汽車電工電子課件 模塊3 磁路和鐵芯線圈電路

模塊3

磁路和鐵芯線圈電路項目3.1認(rèn)識磁路和磁路定律項目3.2變壓器項目3.1認(rèn)識磁路和磁路定律3.1.1磁路和鐵磁性材料3.1.2磁路基本定律及其應(yīng)用知識學(xué)習(xí)

所謂磁路，就是約束在鐵芯及其氣隙所限定的范圍內(nèi)的磁通路徑。3.1.1磁路和鐵磁性材料一、

磁場的基本物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通

電磁力的大小就與磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）、電流（I）、垂直于磁場的導(dǎo)體有效長度L成正比，公式為

F

=

BIL

磁通（Φ）是一個反映一定區(qū)域磁場強(qiáng)弱、方向等狀況的物理量。Φ

=

BS

磁導(dǎo)率（μ）是用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。

2．磁導(dǎo)率和磁場強(qiáng)度圖

直導(dǎo)體周圍的磁場二、

鐵磁性材料1．鐵磁性材料特點（1）磁化曲線—高導(dǎo)磁性和磁飽和性圖B=f（H）磁化曲線圖

磁滯回線（2）磁滯回線—磁滯性

按照鐵磁性材料磁滯回線的形狀以及在工程中的用途不同，鐵磁性材料可分為3大類，即軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。2．鐵磁性材料分類

一段磁路，設(shè)長為l，磁路截面積為S，磁力線均勻分布于橫截面上，可知

一、

磁路的歐姆定律3.1.2磁路基本定律及其應(yīng)用Um—磁路的磁位差，安培，Um

=

Hl；

Rm—磁路的磁阻，1/亨（1/H）二、

磁路的基爾霍夫定律1．基爾霍夫磁通定律寫成一般形式為I1N1N2I2

對于有分支磁路，其分支匯集處稱為磁路的節(jié)點，磁路的任意節(jié)點所連接的各分支磁路的代數(shù)和等于零。

在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路長度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁位差。NI：稱為磁動勢。一般用F

表示。F=NI2．基爾霍夫磁位差定律總磁動勢

在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強(qiáng)度不等）中，總磁動勢等于各段磁位差之和。例：IN圖

基爾霍夫磁位差定律對于均勻磁路則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。Rm

稱為磁阻l為磁路的平均長度；S

為磁路的截面積；

為磁導(dǎo)率。

例

如圖所示為一無分支磁路，磁路中磁通為順時針方向，試對磁路進(jìn)行分段，并寫出該磁路的磁位差平衡式。圖

無分支磁路表3-1 磁路與電路對照表磁路電路磁通（Φ）電流（I）磁位差（Um）電壓（U）磁動勢（F）電動勢（E）磁阻Rm

=

l/μS電阻R

=

l/r

S磁導(dǎo)率（μ）電導(dǎo)率（r）歐姆定律Φ

=

Um/Rm歐姆定律I

=

U/R基爾霍夫定律∑Φ

=

0∑Hl

=

∑NI基爾霍夫定律∑I

=

0∑IR=∑U任務(wù)對比磁路和電路一、任務(wù)目的1．掌握鐵磁性材料的特性。2．通過對比磁路和電路，加深對磁阻和磁路歐姆定律的理解。3．通過對比磁路和電路，加深對磁路基爾霍夫定律的理解。二、任務(wù)內(nèi)容1．從磁導(dǎo)率入手，分析對比鐵磁性材料和非鐵磁性材料的磁阻。2．對比磁路和電路的歐姆定律和基爾霍夫定律。項目實施三、對比1．磁阻（Rm）大小與磁路的幾何尺寸、磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，具體公式為Rm=_______。不同磁介質(zhì)下，磁阻值相差很大。（1）磁導(dǎo)率（μ）是用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。不同的介質(zhì)，磁導(dǎo)率也不同。真空中磁導(dǎo)率為

0；分析過程中經(jīng)常用到相對磁導(dǎo)率（

r），

r=_______，不同材料的相對磁導(dǎo)率不同，試比較兩大類材料的相對磁導(dǎo)率大小，對列舉材料進(jìn)行分類，并填入表3-1。材料比較鐵磁性材料非鐵磁性材料順磁材料逆磁材料相對磁導(dǎo)率

材料分類

列舉材料鐵、鈷、鎳及其合金，銅，銀，各類氣體，非金屬材料，鋁表3-1鐵磁性材料和非鐵磁性材料對比（2）鐵磁性材料的磁導(dǎo)率（

）很大且不是常數(shù)，所以鐵磁性材料的磁阻值很小，且隨磁路實際情況而變化，是非線性的。（

）（括號內(nèi)填

或×，下同）（3）空氣隙的磁導(dǎo)率（

0）是常數(shù)，空氣隙中的磁阻是線性的，且磁阻值很小。（

）（4）鐵磁性材料的B和H的關(guān)系是非線性的，故磁導(dǎo)率（

）是一個變量。（

）（5）許多電氣設(shè)備的線圈都繞制在鐵磁性材料上，以便用較小的勵磁電流產(chǎn)生較大的磁場。（

）2．磁路歐姆定律公式為

，形式上與電路歐姆定律非常相似。磁路電路

磁路電路

電流（I）

電導(dǎo)率（r）

電壓（U）

歐姆定律I

=

U/R

電動勢（E）

基爾霍夫電流定律∑I

=

0

電阻R

=

l/(rS)

基爾霍夫電壓定律∑IR=∑U（1）與電路歐姆定律和電阻進(jìn)行對比，在表3-2中填入磁路歐姆定律公式，同時填入與電流、電壓等和電路對應(yīng)的磁路物理量名稱及字母。表3-2磁路與電路對比項目3.2變壓器3.2.1交流鐵芯線圈電路3.2.2變壓器概述知識學(xué)習(xí)根據(jù)基爾霍夫定律得

一、交流鐵芯線圈電路的分析3.2.1交流鐵芯線圈電路

由于鐵心線圈的電阻R與鐵心的漏磁電動勢數(shù)值很小，忽略不計，得：u≈-eu≈-e恒磁通公式（2）在交流鐵心線圈電路中，主磁通φ的大小與磁路無關(guān)。根據(jù)磁路歐姆定律，磁通φ不變，磁路的變化（如氣隙大?。┲苯佑绊懙氖莿畲烹娏鞯拇笮?。（1）在交流鐵心線圈電路中，當(dāng)頻率f、匝數(shù)N一定時，主磁通φ正比與電源電壓U；當(dāng)電源電壓U一定時，主磁通φ基本保持恒定。

式中，銅耗，它與電流的平方成正比。鐵耗包含兩部分損耗—磁滯損耗（ph）和渦流損耗（pe）。二、

鐵芯線圈的功率損耗

（1）磁滯損耗

鐵芯既能導(dǎo)磁，也能導(dǎo)電，因此當(dāng)磁通交變時，在鐵芯截面中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，繼而產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，稱之為渦流。渦流是電磁感應(yīng)的一種特殊形式。（2）渦流損耗圖

渦流渦流損耗（pe）的大小與頻率（f）、磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值（Bm）、硅鋼片厚度（d）和材料的電阻率（

）有關(guān)鐵耗（pFe）正比于頻率的1.2～1.6次方、磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的平方，即一般

=

1.2～1.6圖Φ=f（i）曲線當(dāng)線圈所加電壓超過額定電壓不多時，理論上磁通會成比例增加，而此時鐵芯趨向于深度飽和，磁通增加緩慢，勵磁電流卻急劇增加。圖

電磁鐵的結(jié)構(gòu)1—鐵芯2—線圈3—銜鐵三、

電磁鐵電磁鐵是利用通電的鐵芯線圈所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場來吸引鐵磁性材料（銜鐵）動作的電器。電磁鐵由勵磁線圈、鐵芯和銜鐵組成

根據(jù)電磁鐵線圈中所通過的電流不同，可分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類。三、

電磁鐵1．直流電磁鐵直流電磁鐵的勵磁電流是直流。

F

=

4B02S

×

105

式中B0為空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度（Wb/m2）；

S為空氣隙磁場截面積（m2）；

F為電磁鐵的吸力（N）。勵磁電流不變時，在銜鐵吸合過程中磁阻逐漸變小，磁通逐漸變大，因此直流電磁鐵的吸力（F）也逐漸變大。直流電磁鐵的勵磁電流由電源電壓和線圈內(nèi)阻決定。若電源電壓和線圈內(nèi)阻不變，則勵磁電流不變，磁動勢（NI）也不變。Fav

=

2Bm2S

×

105

2．交流電磁鐵

由于交流電磁鐵的吸力隨時間在0與最大值之間變化，因而銜鐵要發(fā)生震動而引起噪聲。為改善電磁鐵工作時的震動和噪聲現(xiàn)象，可以在鐵芯的局部端面上嵌裝一個短路環(huán)，又稱分磁環(huán)。1.當(dāng)電壓有效值和頻率不變時，鐵芯中磁通的最大值也保持恒定不變。2.故在銜鐵吸合過程中，交流電磁鐵吸力（F）的大小基本不變，與磁路無關(guān)。由于交流電磁鐵吸合前后的空氣隙不同，導(dǎo)致磁阻不同，因此交流電磁鐵在啟動（開始吸合）時的電流，要比工作時（吸合后）的電流大很多。表3-2 直流電磁鐵和交流電磁鐵的比較電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)吸合過程吸合后吸合不好時直流電磁鐵整塊軟鋼制成，無短路環(huán)電流不變，吸力變大，磁阻變小無震動線圈不會過熱交流電磁鐵硅鋼片疊成，有短路環(huán)吸力不變，電流變小，磁阻變小有震動線圈會過熱，可能燒壞汽車電控燃油噴射系統(tǒng)中的噴油器，其中電磁鐵中的銜鐵與針閥是一體的，噴油器就是采用電磁鐵的電磁吸力來打開或關(guān)閉燃油計柱塞，從而控制噴油器的噴油量。

變壓器是將一種等級的交流電壓變換成頻率相同的另一種等級的交流電壓的靜止電氣設(shè)備。3.2.2變壓器概述變壓器的主要功能有：變電壓（電力系統(tǒng)）變電流（電流互感器）變阻抗（電子線路中的阻抗匹配）變壓器的主要用途:經(jīng)濟(jì)地輸電合理地配電安全地用電一、

單相變壓器的基本結(jié)構(gòu)圖

單相變壓器結(jié)構(gòu)

鐵芯構(gòu)成了變壓器的磁路，使繞組之間實現(xiàn)電磁耦合。為了提高鐵芯導(dǎo)磁性能，減少鐵芯損耗，鐵芯通常采用厚度為0.35～0.5mm且表面涂有絕緣漆的硅鋼片交錯疊裝而成。1．鐵芯

繞組構(gòu)成變壓器的電路，與電源相連接的繞組稱為一次側(cè)繞組或初級繞組，與負(fù)載相連的繞組稱為二次側(cè)繞組或次級繞組。根據(jù)兩側(cè)繞組匝數(shù)的不同，也可將匝數(shù)多的稱為高壓繞組，匝數(shù)少的稱為低壓繞組。單相小容量變壓器的繞組多用高強(qiáng)度漆包線繞制。為了降低繞組和鐵芯間的絕緣要求，一般高壓繞組同心地套在低壓繞組的外面。2．繞組二、

單相變壓器的工作原理1．變壓器的空載運行—電壓變換一次側(cè)繞組接額定電壓為UN1的交流電源，二次側(cè)繞組處于開路狀態(tài)空載時，鐵心中主磁通

是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。變壓器空載時:K為變比一次側(cè)繞組接額定電壓為UN1的交流電源，二次側(cè)繞組與負(fù)載相連接2．變壓器的負(fù)載運行—電流變換負(fù)載時，鐵心中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。負(fù)載運行若U1、f不變，則

m基本不變，近于常數(shù)。鐵心中主磁通的最大值

m在變壓器空載和有載時近似保持不變?？蛰d：負(fù)載：空載：負(fù)載：一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。3．變壓器的阻抗變換變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。銅耗（可變損耗）鐵耗（不變損耗）銅耗pcu

：隨負(fù)載電流的變化而變化。鐵耗pFe

：為交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的損耗，包括渦流損耗pe和磁滯損耗ph兩部分。一般

95%

,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時，

最大。4．變壓器的損耗與效率三、

變壓器技術(shù)參數(shù)

額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓

額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流三、

變壓器技術(shù)參數(shù)

額定容量

SN

變壓器額定容量是指在額定電壓和額定電流情況下，其輸出的額定視在功率。單相：三相：變壓器運行時的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

變壓器的型號

我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻頻率為50Hz，有些國家則規(guī)定為60Hz，使用時應(yīng)注意。改變使用頻率會導(dǎo)致變壓器某些電磁參數(shù)（如磁通等）發(fā)生變化，影響其正常工作。額定頻率（f）

例：有一臺單相變壓器，