汽车电工电子技术第四章 电磁学原理及应用.ppt

1、第四章 电磁学原理及应用,学习意义 利用电磁场基本原理人们开发了许多电气元件，完成本章的学习后，你将能够掌握电磁场的一些基本概念，以及变压器、电磁铁、继电器的结构和工作原理，并能够举出实例解释汽车上这些电磁器件的应用实例。 学习目标,- 掌握法拉第电磁感应定律和楞次定律 - 掌握磁场、磁路的基本概念 - 掌握电磁铁、继电器的结构和类型 - 掌握点火线圈的结构和工作原理 - 了解汽车上电磁铁和继电器的应用实例 - 能够利用电磁场理论解释点火线圈在汽车上的 用,本章内容,4.1 磁场及磁路 4.2 电流的磁效应 4.3电磁感应 4.4点火线圈 4.5电磁铁和继电器,理论知识要点,1.历史人物,法拉

2、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。,2主要知识点 磁场、磁路 铁磁物质的性质 磁通量、磁感应强度、磁导率的概念,理论课堂 （

3、1）你知道磁场概念是如何引入的吗？ （2）你能给出磁场存在的一些例子吗？,4.1 磁场及磁路,4.1.1磁的基础知识 1.磁 磁性是物质能吸引铁、钴、镍等金属的特性。而具有磁性的物体，我们称为磁体。 2.磁铁的主要性能 (1)磁铁具有极性，自由悬吊的磁铁会指向南北。指向北端的称为北极用N表示；指向南端的称为南极用S表示。 (2)磁极之间有相互作用力,称为磁力。 同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。 (3)把一块铁磁物质放在磁铁附近，该铁磁物质也会带上磁性，这种原来没有磁性的物质获得磁性的现象称为磁化，磁铁拿走后，被磁化的物质还会保留一定的磁性，称为剩磁。,4.1.2磁场及其性质 1.磁场定义：

4、电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。能够产生磁力的空间存在着磁场，磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。 2.性质：磁场是由运动电荷或变化电场产生的。 3.磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。 4.磁感线（磁力线）：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。如图4-1所示。,图4-1 磁力线,5.磁场的应用 在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴

5、随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。 地球的磁级与地理的两极相反。,4.1.3磁场基本物理量 1.磁通量 磁场强度一般用磁力线表示。 定义：磁场中垂直穿过某一截面积S的磁力线总数为穿过该面积的磁通量，简称磁通用表示，单位：Wb(韦伯)。 2.磁感应强度B 定义：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，是个矢量。 规定：其值等于垂直于B矢量的单位面积的磁力线数。单位：特斯拉（T）即韦伯/米2 1T=1Wb/m2 计算公式： （1）,（2）对于电流产生的磁场，磁感应强度的方向和电流方向满足右手螺旋定则，其大小为:,3.磁导率 定义：衡量物质导磁能力大小的物理量。 大小：真空中的磁导率

6、用0表示，实验测得0为一常数。非铁磁性物质的近似等于0。 而铁磁性物质的磁导率很高，0。 单位：亨/米（H/m） 4.磁场强度 定义：在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率的比值称为该点的磁场强度H ，即：H=B/。 单位：安/米（A/m）,4.1.4铁磁物质的性质 1.高导磁性 2.磁饱和性 3.磁滞性 4.1.5铁磁材料的分类 1软磁材料：特点是易磁化也易去磁，常用作电气设备的铁心，如硅钢、铸钢、纯铁等。 2磁材料：特点是不易磁化也不易去磁，常用来制造各种形状的永磁铁、扬声器磁钢。 3距磁材料：特点是较小的外磁场就能使磁化达到饱和，去到外磁场仍能保持饱和。用于电子计算机存

7、储器的磁芯登记忆元件。,4.1.6磁路欧姆定律 磁路定义：磁通集中通过的闭合路径称为磁路。 1磁路的形成 为了获得较强的磁感应强度，都用铁磁材料做成各种形状的闭合铁心。 图4-2是变压器、电机、电磁铁等设备的磁路。,（a） 变压器的磁路 （b）直流电机的磁路 （c）电磁继电器的磁路 图4-2 常见设备的磁路,2.磁路欧姆定律 在磁路中，磁通与产生磁通的磁源（磁通势）成正比，与磁路的磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律，即,式中 N线圈匝数 I励磁电流 Rm磁阻,工作任务：分析制动油面开关的工作原理 1.构造描述 图4-3为一制动总泵储油室内的制动油面开关构造。在长玻璃管内，放入两块薄片状的强磁性体金

8、属片作为触点开关，玻璃管内封入惰性气体，以防止触点表面腐蚀。 2.工作目标 分析制动油面开关的工作原理 （1）当储油油面位在正常高度A时，警示灯不亮。 （2）当储油油面低于规定高度B时，警示灯点亮。,（a）储油室结构图 （b）工作原理图 图4-3 制动油面开关,3. 根据图示分析油面开关的工作原理及过程,填写下表,4.工作评价 小组讨论，老师和李师傅给出评价表老师和李师傅给出评价表,5.学习体会,4.2 电流的磁效应,4.2.1 电流的磁场 1.奥斯特试验 2.安培定则 （1）通电直导体产生的磁场 一根直导体通入电流后，导体周围将产生磁场，其磁感线是以导体为圆心的同心圆，方向与电流的方向有关，

9、可用右手定则判断：右手握住直导体，用大拇指指向电流方向，则其余四指弯曲的方向就是磁场的方向（如图4-4）。,图4-4 通电直导线的磁场,（2）通电线圈产生的磁场 把导体绕成螺旋状并通入电流，也能产生磁场，通电线圈相当于一块条形永久磁铁的磁场；通电导体的磁场强弱不仅与电流的大小有关，而且与线圈的匝数有关；通电线圈磁场方向也可以用右手定则确定：右手握住线圈，用弯曲的四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是产生磁场极的方向（如图4-6）。,（a）磁感线 （b）右手螺旋定则 图4-6 通电线圈的磁场,4.2.2 磁场对电流的作用 安培在1820年实验中发现：在两平行导线中，通以电流，则平行导线之间会产生

10、作用力（如图4-7）。 通有电流的导线将和邻近磁场的磁力线发生作用力，称这种作用力为磁场力。,（a）电流方向相同 （b）电流方向相反 图4-7 安培实验,1磁场对通电直导线的作用 试验证明：在均匀磁场中，通电导体受到一个力（即电磁力）的作用，其大小与磁感应强度成正比，与导体中电流成正比，与导体在磁场中的有效长度成正比， 即BIL 单位：牛顿（） 安培（） 米（） 载流直导体在磁场中的受力方向可用左手定则判断：将左手伸开，拇指与四指相互垂直，让磁力线垂直穿过手心，四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是导体受力的方向。,图4-8 磁场对通电直导线的作用,2.磁场对通电线圈的作用 （1）通电线圈在磁

11、场中的受力分析,图4-9 磁场对通电线圈的作用,（2）实验证明：在均匀磁场中放置一个可绕中心轴旋转的线圈，给线圈通电后，当磁力线与线圈边框平行时，所受到的电磁力为零，此边称为无效边；而与磁力线垂直的边受到的电磁力最大，此边称为有效边。 根据左手定则可知，两条有效边的受力方向正好相反且不在同一条直线上，因而形成一对力偶，使线圈绕中心轴转动。 通电线圈在磁场中的转矩等于力偶中的任意一个力与力偶臂的乘积；即 MBIS=I 式中M：线圈中受到的电磁转矩，单位为 ：均匀磁场的磁感应强度，单位为 ：线圈中的电流，单位为 ：线圈的面积，单位为 如图，若线圈线圈转角为，则线圈的转矩为 M= BIScos 上式

12、为单匝线圈的转矩表达式，如果矩形线圈匝数为N，则转矩为 M =NBIScos,3.磁场对通电半导体元件的作用 实验证明：霍尔效应中产生的电压VH (霍尔电压)的大小与通过半导体基片的电流IH，和磁场的磁感应强度B成正比与基片的厚度d成反比,式中 V H霍尔电压，单位为V R H霍尔系数，单位为mc IH电流，单位为A B磁感应强度，单位为T d基片厚度，单位为m,由上式可知，当通过半导体基片的电流IH 为一定时，霍尔电压与磁感应强度B成正比，即霍尔电压随磁感应强度大小而变化。汽车电子点火系统中的霍尔点火信号发生器就是利用霍尔效应原理制成的。,工作任务：用霍尔效应分析霍尔组件的工作原理 1.构造

13、描述,(a) 霍尔组件及波形 (b) 霍尔效应组件 图4-11 霍尔效应装置,图4-11为霍尔效应装置常用在汽车点火系统中，它可以为晶体管点火系统提供触发信号 霍尔效应装置常使用在汽车点火系统中，霍尔效应装置可以为晶体管点火系统提供触发信号。,2.工作原理设计要求 通过转盘上遮罩和转盘不停的转动，使霍尔元件可送出连续的方波信号，其工作原理见图4-12。,4.工作评价 小组讨论，老师和师傅给出评价表,5.学习体会,4.3 电磁感应,4.3.1电磁感应定律 1.法拉第电磁感应定律（磁生电）如图4-14所示。 不论何种原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率

14、成正比，即,图4-14 法拉第电磁感应实验,式中负号为楞次定理的数学表示。当线圈有N匝，且各匝线圈所围面积中磁通量的改变都相同时，有,2.楞次定律 当磁棒N极靠近线圈时，则磁棒的向左磁力线(磁通为1)将使线圈内的磁力线增加，于是线圈会感应出电流，而产生向右磁通(2)来反抗向左磁力线的增加。此感应电流使电流表指针向右偏转。 反之，如图4-15（b)所示，当磁棒远离线圈时，线圈上原来所受的磁棒的磁力线将减少，于是线圈便感应出电流，以产生相同方向的磁通(2)，来补足原磁力线的减少。此感应电流使电流表指针向左偏转。,（a） （b） 图4-15 楞次定律,3.用楞次定律判断感应电流（电动势）的步骤 （1

15、）首先确定原磁通的方向及其变化的趋势（是增加还是减少）。 （2）根据楞次定律确定感应磁通的方向，即与原磁通方向相同还是相反。 （3）根据感应磁通的方向，应用右手螺旋定则判断出线圈中感应电流（电动势）方向。,4.3.2自感现象 所谓自感现象就是线圈内变化的磁通源于线圈本身通人变化的电流。如图4-16所示，闭合开关s，调节Rp。改变流入线圈电流的大小或改变电流的方向，则线圈的磁通量大小(或方向)发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。 设闭合回路中的电流强度为i，根据毕奥-萨伐尔定律，空间任意一点的磁感强度B的大小都和回路中的电流强度i成正比，因此穿过该回路所包围面积内的磁通量m也和i成正比，比例系

16、数L叫做回路的自感系数，简称自感。 即 m=Li 自感系数L 的单位为H，称为亨利，简称亨。,图4-16 自感线圈,按法拉第电磁感应定律，回路中所产生的自感电动势可用自感系数L 表示为,4.3.3互感现象 1.互感电动势 由于一个线圈中的电流发生变化而使其它线圈产生感应电动势的现象叫互感现象。这个感应电动势称为互感电动势，用em表示。如图4-17所示。 2互感电动势方向的判定方法 互感电动势的方向可用楞次定律来判定，其具体方法是： (1)根据线圈中电流的方向，确定线圈中互感磁通的方向。 (2)根据线圈l中电流变化的趋势，确定通过线圈2中互感磁通的变化趋势。 (3)根据楞次定律判定线圈2中感应磁

17、通的方向。 (4)根据右手螺旋定则判定互感电流的方向。,图4-17 互感的产生,4.3.4涡流现象 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。 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。,工作任务一：分析互感现象在变压器中的应用 1.工作描述 变压器是一种根据互感原理制成的静止电器，它的基本结构形式有两种：芯式和壳式。主要组成部分有铁心和绕组。 （1）

18、铁心由0.350.5后的硅钢片，表面涂绝缘漆交叠而成，这是为了 （2）绕组即线圈，它一般由绝缘导线绕制成不同匝数的线圈。与电源相连的绕组称初次绕组或初级线圈，与负载相连的绕组称次级绕组或次级线圈。绕组与绕组之间，绕组与铁心之间用绝缘材料隔开,如图4-18。,图4-18 芯式和壳式,2.工作目标 根据互感现象分析变压器中电压，电流和阻抗的变换的原理 3. 根据变压器基本电路，分析工作原理（如图4-19）变压器基本电路 （1）若初级线圈的匝数为N1,电压为U1, 次级线圈的的匝数为N2,电压为U2 则n=U1/U2=N1/N2 式中n为变压比，也称匝数比。 当n1，即N1N2,此时变压器是用作降压

19、的； 当n1，即N1N2,此时变压器是用作升压的。 因此我们适当选择N1和N2,即可达到升压或降压的目的。,图4-19 变压器基本电路,（2）若流过初级线圈的电流为I1, 流过次级线圈的电流为I2 则I1/I2=1/n 即变压器的高压绕组匝数多，而流过的电流小；低压绕组匝数少，而流过的电流大。电流小可选择较小的导线截面，电流大要选择较大的导线截面，因此从导线粗、细就可以分出高低压绕组。 （3）变压器的阻抗变换是指变压器次级绕组接的负载的阻抗，转换为初级绕组接入电源两段的等效阻抗。 综上所述，变压器的三大功能就是指变压、变流及阻抗变换。,4.工作评价,工作任务二：设计电流互感器 1.工作描述 根

20、据变压器的工作原理，请设计一个电流互感器，用来扩大电流表的量程。（见图4-20）,图4-20电流互感器的接线图,图4-21 钳形电流表,2.设计计划提示,3.工作评价 小组讨论，老师和李师傅给出评价表,4.学习体会,4.4 点火线圈,4.4.1点火线圈的工作原理 1.点火线圈的结构,图4-22 点火线圈结构,2.点火线圈的工作原理 点火线圈之所以能将车上低压电变成高电压，是由于有与普通变压器相同的形式，初级线圈与次级线圈的匝数比大。但点火线圈工作方式却与普通变压器不一样，普通变压器是连续工作的，而点火线圈则是断续工作的，它根据发动机不同的转速以不同的频率反复进行储能及放能。当初级线圈接通电源时

21、，随着电流的增长四周产生一个很强的磁场，铁芯储存了磁场能；当开关装置使初级线圈电路断开时，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈就会感应出很高的电压。初级线圈的磁场消失速度越快，电流断开瞬间的电流越大，两个线圈的匝比越大，则次级线圈感应出来的电压越高。,点火线圈的故障检修：,点火线圈的故障主要有初、次级绕组断路、短路和搭铁，绝缘盖破裂漏电，检查、试验和修理方法如下： 点火线圈的检查： 肉眼直观检查：检查的主要内容和 要求是察看绝缘盖与外壳封装应完好， 周围不得有绝缘物溢出。 初、次级绕组断路、短路和搭铁的 检查：（如图所示）,检查点火线圈搭铁,4.4.2点火线圈的分类 1.开磁路点火线圈的结构 根据

22、低压接线柱得数目不同，点火线圈有两接线柱式和三接线柱式之分，如图4-23。,图4-23 开磁路点火线圈,开磁路式点火线圈的磁路,2.闭磁路点火线圈的结构 闭磁式则采用形似E的铁芯绕初级线圈，外面再绕次级线圈，磁力线由铁芯构成闭合磁路，见图4-24和4-25。,图4-24 闭磁路式点火线圈,图4-25 闭磁路式点火线圈的磁路,4.4.3点火系统的组成和工作原理 1.传统点火系统的组成 传统点火系由电源、点火线圈、断电器、分电器、点火开关、火花塞等组成，如图4-26所示。,图4-26 传统点火系统的组成和工作原理,各组成部分的功用如下： （1）电源为蓄电池和发电机，标称电压为12V，其作用是供给点

23、火系统所需的电能。 （2）点火线圈的功用是将12V的低压电转变为1520kV的高压电。 （3）断电器由触点和凸轮组成(凸轮的凸角数与气缸数相等)，其作用是接通和断开初级电路。 （4）分电器由分电器盖和分火头组成。分电器盖上有与发动机气缸数相同的旁电极。当分火头旋转时，它上面的导电片依次和旁电极接通，将点火线圈产生的高压电，按发动机的工作顺序分别传到各缸火花塞。 （5）电容器与断电器触点并联，用来减小触点间的火花，延长触点的使用寿命，提高次级电压。 （6）点火开关用来控制点火系统初级电路的通断，只要断开点火开关，发动机可立即熄火。 （7）火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电引入燃烧室，并在其电极

24、间产生电火花，点燃混合气。,2.传统点火系统的工作原理 在点火开关SW接通的情况下，当触点闭合时，点火线圈初级绕组中有电流流过。流过初级绕组的电流称为初级电流I1，初级电流I1的路径(图4-26中用实线表示)为：蓄电池正极 电流表点火开关SW点火线圈“开关+”接线柱附加电阻Rf“开关”接线柱点火线圈初级绕组“-”接线柱断电器触点搭铁蓄电池负极。初级电流在点火线圈的铁心中形成磁场，电能转变为磁能。 当断电器凸轮将触点打开时，初级电路被切断，初级电流消失，点火线圈次级绕组的匝数多， 因而在次级绕组内就感应出1520KV的电动势，它足以击穿火花塞的电极间隙，产生电火花点燃混合气。高压电流I2的路径(

25、如图4-26中用虚线表示)为：次级绕组“开关”接线柱附加电阻Rf “开关+”接线柱点火开关SW电流表蓄电池搭铁火花塞旁电极火花塞中心电极高压导线分电器高压导线次级绕组。 由上述分析可知，在点火系统中有两个电路：初级电流I1流经的电路为低压电路，而高压电流I2流经的电路为高压电路。,工作任务一：分析点火线圈的工作原理 1.工作描述 分析在下图4-27初级和次级线圈中，点火线圈的工作原理（包括电磁感应、互感和自感三种重要的现象）,图4-27 磁感线切割次级绕组,2.工作目标 学习应用电磁感应的原理，分析解决实际问题 3 .工作过程分析（提示）,4.工作评价,工作任务二：电容器在点火电路中的作用 1

26、.工作描述 当初级回路突然被初级控制开关(比如传感器开关或断电触点)断开时，磁场也随之突然消失。这会在次级线圈中产生一个非常高的电压，这个电压高到足以使火花塞跳火。在此点火系统中，为了保护初级开关回路和加速磁场的消失，电容器被串在电路中，吸收磁场产生的感应电流(如图4-28、如图4-29)。,图4-28 触点闭合，电流流过初级回路,图4-29 触点断开，电容器吸收感应电流,3.工作步骤提示,4.工作评价 小组讨论，老师和李师傅给出工作评价表,5.学习体会,4.5 电磁铁和继电器,4.5.1电磁铁 1.概念：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、工件于固定位置的一种电器，如图4-32所示。,图4-32 电磁铁,2.分类：根据电磁铁线圈通过的电流不同，电磁铁可分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。 3结构及工作原理 电磁铁一般由线圈、铁心和衔铁三部分组成。电磁铁可以通过控制电路的接通和断开，以达到保护电器设备的作用。利用电流的磁效应，使软铁具有磁性的装置。,图4-33 电磁式继电器结构,4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、电喇叭等等。,4.5.2继电器 1.概念：一种利用电磁铁作开关的