汽车电工电子基础-项目三 电磁的应用

四、 变压器的运行性能及额定值
1．外特性
在电源电压U2和负载功率因数不变的条件下, 二次绕组的 端电压U2随一次绕组电流I2的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向 下倾斜的曲线，如图3.25所示。由图3.25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， 输出电压 下降愈大。
2.继电器的分类
汽车继电 器按电压 系列分类， 有12V和 24V两种； 按接线柱 （或插片） 多少分有 3柱、4柱、
表3.1 继电器的分类
3. 继电器的应用
（1）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路，如JD182、 JD282、JD182C、JD282C，其接线原理如图 3.33所示。
图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 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 铁三部分，其结构形式通常有图3.29所示的几种。
恒电流的磁场的性质十分相似。由于自然 界中不存在磁荷，故磁场是无源场，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，感应电场的电力线也是闭合的。
图3.19 涡旋磁场与涡旋电场 a） 与 成右手螺旋 b） 与 成左手螺旋
任务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 装置，
杆在磁场如中果运 回路是闭合的，那么动生电动势匀将磁场在中作
动由时电， 子杆受回中洛路自伦 中引起电流；如果回路不闭合，匀导当速体运杆然动上的的
兹而力在作 杆用两不，端会从积 引起电流，但运动导体中动生电电其动荷产分生势布的及电
累起电荷依然存在。
场
2．感应电场及其性质 感应电场是有源场。ห้องสมุดไป่ตู้应电场的性质与稳
例2
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3.11所示，
回路的一条边ab可以在另外的两条边上滑 动，在滑动过程中，的方保取向持回一路致良面。积好则的磁的正场法对电线回接方路向圈触与围。磁面场积 若可动边的长度为l的，磁感滑应动通量速为度力m vB，lx 求回 路中的感应电动势。 由法拉第电磁感应定律，
图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
对于任一给定回路，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。
总之，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 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 定律指出了感应电动势的方向。
dm Bl dx Blv
dt
dt
图3.11 例2图
因为电动势正方向由 a到b ，上 式的负号表示滑动边中电流的方向由 b到a 。
二、电磁感应现象的分析与验证
1．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。由于动生电动势起
因于磁场对运动电荷的洛仑兹力，因此，
图3.14 当导导线体 是否构成闭合问路不是一个本质图问3.1题5 在。均
段组成，则磁路分析计算的基本公式为
例3.1
一个闭合的均匀的铁芯线圈，匝数为300， 铁芯中的磁感应强度为0.9T，磁路的平均 长度为45cm，试求：
(1)铁芯材料为铸铁时线圈中的电流。
(2)铁I 芯HNL材 9料00300为00.4硅5 A钢 13片.5A时线圈中的电流。
解： (1)查铸铁材料的磁化曲线，当
（a）
（b）
图3.29 电磁铁的结构形式
（c）
电磁铁在生产中的应用
图3-30 电磁铁应用实例
图3.31 喇叭继电器电路图
任务五 汽车常用继电器
图3.32 继电器基本结构
1.继电器的基本结构
继电器在汽车上应用广泛， 通常一辆汽车上要有几十 种各种类型的继电器，如 起动继电器、喇叭继电器、 闪光（转向）继电器、刮 雨继电器等。和一切电器 一样，继电器结构上也有 检测机构和执行机构两大 部分。前者反映继电器的 输入量，如电磁式继电器 的线圈、热继电器的双金 属片等；后者产生输出量， 如一般继电器的触头。
3．法拉第电磁感应定律
(1)磁感应通量Φm>0 ，如图3.9所示。 即(d2)Φ磁m感/d应t<通0 量，如Φ 图mdd>3tm0.1，0所但示随。时间减少，
法拉第电磁感应定律为
图3.9 当Φm>0 ， dΦm/dt>0 时，感应电流与感应电动势为负
图3.10 当 Φm>0 ， dΦm/dt<0 时，感应电流与感应电动势为正
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，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。电压互感器的原理次绕图注组如意端：严图运禁行短3.中路2的，8电否所压则示互将感会。器出二现
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。
主要构件：初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。 主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、
隔离、稳压（磁饱和变压器）等。 按用途可以分为：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3.20所示。
(2)一闭合的导线回路与一载流线圈之间发 生相对运动时，回路中也出现电流，如图 3.4。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。
(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 发生变化，如在图3.4中，打开或闭合电键 ，或改变变阻器 的电阻， 也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
(2)额定电压 ：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(V) 或千伏(kV)表示。对三相变压器，额定电压指线电压。
(3)额定电流 ：根据额定容量和额定电压算出的电流称为 额定电流，以安(A)表示。
(4)额定频率 ：我国的标准工频规定为50HZ 。 此外，额定丁作状态下变压器的效率、温升等数据也属于
不开的。如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过 的路径称为磁路。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，大部分磁通称 漏磁通。
图3.2 带铁 芯的磁路
2．效率和效率特性
图3.26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 小型变压器的效率约为95％~98％，大型变压器的效率— 般公99％以上。
图3.25 变压器的外特性曲线
图
3.26 变压器的效率特性曲线
3. 变压器的额定值
(1)额定容量 ：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(V·A) 或千伏安(kv·A)表示。对三相变压器，额定容量是指三 相容量之和。
额定值。
五、自耦变压器
1．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，如图3.27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。
安培环路定律是指沿空间任意条闭合线 L ，磁场强度 H的线积分恰好等于该闭合线 所包围的电流的代数和，如图3-l所示，用 公式表示有
Hdl I
式中 ——磁场强度矢量沿任意闭合线 (常取磁通作为闭合回路)的线积分；
——穿过闭合回路所围面积的电流 的代数和。
图3.1 安培环路定律
4. 磁导率
在磁场中，磁导率μ是表示磁场媒质磁性的物理量，它衡量物 质的导磁能力。磁导率μ的单位为亨／米(H／m)，真空中的磁 导率为常数，用μ0表示，即
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， 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 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。
三、 变压器进行能量传递的原理
图3.24 变压器负载运行
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
流变化的速率。
图3.4 实验二
(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。如在图3.5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。
图3.5 实验三
2．感应电动势及其大小和方向
图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
图3.6 当线圈 中的 电流接通（切断）的瞬 间，铝环 被斥离（吸向） 线圈
(a)配电变压器 图3.20 变压器
(b)电力变压器
(c)整流变压器
图3.21 单相心式变压器
图3.22 单相壳式变压器
二、变压器的工作原理
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“变压”的原理。 图3.23 变压器
2. 磁通
在磁场中，磁通Φ是表示穿过垂直于B方向的面积 S中的 磁力线总数。在均匀磁场中，
BS
B 或S
磁通 的单位为韦伯 (Wb)。 (伏·秒)
1Wb 1V s
3. 磁场强度
在磁场中，磁场强度H是介质中某点的磁感应强度 B与
介质磁导率 μB 之比。
H
场强度，单位为A／m。
式中 ——磁
B=0.9T 时I ，HL磁 场260强 0.4度5 AH=09.309A00A/m ，则
N
300
任务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 1．基本的电磁感应现象 (1)一闭合的导线回路和永久磁铁之间发
生相对运动时，回路中出现电流。这种电 流称为感应电流。
图3.3 实验一
0 4 10 7 H / m
相对磁导率μ是任一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ0的
比值。
r
0
B B0
磁场内某点的磁场强度H只与电流大小、线圈匝数以及该点的 几何位置有关，与磁场媒质的磁导率μ无关，而磁感应强度B 则与磁场媒质的磁导率有关。
二、 磁路分析的方法
1. 磁路的概念 电流具有磁效应，变化的磁场又能感生出电流，磁与电是分
汽车电工电子基础
项目三 电磁的应用
学习要点
1.了解电磁的相关物理量； 2.理解电磁感应现象； 3.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。
任务1 电磁基本物理量的认识
一、 磁场的基本物理量 1. 磁感应强度 在磁场中，磁感应强度用 来表示，它是描述磁场内某点
磁场强弱和方向的物理量。
2. 磁路的基本定律
（1）磁路的欧姆定律
磁 比，路与中磁，路磁通磁与阻产Rm生成磁反通比的，磁N这I通就势是NI磁成路正的
欧姆定律。即
Rm
NI H1L1 H 2 L2 H 3 L3 H n Ln
n
（2）磁路NI 的基Hi尔Li 霍夫定律 i 1
若磁路由不同材料或不同长度及截面积的n
(2)起动继电器
起动继电器用于控制起动机的电磁开关图，3.34 以保护起动开关。其电路原理见图3.34起电。动器继
图3.33 电源继电器
(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10~20A。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，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。
a）外形结构图 b）原理图 图3.27 自耦变压器
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U1 组E1变 N压1 器K 一样。若忽略阻抗压 降，则 U2 E2 N2
I1 N2 1 I2 N1 K
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，即
六、电压互感器