1、汽车电工电子基础项目三项目三 电磁的电磁的应用应用学习要点1.1.了解电磁的相关物理量；了解电磁的相关物理量；2.2.理解电磁感应现象；理解电磁感应现象；3.3.掌握电磁感应的应用，如变压器、电磁铁、继掌握电磁感应的应用，如变压器、电磁铁、继电器并理解其工作原理。电器并理解其工作原理。任务1 1 电磁基本物理量的认识一、一、磁场的基本物理量磁场的基本物理量1.1.磁感应强度磁感应强度在磁场中，磁感应强度用在磁场中，磁感应强度用 来表示，它是描述磁场内某点来表示，它是描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量磁场强弱和方向的物理量。2 2.磁通磁通在磁场中，在磁场中，磁通磁通是是表示穿过垂直表示穿过垂
2、直于于B B方向方向的面积的面积 S S中中的的磁力线总数。在均匀磁场中磁力线总数。在均匀磁场中，或或 磁通磁通 的单位为韦伯的单位为韦伯(WbWb)。(伏伏秒秒)BSSBsVWb113.3.磁场强度在磁场中，在磁场中，磁场强度磁场强度H H是是介质中某点的磁感应强度介质中某点的磁感应强度 B B与与介质磁导率介质磁导率 之之比比。式式中中 磁场强度，单位为磁场强度，单位为A Am m。BH 安培环路定律是指沿空间任意条闭合安培环路定律是指沿空间任意条闭合线线L L，磁场强度，磁场强度 H H的的线积分恰好等于该闭合线线积分恰好等于该闭合线所包围的电流的代数和，如图所包围的电流的代数和，如图3
3、-l3-l所示，用公所示，用公式表示式表示有有 式中式中 磁场强度矢量沿任意闭合线磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回路常取磁通作为闭合回路)的线积分；的线积分；穿过闭合回路所围面积的电流穿过闭合回路所围面积的电流的代数和。的代数和。IHdl图图3.1 3.1 安培环路定律安培环路定律4.4.磁导率 在磁场中，在磁场中，磁导率磁导率 是是表示磁场媒质磁性的物理量，它衡量物质的导表示磁场媒质磁性的物理量，它衡量物质的导磁能力。磁能力。磁导率磁导率 的的单位为亨米单位为亨米(H(Hm)m)，真空中的磁导率为常数，真空中的磁导率为常数，用用 0 0表示表示，即即相对磁导率相对磁导率 是是任一
4、种物质的任一种物质的磁导率磁导率 和和真空的真空的磁导率磁导率 0 0的的比值比值。磁场内某点的磁场内某点的磁场强度磁场强度H H只只与电流大小、线圈匝数以及该点的几何与电流大小、线圈匝数以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的位置有关，与磁场媒质的磁导率磁导率 无关无关，而，而磁感应强度磁感应强度B B则则与磁场媒质的与磁场媒质的磁导率有关。磁导率有关。mH/1047000BBr二、磁路分析的方法1.1.磁路的概念磁路的概念电流电流具有磁效应，变化的磁场又能感生出电流，磁与电是分不开具有磁效应，变化的磁场又能感生出电流，磁与电是分不开的。如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁的
5、。如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路路。当。当线圈中通电流时，线圈周围的空间就会产生磁场。由于铁芯的线圈中通电流时，线圈周围的空间就会产生磁场。由于铁芯的导磁性能比空气好得多，所以绝大部分磁通在铁芯中通过，这部分磁导磁性能比空气好得多，所以绝大部分磁通在铁芯中通过，这部分磁通称为主磁通。围绕线圈和部分铁芯及铁芯周围空气的还有少部分磁通称为主磁通。围绕线圈和部分铁芯及铁芯周围空气的还有少部分磁通，大部分磁通称漏磁通通，大部分磁通称漏磁通。图图3.2 3.2 带铁带铁芯的磁路芯的磁路2.2.磁路的基本定律（1 1）磁路的欧姆定律）磁路的欧姆定律磁路磁路中，磁通与产生磁通的中
6、，磁通与产生磁通的磁通势磁通势NINI成正比成正比，与磁路，与磁路磁阻磁阻Rm Rm 成反成反比，这就是磁路的欧姆定律。比，这就是磁路的欧姆定律。即即 （2 2）磁路的基尔霍夫定律）磁路的基尔霍夫定律若若磁路由不同材料或不同长度及截面积磁路由不同材料或不同长度及截面积的的n n段段组成，则磁路分析计算组成，则磁路分析计算的基本公式为的基本公式为 即即 上称为磁路的基尔霍夫定律，它是分析和计算磁路的基本方法上称为磁路的基尔霍夫定律，它是分析和计算磁路的基本方法。mRNInnLHLHLHLHNI 332211niiiLHNI1 例3.1 3.1 一个闭合的均匀的铁芯线圈，匝数为一个闭合的均匀的铁芯
7、线圈，匝数为300300，铁芯中的磁感应强度为，铁芯中的磁感应强度为0.9T0.9T，磁路的平均长度为，磁路的平均长度为45cm45cm，试求：，试求：(1)(1)铁芯材料为铸铁时线圈中的电流。铁芯材料为铸铁时线圈中的电流。(2)(2)铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流。解解：(1)(1)查铸铁材料的磁化曲线，查铸铁材料的磁化曲线，当当B=0.9T B=0.9T 时，时，磁场强度磁场强度H=9000A/m H=9000A/m，则则(2)(2)查硅钢片材料的磁化曲线，查硅钢片材料的磁化曲线，当当B=0.9TB=0.9T 时，时，磁场强度磁场强度H=260A/m H=26
8、0A/m，则则 可见，当线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，可见，当线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁芯材料，可使铁芯的用铁量大为降低采用磁导率高的铁芯材料，可使铁芯的用铁量大为降低。AANHLI5.1330045.09000AANHLI39.030045.0260任务2 2 电磁感应现象的分析和验证 一、电磁感应现象和电磁感应规律一、电磁感应现象和电磁感应规律 1 1基本的电磁感应现象基本的电磁感应现象 (1)(1)一闭合的导线回路和永久磁铁之间发生相对运动时，回路中出现一闭合的导线回路和永久磁铁之间发生相对运动时，回路中出现电流。这种电流称为感应电
9、流电流。这种电流称为感应电流。图图3.3 3.3 实验一实验一(2)(2)一闭合的导线回路与一载流线圈之间发生相对运动时，回路中也一闭合的导线回路与一载流线圈之间发生相对运动时，回路中也出现电流，如图出现电流，如图3.43.4。结果与上一实验相仿，唯一的差别是载流线圈代替。结果与上一实验相仿，唯一的差别是载流线圈代替了永久磁铁了永久磁铁。(3)(3)闭合回路和载流线圈间虽无相对运动，但载流线圈中电流的大小闭合回路和载流线圈间虽无相对运动，但载流线圈中电流的大小发生变化，如在图发生变化，如在图3.43.4中，打开或闭合电键中，打开或闭合电键 ，或改变变阻器，或改变变阻器 的电阻，也的电阻，也都会
10、使回路中出现感应电流。感应电流的大小取决于载流线圈中电流变都会使回路中出现感应电流。感应电流的大小取决于载流线圈中电流变化的速率化的速率。图3.4 3.4 实验二 (4)(4)处在磁场中的闭合导线回路上的一部分导体在磁场中运动。如在处在磁场中的闭合导线回路上的一部分导体在磁场中运动。如在图图3.53.5中，导线回路上的一段导线中，导线回路上的一段导线 在磁场中运动，回路中亦产生感应电流在磁场中运动，回路中亦产生感应电流。图图3.5 3.5 实验三实验三2 2感应电动势及其大小和方向 图3.8 3.8 当磁场减少时，感应电流产生的磁场方向与原磁场相同 图3.6 3.6 当线圈 中的电流接通（切断
11、）的瞬间，铝环 被斥离（吸向）线圈图3.7 3.7 当磁场增大时，感应电流产生的磁场方向与原磁场相反对于对于任一给定回路，其中感应电动势的大小任一给定回路，其中感应电动势的大小正比于回路所圈围面积的磁感应通量的变化率。正比于回路所圈围面积的磁感应通量的变化率。总之总之，大量的实验表明，闭合回路中感应电，大量的实验表明，闭合回路中感应电流的方向，总是企图使感应电流产生的磁场去阻流的方向，总是企图使感应电流产生的磁场去阻止引起该感应电流的磁感应通量的变化。这一结止引起该感应电流的磁感应通量的变化。这一结论称为楞次定律。由于感应电流是感应电动势作论称为楞次定律。由于感应电流是感应电动势作用下产生的，
12、实验中铝环内感应电流的方向也就用下产生的，实验中铝环内感应电流的方向也就显示了感应电动势的方向，因此，楞次定律指出显示了感应电动势的方向，因此，楞次定律指出了感应电动势的方向了感应电动势的方向。3 3法拉第电磁感应定律(1)(1)磁感应磁感应通量通量m0 m0，如图，如图3.93.9所示。所示。(2)(2)磁感应通量磁感应通量 m0 m0，但随时间减少但随时间减少，即，即d dm/m/dt dt0 0m0 ，d dm/m/dtdt00 时，感应电流与感应电动势为负图3.10 3.10 当 m0 m0，d dm/m/dtdt00 时，感应电流与感应电动势为正mddt 例2 2 一矩形的闭合导线回
13、路放在均匀磁场中，磁场方向与回路的面垂直，一矩形的闭合导线回路放在均匀磁场中，磁场方向与回路的面垂直，如图如图3.113.11所示，回路的一条所示，回路的一条边边abab可以可以在另外的两条边上滑动，在滑动过程在另外的两条边上滑动，在滑动过程中，保持良好的电接触。若可动边的长度中，保持良好的电接触。若可动边的长度为为l l，滑动速度力滑动速度力 v v，求回路中求回路中的感应电动势。的感应电动势。图图3.11 3.11 例例2 2图图取回路面积的正法线方向与磁场取回路面积的正法线方向与磁场的方向一致。则磁场对回路圈围面积的方向一致。则磁场对回路圈围面积的磁感应通量的磁感应通量为为由法拉第电磁感
14、应定律由法拉第电磁感应定律，因为电动势正方向由因为电动势正方向由 a a到到b b，上，上式的负号表示滑动边中电流的方向由式的负号表示滑动边中电流的方向由 b b到到a a。mBlxmddxBlBlvdtdt 二、电磁感应现象的分析与验证1 1动生电动势动生电动势 导体在恒定磁场中运动所产生的感应电动势又称为动生电动势。由导体在恒定磁场中运动所产生的感应电动势又称为动生电动势。由于动生电动势起因于磁场对运动电荷的洛仑兹力，因此，导线是否构成于动生电动势起因于磁场对运动电荷的洛仑兹力，因此，导线是否构成闭合问路不是一个本质问题。如果回路是闭合的，那么动生电动势将在闭合问路不是一个本质问题。如果回
15、路是闭合的，那么动生电动势将在回路中引起电流；如果回路不闭合，当然不会引起电流，但运动导体中回路中引起电流；如果回路不闭合，当然不会引起电流，但运动导体中动生电动势依然存在动生电动势依然存在。图3.15 3.15 在均匀磁场中作匀速运动的导体杆上的电荷分布及其产生的电场图3.14 3.14 当导体杆在磁场中运动时，杆中自由电子受洛伦兹力作用，从而在杆两端积累起电荷2 2感应电场及其性质感应电场是有源场感应电场是有源场。感应电场的性质与稳恒电流的磁场的性质十分。感应电场的性质与稳恒电流的磁场的性质十分相似相似。由于。由于自然界中不存在磁荷，自然界中不存在磁荷，故磁场是无源场故磁场是无源场，磁感应
16、线是闭合的。，磁感应线是闭合的。在只有感应电场分布的空间，亦无电荷存在，因而感应电场也是无源场，在只有感应电场分布的空间，亦无电荷存在，因而感应电场也是无源场，感应电场的电力线也是闭合的感应电场的电力线也是闭合的。图3.19 3.19 涡旋磁场与涡旋电场a a）与 成右手螺旋 b b）与 成左手螺旋任务3 3 变压器原理分析变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，装置，主要构件主要构件：初级线圈初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压
17、（磁饱和变压器）等隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。一、变压器的基本结构变压器主要由铁芯和绕组两部分组成，其外形如图3.203.20所示。(a)(a)配电变压器 (b)(b)电力变压器 (c)(c)整流变压器图3.20 3.20 变压器 图3.21 3.21 单相心式变压器 图3.22 3.22 单相壳式变压器二、变压器的工作原理 空载运行
18、空载运行时，变压器一次绕组与二次绕组的电压比就等于一、二时，变压器一次绕组与二次绕组的电压比就等于一、二次绕组的匝数比。因此，要使一、二次绕组具有不同的电压，只要使次绕组的匝数比。因此，要使一、二次绕组具有不同的电压，只要使它们具有不同的匝数即可，这就是变压器能够它们具有不同的匝数即可，这就是变压器能够“变压变压”的原理的原理。图3.23 3.23 变压器空载时的原理图从以上分析可以看出，变压器的两个绕组之间在电路上没有联系，从以上分析可以看出，变压器的两个绕组之间在电路上没有联系，当一次绕组外加交流电压后，依靠两个绕组之间的磁耦合和电磁感应作当一次绕组外加交流电压后，依靠两个绕组之间的磁耦合
19、和电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压。也就是说，变压器是依靠磁耦合实现能用，使二次绕组产生交流电压。也就是说，变压器是依靠磁耦合实现能量传递的。量传递的。三、变压器进行能量传递的原理通过一、二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸通过一、二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸收的电功率就传递到二次绕组，并输出给负载，这就是变压器进行能量传收的电功率就传递到二次绕组，并输出给负载，这就是变压器进行能量传递的原理。递的原理。图3.24 3.24 变压器负载运行四、变压器的运行性能及额定值 1 1外特性外特性在在电源电压电源电压U2U2和和负载功率因数不变的条件下负载功率
20、因数不变的条件下,二次绕组的二次绕组的端电压端电压U2U2随随一次绕组一次绕组电流电流I2I2的的变化关系称为变压器的外特性。变化关系称为变压器的外特性。对电阻性或电感性负载来讲，变压器的外特性是一根微对电阻性或电感性负载来讲，变压器的外特性是一根微向下倾斜的曲线，如图向下倾斜的曲线，如图3.253.25所示。由图所示。由图3.253.25可见，外特性下降可见，外特性下降的程度随负载功率因数的不同而不同，功率因数愈低，输出的程度随负载功率因数的不同而不同，功率因数愈低，输出电压电压 下降愈大下降愈大。2 2效率和效率特性效率和效率特性图图3.263.26为变压器的效率特性曲线，由图可见，效率随
21、输出为变压器的效率特性曲线，由图可见，效率随输出功率而变，并且效率特住曲线是一条有最大值的曲线。中小功率而变，并且效率特住曲线是一条有最大值的曲线。中小型变压器的效率约为型变压器的效率约为95959898，大型变压器的效率，大型变压器的效率般公般公9999以上。以上。图3.25 3.25 变压器的外特性曲线 图3.26 3.26 变压器的效率特性曲线3.3.变压器的额定值(1)(1)额定容量额定容量 ：在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在：在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值，称为额定容量。额定容量用伏安功率的保证值，称为额定容量。额定容量用伏安(V(VA)A)或或千千伏安伏安(k
22、vkvA)A)表示。对三相变压器，额定容量是指三相容量之表示。对三相变压器，额定容量是指三相容量之和。和。(2)(2)额定电压额定电压 ：铭牌规定的各个绕组在空载、指定分接开：铭牌规定的各个绕组在空载、指定分接开关位置下的端电压，称为额定电压。额定电压用伏关位置下的端电压，称为额定电压。额定电压用伏(V)(V)或或千千伏伏(kV)(kV)表示。对三相变压器，额定电压指线电压。表示。对三相变压器，额定电压指线电压。(3)3)额定电流额定电流 ：根据额定容量和额定电压算出的电流称为：根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，以安额定电流，以安(A)(A)表示表示。(4)(4)额定频率额定频率
23、：我国的标准工频规定为：我国的标准工频规定为50HZ 50HZ。此外，额定丁作状态下变压器的效率、温升等数据也属此外，额定丁作状态下变压器的效率、温升等数据也属于额定值于额定值。五、自耦变压器 1 1结构结构前面介绍的变压器其一、二次绕组是相互绝缘而分绕在同一个铁芯前面介绍的变压器其一、二次绕组是相互绝缘而分绕在同一个铁芯上的，称为双绕组变压器压器，如果把两个绕组合成为一个绕组，二次上的，称为双绕组变压器压器，如果把两个绕组合成为一个绕组，二次绕组是一次绕组的一部分，这种具有一个绕组的变压器称为自耦变压器，绕组是一次绕组的一部分，这种具有一个绕组的变压器称为自耦变压器，如图如图3.273.27
24、所示。在自耦变压器中，一、二次绕组既有磁的联系，又有直所示。在自耦变压器中，一、二次绕组既有磁的联系，又有直接的电的联系接的电的联系。a a）外形结构图 b b）原理图图3.27 3.27 自耦变压器2 2原理 自耦变压器一、二次绕组之间的电压关系和普通两绕组变压器一样。自耦变压器一、二次绕组之间的电压关系和普通两绕组变压器一样。若忽略阻抗压降，若忽略阻抗压降，则则在自耦变压器中，一、二次绕组电流之比近似等于两绕组匝数的反在自耦变压器中，一、二次绕组电流之比近似等于两绕组匝数的反比，比，即即 3 3应用注意应用注意事项事项111222UENKUEN12211ININK六、电压互感器 电压互感器
25、电压互感器的工作原理与小型电力变压器相同，一次绕组匝数较多，的工作原理与小型电力变压器相同，一次绕组匝数较多，并联在所测的高压电路中；二次绕组匝数较少，测量仪表、控制回路和并联在所测的高压电路中；二次绕组匝数较少，测量仪表、控制回路和指示电路都与二次绕组并联。电压互感器的原理图如图指示电路都与二次绕组并联。电压互感器的原理图如图3.283.28所示所示。注意：运行中的电压互感器二次绕组端严禁短路，否则将会出现很大的短路电流而降互感器烧毁；同时，二次绕组的一端应和铁芯一起接地，以防止高压绕组的绝缘损坏时，对低压侧产生危险。图3.28 3.28 电压互感器的原理图任务四 电磁铁 电磁铁是利用通电的
26、铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定依置的一种电器。衔铁的动作可使其他机零件、工件于固定依置的一种电器。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失，械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失，衔铁或其他零件即被释放。电磁铁可分为线圈、铁芯及衔铁衔铁或其他零件即被释放。电磁铁可分为线圈、铁芯及衔铁三部分，其结构形式通常有图三部分，其结构形式通常有图3.293.29所示的几种所示的几种。（a a）（b b）（c c）图3.29 3.29 电磁铁的结构形式 电磁铁在生产中的电磁铁在生产中的应用应用图3-30
27、 3-30 电磁铁应用实例 图3.31 3.31 喇叭继电器电路图任务五 汽车常用继电器1.1.继电器的基本结构继电器的基本结构继电器在汽车上应用广泛，继电器在汽车上应用广泛，通常一辆汽车上要有几十种各通常一辆汽车上要有几十种各种类型的继电器，如起动继电种类型的继电器，如起动继电器、喇叭继电器、闪光（转向）器、喇叭继电器、闪光（转向）继电器、刮雨继电器等。和一继电器、刮雨继电器等。和一切电器一样，继电器结构上也切电器一样，继电器结构上也有检测机构和执行机构两大部有检测机构和执行机构两大部分。前者反映继电器的输入量，分。前者反映继电器的输入量，如电磁式继电器的线圈、热继如电磁式继电器的线圈、热继
28、电器的双金属片等；后者产生电器的双金属片等；后者产生输出量，如一般继电器的触头输出量，如一般继电器的触头。图3.32 3.32 继电器基本结构2.2.继电器的分类汽车继电器按电压系列分类，有12V12V和24V24V两种；按接线柱（或插片）多少分有3 3柱、4 4柱、5 5柱和6 6柱等；按触点状态分类有：动合继电器、动断继电器、混合型继电器，这三类继电器的动作状态如表3.13.1所示。表3.1 3.1 继电器的分类3.3.继电器的应用（1 1）电源继电器电源继电器电源继电器通过电源开关达到接通或断开除起动装置以外的负载电电源继电器通过电源开关达到接通或断开除起动装置以外的负载电路，如路，如J
29、D182JD182、JD282JD282、JD182CJD182C、JD282CJD282C，其接线原理如图，其接线原理如图3.333.33所示。所示。(2)2)起动继电器起动继电器起动继电器起动继电器用于控制起动机的电磁开关，以保护起动开关。其电路用于控制起动机的电磁开关，以保护起动开关。其电路原理见图原理见图3.343.34。图3.33 3.33 电源继电器 图3.34 3.34 起动继电器(3)(3)喇叭继电器 当两个或三个喇叭并联使用时，其工作电流常达当两个或三个喇叭并联使用时，其工作电流常达1020A1020A。为避免喇。为避免喇叭按钮被电弧火花烧蚀，必须装有喇叭继电器。适当选择喇叭
30、与喇叭继叭按钮被电弧火花烧蚀，必须装有喇叭继电器。适当选择喇叭与喇叭继电器的安装位置，使其尽量靠近电源，可缩短连接导线，减小线路压降，电器的安装位置，使其尽量靠近电源，可缩短连接导线，减小线路压降，保证喇叭发出足够音量。一般单音喇叭电流较小，不用喇叭继电器保证喇叭发出足够音量。一般单音喇叭电流较小，不用喇叭继电器。(4)4)充电指示继电器充电指示继电器充电指示继电器用于发电机充电指示。在发电机输出（充电）时，充电指示继电器用于发电机充电指示。在发电机输出（充电）时，自动切断充电指示灯电路，指示灯熄灭。其原理如图自动切断充电指示灯电路，指示灯熄灭。其原理如图3.353.35所所示示。图3.35 3.35 充电指示继电器接线示意图图3.363.36灯光继电器接线示意图(5)(5)灯光继电器灯光继电器用来接通或断开车灯电路，从而降低线路的电压降，提灯光继电器用来接通或断开车灯电路，从而降低线路的电压降，提高开关的寿命。其原理见图高开关的寿命。其原理见图3.363.36所示。所示。(6)(6)复合继电器复合继电器复合继电器由起动继电器和充电指示继电器组成，其接线原理如图复合继电器由起动继电器和充电指示继电器组成，其接线原理如图3.373.37所示所示。图3.37 3.37 复合继电器接线示意图
