汽车电工电子课件 模块3 磁路和铁芯线圈电路

模块3

磁路和铁芯线圈电路项目3.1认识磁路和磁路定律项目3.2变压器项目3.1认识磁路和磁路定律3.1.1磁路和铁磁性材料3.1.2磁路基本定律及其应用知识学习

所谓磁路，就是约束在铁芯及其气隙所限定的范围内的磁通路径。3.1.1磁路和铁磁性材料一、

磁场的基本物理量1．磁感应强度和磁通

电磁力的大小就与磁感应强度（B）、电流（I）、垂直于磁场的导体有效长度L成正比，公式为

F

=

BIL

磁通（Φ）是一个反映一定区域磁场强弱、方向等状况的物理量。Φ

=

BS

磁导率（µ）是用来衡量物质导磁性能的物理量。

2．磁导率和磁场强度图

直导体周围的磁场二、

铁磁性材料1．铁磁性材料特点（1）磁化曲线—高导磁性和磁饱和性图B=f（H）磁化曲线图

磁滞回线（2）磁滞回线—磁滞性

按照铁磁性材料磁滞回线的形状以及在工程中的用途不同，铁磁性材料可分为3大类，即软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。2．铁磁性材料分类

一段磁路，设长为l，磁路截面积为S，磁力线均匀分布于横截面上，可知

一、

磁路的欧姆定律3.1.2磁路基本定律及其应用Um—磁路的磁位差，安培，Um

=

Hl；

Rm—磁路的磁阻，1/亨（1/H）二、

磁路的基尔霍夫定律1．基尔霍夫磁通定律写成一般形式为I1N1N2I2

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代数和等于零。

在无分支的均匀磁路（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：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁位差。NI：称为磁动势。一般用F

表示。F=NI2．基尔霍夫磁位差定律总磁动势

在非均匀磁路（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。例：IN图

基尔霍夫磁位差定律对于均匀磁路则：INSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。Rm

称为磁阻l为磁路的平均长度；S

为磁路的截面积；

为磁导率。

例

如图所示为一无分支磁路，磁路中磁通为顺时针方向，试对磁路进行分段，并写出该磁路的磁位差平衡式。图

无分支磁路表3-1 磁路与电路对照表磁路电路磁通（Φ）电流（I）磁位差（Um）电压（U）磁动势（F）电动势（E）磁阻Rm

=

l/μS电阻R

=

l/r

S磁导率（μ）电导率（r）欧姆定律Φ

=

Um/Rm欧姆定律I

=

U/R基尔霍夫定律∑Φ

=

0∑Hl

=

∑NI基尔霍夫定律∑I

=

0∑IR=∑U任务对比磁路和电路一、任务目的1．掌握铁磁性材料的特性。2．通过对比磁路和电路，加深对磁阻和磁路欧姆定律的理解。3．通过对比磁路和电路，加深对磁路基尔霍夫定律的理解。二、任务内容1．从磁导率入手，分析对比铁磁性材料和非铁磁性材料的磁阻。2．对比磁路和电路的欧姆定律和基尔霍夫定律。项目实施三、对比1．磁阻（Rm）大小与磁路的几何尺寸、磁介质的磁导率有关，具体公式为Rm=_______。不同磁介质下，磁阻值相差很大。（1）磁导率（µ）是用来衡量物质导磁性能的物理量。不同的介质，磁导率也不同。真空中磁导率为

0；分析过程中经常用到相对磁导率（

r），

r=_______，不同材料的相对磁导率不同，试比较两大类材料的相对磁导率大小，对列举材料进行分类，并填入表3-1。材料比较铁磁性材料非铁磁性材料顺磁材料逆磁材料相对磁导率

材料分类

列举材料铁、钴、镍及其合金，铜，银，各类气体，非金属材料，铝表3-1铁磁性材料和非铁磁性材料对比（2）铁磁性材料的磁导率（

）很大且不是常数，所以铁磁性材料的磁阻值很小，且随磁路实际情况而变化，是非线性的。（

）（括号内填

或×，下同）（3）空气隙的磁导率（

0）是常数，空气隙中的磁阻是线性的，且磁阻值很小。（

）（4）铁磁性材料的B和H的关系是非线性的，故磁导率（

）是一个变量。（

）（5）许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用较小的励磁电流产生较大的磁场。（

）2．磁路欧姆定律公式为

，形式上与电路欧姆定律非常相似。磁路电路

磁路电路

电流（I）

电导率（r）

电压（U）

欧姆定律I

=

U/R

电动势（E）

基尔霍夫电流定律∑I

=

0

电阻R

=

l/(rS)

基尔霍夫电压定律∑IR=∑U（1）与电路欧姆定律和电阻进行对比，在表3-2中填入磁路欧姆定律公式，同时填入与电流、电压等和电路对应的磁路物理量名称及字母。表3-2磁路与电路对比项目3.2变压器3.2.1交流铁芯线圈电路3.2.2变压器概述知识学习根据基尔霍夫定律得

一、交流铁芯线圈电路的分析3.2.1交流铁芯线圈电路

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：u≈-eu≈-e恒磁通公式（2）在交流铁心线圈电路中，主磁通φ的大小与磁路无关。根据磁路欧姆定律，磁通φ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φ正比与电源电压U；当电源电压U一定时，主磁通φ基本保持恒定。

式中，铜耗，它与电流的平方成正比。铁耗包含两部分损耗—磁滞损耗（ph）和涡流损耗（pe）。二、

铁芯线圈的功率损耗

（1）磁滞损耗

铁芯既能导磁，也能导电，因此当磁通交变时，在铁芯截面中产生感应电动势，继而产生漩涡状的感应电流，称之为涡流。涡流是电磁感应的一种特殊形式。（2）涡流损耗图

涡流涡流损耗（pe）的大小与频率（f）、磁感应强度幅值（Bm）、硅钢片厚度（d）和材料的电阻率（

）有关铁耗（pFe）正比于频率的1.2～1.6次方、磁感应强度幅值的平方，即一般

=

1.2～1.6图Φ=f（i）曲线当线圈所加电压超过额定电压不多时，理论上磁通会成比例增加，而此时铁芯趋向于深度饱和，磁通增加缓慢，励磁电流却急剧增加。图

电磁铁的结构1—铁芯2—线圈3—衔铁三、

电磁铁电磁铁是利用通电的铁芯线圈所产生的强磁场来吸引铁磁性材料（衔铁）动作的电器。电磁铁由励磁线圈、铁芯和衔铁组成

根据电磁铁线圈中所通过的电流不同，可分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类。三、

电磁铁1．直流电磁铁直流电磁铁的励磁电流是直流。

F

=

4B02S

×

105

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）。励磁电流不变时，在衔铁吸合过程中磁阻逐渐变小，磁通逐渐变大，因此直流电磁铁的吸力（F）也逐渐变大。直流电磁铁的励磁电流由电源电压和线圈内阻决定。若电源电压和线圈内阻不变，则励磁电流不变，磁动势（NI）也不变。Fav

=

2Bm2S

×

105

2．交流电磁铁

由于交流电磁铁的吸力随时间在0与最大值之间变化，因而衔铁要发生震动而引起噪声。为改善电磁铁工作时的震动和噪声现象，可以在铁芯的局部端面上嵌装一个短路环，又称分磁环。1.当电压有效值和频率不变时，铁芯中磁通的最大值也保持恒定不变。2.故在衔铁吸合过程中，交流电磁铁吸力（F）的大小基本不变，与磁路无关。由于交流电磁铁吸合前后的空气隙不同，导致磁阻不同，因此交流电磁铁在启动（开始吸合）时的电流，要比工作时（吸合后）的电流大很多。表3-2 直流电磁铁和交流电磁铁的比较电磁铁铁芯结构吸合过程吸合后吸合不好时直流电磁铁整块软钢制成，无短路环电流不变，吸力变大，磁阻变小无震动线圈不会过热交流电磁铁硅钢片叠成，有短路环吸力不变，电流变小，磁阻变小有震动线圈会过热，可能烧坏汽车电控燃油喷射系统中的喷油器，其中电磁铁中的衔铁与针阀是一体的，喷油器就是采用电磁铁的电磁吸力来打开或关闭燃油计柱塞，从而控制喷油器的喷油量。

变压器是将一种等级的交流电压变换成频率相同的另一种等级的交流电压的静止电气设备。3.2.2变压器概述变压器的主要功能有：变电压（电力系统）变电流（电流互感器）变阻抗（电子线路中的阻抗匹配）变压器的主要用途:经济地输电合理地配电安全地用电一、

单相变压器的基本结构图

单相变压器结构

铁芯构成了变压器的磁路，使绕组之间实现电磁耦合。为了提高铁芯导磁性能，减少铁芯损耗，铁芯通常采用厚度为0.35～0.5mm且表面涂有绝缘漆的硅钢片交错叠装而成。1．铁芯

绕组构成变压器的电路，与电源相连接的绕组称为一次侧绕组或初级绕组，与负载相连的绕组称为二次侧绕组或次级绕组。根据两侧绕组匝数的不同，也可将匝数多的称为高压绕组，匝数少的称为低压绕组。单相小容量变压器的绕组多用高强度漆包线绕制。为了降低绕组和铁芯间的绝缘要求，一般高压绕组同心地套在低压绕组的外面。2．绕组二、

单相变压器的工作原理1．变压器的空载运行—电压变换一次侧绕组接额定电压为UN1的交流电源，二次侧绕组处于开路状态空载时，铁心中主磁通

是由一次绕组磁通势产生的。变压器空载时:K为变比一次侧绕组接额定电压为UN1的交流电源，二次侧绕组与负载相连接2．变压器的负载运行—电流变换负载时，铁心中主磁通

是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。负载运行若U1、f不变，则

m基本不变，近于常数。铁心中主磁通的最大值

m在变压器空载和有载时近似保持不变。空载：负载：空载：负载：一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。3．变压器的阻抗变换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K2倍。铜耗（可变损耗）铁耗（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。一般

95%

,负载为额定负载的(50~75)%时，

最大。4．变压器的损耗与效率三、

变压器技术参数

额定电压U1N、U2N

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

额定电流I1N、I2N

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、二次侧绕组线电流三、

变压器技术参数

额定容量

SN

变压器额定容量是指在额定电压和额定电流情况下，其输出的额定视在功率。单相：三相：变压器运行时的功率取决于负载的性质SJL1000/10

变压器额定容量(KVA)

铝线圈

冷却方式J:油浸自冷式F:风冷式相数S:三相D:单相

高压绕组的额定电压(KV)

变压器的型号

我国规定标准工频频率为50Hz，有些国家则规定为60Hz，使用时应注意。改变使用频率会导致变压器某些电磁参数（如磁通等）发生变化，影响其正常工作。额定频率（f）

例：有一台单相变压器，