磁导率大得不太多）。（3）磁路的欧姆定律与电路的欧姆定律只是在形式上相似（见上面对照表）。由于µ不是常数，它随着励磁电流而变（见图6.2），所以不能直接应用磁路的欧姆定律来计算，它只能用于定性分析。（4）在电路中，当E=0时，I=0，；但在磁路中，由于有剩磁，当时F=0时，Φ≠0。（5）磁路几个基本物理量（磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率等）的单位也较复杂，学习时应注意把握。6.1.4磁脉冲转速传感器电路电磁式轮速传感器主要由传感器头和齿圈两部分组成。齿圈随车轮或传动轴一起转动，通常用磁阻很小的铁磁材料制成。传感器头通常由永久磁铁、电磁线圈和磁极等组成，如图6.5所示。它对应安装在靠近齿圈而又不随齿圈转动的部件上，如转向节、制动底板等固定件上。传感头与齿圈的端面有一空气间隙，通常只有0.5-1.0mm，可移动传感头的位置来调整间隙。

图6.5电磁式轮速传感器的结构1-传感器外壳；2-极轴；3-齿圈；4-电磁线圈；5-永久磁铁；6-导线传感器齿圈随车轮旋转的同时，即与传感头极轴作相对运动。当传感头的极轴与齿圈的齿隙相对时，极轴距齿圈之间的空气间隙最大，即磁阻最大。传感头的磁极磁力线只有少量通过齿圈而构成回路，在电磁线圈周围的磁场较弱，当传感头的极轴与齿圈的齿顶相对时，两者之间的空隙较小，即磁阻最小。传感头的磁极磁力线通过齿圈的数量增多，在电磁线圈周围的磁场较强，齿圈随车轮不停地旋转，就使传感头电磁线圈周围的磁场以强—弱—强—弱……周期性地变化，因此电磁线圈就感应出交变电压信号，即车轮转速信号。

图6.6传感器输出电压信号交变电压信号的频率与齿圈的齿数和转速成正比，因齿圈的齿数一定，因而车轮转速传感器输出的交流电压信号频率只与相应的车轮转速成正比。轮速传感器由电磁线圈引出两根导线，将其速度变化产生的交变电压信号送至电子控制单元（ECU）。为防止外部电磁波对速度信号的干扰，传感器的引出线采用屏蔽线，以保证反映车轮速度变化的交变电压信号准确地送至电子控制单元。6.2继电器

6.2.1继电器结构及原理

6.2.2喇叭继电器电路

6.2.3电容式门锁控制电路

6.2.4继电器控制的燃油泵控制电路本节点睛本节点睛掌握电磁继电器的结构和工作原理及其在汽车上的应用实例6.2.1继电器结构及原理

1.继电器及分类继电器是一种根据某种物理量的变化，使其自身的执行机构动作的电器。它广泛应用于汽车电器中，其作用是利用它的动断和动合触点进行电路切换。由于继电器是利用改变金属触点位置，使动触点和静触点闭合或分开，所以具有接触电阻小、流过电流大和耐高温等优点，特别适合大电流高电压的使用场合，小型继电器也常用作精密测量电路的转换开关。继电器种类很多，按输入信号可以分为电压继电器、电流继电器、功率继电器、压力继电器、温度继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应继电器、电动式继电器、电子式继电器、热继电器等。2．电磁式继电器的组成和工作原理

电磁式继电器由电磁机构和触头系统组成，如图6.7所示。当电磁继电器线圈两端加上一定的电压或电流，线圈产生的磁通通过铁心、磁轭、衔铁、磁路工作气隙组成的磁路，在磁场的作用下，衔铁吸向铁心极面，从而使常闭触点断开，常开触点闭合；当线圈两端电压或电流小于一定值时，机械反力大于电磁吸力时，衔铁回到初始状态，常开触点断开，常闭触点接通。

图6.7电磁式继电器结构简图汽车上许多电器部件需要开关进行控制。由于汽车电器系统电压较低，具有一定功率的电器部件的工作电流较大，一般在几十安以上，这样大的电流直接连接开关，或直接按键进行通断控制，开关或按键的触点很容易烧蚀。继电器是一种用小电流控制大电流的器件，继电器本身的触点可以做得很大，能够承受大电流的冲击。所以在汽车上经常利用开关来控制继电器的吸合与断开，从而利用继电器的触点控制电器部件的通断。下面举几个继电器在汽车电器中的应用案例。6.2.2喇叭继电器电路双音电喇叭继电器电路如图6.8所示，为了得到较为和谐悦耳的声音，在汽车上常装有两个不同音调（高、低音）的电喇叭。其中高音喇叭膜片厚、扬声器短，低音喇叭则相反。

图6.8双音电喇叭继电器电路装用单只螺旋形电喇叭或两只盆形喇叭时，电喇叭总电流较小（小于8A）,一般直接由方向盘上喇叭按钮控制。当装用两只螺旋形电喇叭时，电喇叭耗用电流较大（小于15-20A）,采用按钮直接控制，易烧蚀按钮触点。为避免这个缺点，可采用喇叭继电器控制双音电喇叭。按下方向盘上喇叭按钮时，喇叭继电器线圈通电，使继电器铁心产生电磁吸力，将继电器触点闭合，接通了双音电喇叭，喇叭发音。松开方向盘喇叭按钮时，继电器线圈断电，铁心电磁吸力消失，触点在自身弹力作用下张开，切断了电喇叭电路，电喇叭停止发音。

6.2.3电容式门锁控制电路该门锁控制器利用电容充放电特性，使开锁或闭锁继电器线圈产生电磁力，接通执行机构电磁线圈，完成开锁或闭锁动作。平时电容器充足电，工作时把它接入控制电路使电路放电，使两电路中之一通电而短时吸合。电容器完全放电后，通过继电器的电流中断而使其触点断开，门锁系统不再工作。

图6.9电容式门锁控制电路

具体工作过程为：正常状态时，蓄电池给电容器C1充电。其电路为蓄电池→熔断器→电阻R1→电容器C1→搭铁→蓄电池负极。

1.车门锁定当按下门锁开关时，电容器C1放电，使门锁继电器中闭锁继电器的线圈有电流通过，继电器触点K1闭合；此时，门锁执行器(闭锁电磁线圈)的电路接通而动作，通过操纵机构将车门锁定。当电容器C1放电到一定程度时，闭锁继电器线圈断电，K1打开。门锁执行器的电路被切断。另外，当按下门锁开关时，电容器C2开始充电。

2.车门开锁当按回门锁开关后，电容器C2放电，使门锁继电器中开锁继电器线圈有电流通过，继电器触点K2闭合；此时，门锁执行器（开锁电磁线圈）的电路接通而动作，通过操纵机构将车门开启。当电容器C2放电到一定程度时，开锁继电器线圈断电，K2打开。门锁执行器的电路被切断。另外，当按回门锁开关时，电容器C1开始充电，回到原始状态。

6.2.4继电器控制的燃油泵控制电路下图为质量流量型电子控制燃油喷射系统的电动汽油泵开关控制原理图，电路主要由蓄电池、熔断器、主继电器、短路继电器、电动燃油泵、燃油泵开关等组成。

图6.10继电器控制的燃油泵控制电路

在某些质量流量型电子控制燃油喷射系统中，电动汽油泵由空气流量传感器中的电动汽油泵开关控制。当发动机启动时，点火端子IG与启动端子ST分别接通，主继电器中的线圈通电，主继电器的触点闭合，同时电路断开继电器线圈W2通电，电路断开继电器的触点也闭合，电动汽油泵电路接通，电动汽油泵通电工作。发动机转动后，点火开关退到点火档，电路断开继电器的线圈W2断电，但此时吸入发动机的空气流经空气流量传感器，使空气流量传感器的测量板转动，电动汽油泵开关接通，电路断开继电器的线圈w1通电，仍然保证断路继电器的触点闭合。因此只要发动机工作，继电器总是闭合的。

6.3变压器6.3.1变压器的结构原理与功能

6.3.2变压器的功能

6.3.3变压器的外特性与效率

本节点睛本节点睛

了解变压器的基本结构、工作原理，掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用6.3.1变压器的结构原理与功能(1)变压器基本组成部分主要由铁心和线圈绕组两大部分构成，其原理如图6.11。①铁心铁心构成变压器的磁路，为了减少铁损，提高磁路的导磁性能，一般由0.35—0.55mm的表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。。②绕组即线圈，是变压器的电路部分，用绝缘导线绕制而成的，有原绕组、副绕组之分，与电源相接的称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组），与负载相联的称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组）。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁心之间均相互绝缘。③冷却系统由于铁心损失而使铁心发热，变压器要有冷却系统。

图6.11变压器的结构示意图

(2)单相变压器的工作原理图6.12变压器工作原理图

图6.12为变压器工作原理图，在原绕组上接入交流电压u1时，原绕组中便有电流i1通过。因为铁心的磁导率比空气大得多，原绕组的磁通势N1i1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流i2通过。副绕组的磁通势N2i2也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁通势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用Φ表示。主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e1、e2。此外，原、副绕组的磁通势还分别产生漏磁通Φ1和Φ2，从而在各自的绕和组中分别产生漏磁通势e1和e2。6.3.2变压器的功能(1)电压变换(2)电流变换(3)阻抗变换（1）电压变换原绕组的电压方程：副绕组的电压方程：忽略电阻R1和漏抗Xσ1的电压，则：k称为变压器的变比。（2）电流变换由U1≈E1=4.44N1fΦm可知，U1和f不变时，E1和Φm也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等，即：空载电流i0很小，可忽略不计。(3)阻抗变换变压器不但可以变换电压和电流，还有变换负载阻抗的作用，以实现