第三章　磁路及电磁器件

第三章　磁路及电磁器件 本章主要介绍的内容有：　　● 磁场及电磁感应　　● 变压器 ● 点火线圈　 ● 电磁铁 ● 继电器 ● 课题实验

第一节　磁场及电磁感应 本节主要介绍的内容有： ● 磁场的形成及基本物理量 ● 电流的磁场及磁力线 ● 电磁感应

　　磁是物质运动的基本形式之一。物体能吸引铁、镍、钴等金属或它们合金的性质叫磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁体上磁性最强的部位叫磁极。任何磁体都有两个磁极，而且无论怎样把磁体分割，磁体总保持两个磁极，通常以S表示磁体的南极（常涂红色），以N表示磁体的北极（常涂绿色或白色）。磁极间的相互作用力叫磁力，磁极间相互作用的规律是：同性相斥，异性相吸，如图3-1-1所示。原来没有磁性的铁磁物质，放在磁铁旁边会获得磁性，这一现象叫磁化。被磁化的铁磁物质远离磁铁后仍保留一定的磁性，叫剩磁。　　磁体周围存在磁力作用的空间，当另一磁体或通电导体置入该空间时，就要受到磁力的作用，人们通常把这个磁力空间叫磁场。磁场具有力和能的性质，因而它是一种物质。但它又与其他物质不一样，它没有构成物质的分子或原子。所以，磁场是存在于磁体周围空间的一种特殊物质。一、磁场的形成及基本物理量 1．磁、磁场与磁感线的概念

　　磁场力和能的性质可以通过磁场方向和强弱表示出来。一般情况下，磁场各处的强弱和方向都是不同的。为了形象地表示磁场在空间各点的强弱和方向，人们根据铁屑在磁体周围磁场的作用下有规则地排列的启示图3-1-2（a），想像出磁感线。所谓磁感线，就是一条条从磁体北极沿磁体周围空间到磁体南极，然后再通过磁体内部回到北极的闭合曲线。曲线上每一点的切线方向（即小磁针N极在该点的指向）就表示该点的磁场方向，曲线在某处的疏密程度（单位面积内的磁感线条数）就表示该处的磁场强弱，如图3-1-2（b）所示。　　磁场力和能的性质可以通过磁场方向和强弱表示出来。一般情况下，磁场各处的强弱和方向都是不同的。为了形象地表示磁场在空间各点的强弱和方向，人们根据铁屑在磁体周围磁场的作用下有规则地排列的启示图3-1-2（a），想像出磁感线。所谓磁感线，就是一条条从磁体北极沿磁体周围空间到磁体南极，然后再通过磁体内部回到北极的闭合曲线。曲线上每一点的切线方向（即小磁针N极在该点的指向）就表示该点的磁场方向，曲线在某处的疏密程度（单位面积内的磁感线条数）就表示该处的磁场强弱，如图3-1-2（b）所示。

　　（1）磁感应强度 　　磁感应强度是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量。它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。磁感应强度用符号B表示，单位是特斯拉（T），也就是韦伯/平方米（Wb/m2）。　　如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同，这样的磁场则称为均匀磁场。　　（2）磁通　　磁通就是磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积的乘积，磁通的符号用Ф表示，单位是韦伯（Wb），也就是伏秒（V·S）。　　（3）磁场强度　　磁场强度是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度用符号H表示，单位是安培/米（A/m）。 2．基本物理量

　　（4）磁导率 　　磁导率是表征媒介质磁化性质的物理量，用符号μ表示，它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，磁导率的单位是亨利/米（H/m）。二、电流的磁场及磁力线　　通电直导线周围磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上，如图3-1-3（a）所示。　　实验表明，改变电流的方向，各点的磁场方向都随之改变。　　磁感线的方向与电流方向之间的关系可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判定：如图3-1-3（b）所示，用右手握住通电直导线，让拇指指向电流方向，则四指环绕的方向就是磁感线的方向。 1．电流的磁场（1）通电直导线周围的磁场

　　把直导线绕成螺线管线圈，并通入电流，结果通电线圈产生类似条形磁铁的磁场，如图3-1-4（a）所示。由图可见，在线圈外部，磁感线从N极出来进入S极，线圈内部的磁感线方向由S极指向N极，并和外部的磁感线形成闭合曲线。　　把直导线绕成螺线管线圈，并通入电流，结果通电线圈产生类似条形磁铁的磁场，如图3-1-4（a）所示。由图可见，在线圈外部，磁感线从N极出来进入S极，线圈内部的磁感线方向由S极指向N极，并和外部的磁感线形成闭合曲线。　　实验证明：通电线圈磁场的强弱，不仅与线圈的电流大小有关，而且还与线圈的匝数有关，即与线的电流和匝数的乘积成正比。　　通电线圈的磁场的方向，可用右手螺旋定则确定：如图3-1-4（b）所示，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磁场方向。（2）通电线圈的磁场

　　载流导体在磁场中所受的作用力称为电磁力（或安培力），单位是牛（N）。　　载流导体在磁场中所受的作用力称为电磁力（或安培力），单位是牛（N）。　　通电直导体在磁场中所受作用力的方向，可用左手定则判定：如图3-1-5所示，将左手伸开，使拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过掌心，四指朝向导体电流的方向，大拇指所指的方向就是导体所受安培力的方向。 2．电磁力

　　如图3-1-6所示，为汽车上装用的动磁式电流表的结构图，黄铜导电板固定在绝缘底板上。　　如图3-1-6所示，为汽车上装用的动磁式电流表的结构图，黄铜导电板固定在绝缘底板上。 3．电磁力在汽车上的应用

　　（1）在图3-1-7（a）所示的均匀磁场中放置一根导体AB。导体两端联接一个检流计，当导体垂直切割磁感线时，可以明显地观察到检流计指针有偏转。这说明导体回路中有电流存在。另外，当使导体平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转，说明导体回路中不产生电流。　　（1）在图3-1-7（a）所示的均匀磁场中放置一根导体AB。导体两端联接一个检流计，当导体垂直切割磁感线时，可以明显地观察到检流计指针有偏转。这说明导体回路中有电流存在。另外，当使导体平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转，说明导体回路中不产生电流。　　（2）在图3-1-7（b）所示实验中，空心线圈两端联接检流计。当用一块条形磁铁快速插入线圈时，我们会观察到检流汁指针向一个方向偏转；如果条形磁铁在线圈内静止不动，检流计指针不偏转；再将条形磁铁由线圈中迅速拔出时，又会观察到检流计指针向另一方向偏转。　　上述两实验现象说明：当导体相对于磁场运动且切割磁感线或者线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路，则导体或线圈中将有电流流过。三、电磁感应

　　（1）感应电动势的方向 　　做切割磁感线运动的导体产生的感应电动势的方向可由右手定则来确定：平伸右手，拇指与四指垂直；让磁感线垂直穿过掌心，使拇指指向导体运动方向，四指所指方向就是感应电动势的方向（或感应电流的方向），如图3-1-8所示。　　（2）感应电动势的大小　　实验证明：在均匀磁场中，做切割磁感线运动的直导体，其感应电动势e的大小与磁感应强度B、导体的有效长度ι、导体的运动速度υ以及导体运动方向与磁感线之间的夹角α的正弦值成正比。 1．直导体中的感应电动势

　　（1）感应电动势的方向 　　我们已经知道，线圈中的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势。感应电动势的方向由楞次定律和右手螺旋定则来确定。　　（2）感应电动势的大小　　法拉第通过大量实验总结出：线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通量的变化快慢（即变化率）和线圈的匝数N的乘积成正比。 2．线圈中的感应电动势

第二节　变压器 本节主要介绍的内容有： ● 变压器的结构组成和工作原理 ● 特殊变压器 ● 汽车上使用的变压器

1．变压器的基本结构 　　按绕组与铁心的安装位置，变压器可分为心式和壳式两种。心式变压器的绕组套在各铁心柱上，如图3-2-1（a）所示；壳式变压器的绕组套在中间的铁心柱上，绕组两侧被外侧铁心柱包围，如图3-2-1（b）所示。图3-2-1（c）是变压器在电路中的符号。一般电力变压器采用心式，小型变压器多采用壳式。一、变压器的结构组成和工作原理

2、变压器的工作原理和特性 　　图3-2-2所示的是变压器的原理图。为了便于分析，将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为一次绕组（或称初级绕组），与负载相连的称为二次绕组（或称次级绕组）。一次、二次绕组的匝数分别为N1和N2，当一次绕组接上交流电压时，一次绕组中便有电流通过。一次绕组的磁路产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组接有负载，那么二次绕组中就有电流通过。二次绕组也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由一次、二次绕组的磁通势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，主磁通穿过一次绕组和二次绕组而在其中分别感应出电动势。此外，一次、二次绕组的磁通势还分别产生漏磁通。

　　下面，在理想情况下（暂不计其他能量损耗），讨论变压器的电压变换、电流变换及阻抗变换。　　下面，在理想情况下（暂不计其他能量损耗），讨论变压器的电压变换、电流变换及阻抗变换。　　（1）电压变换　　（2）电流变换　　（3）阻抗变换　　（4）变压器的频率特性　　（5）　变压器的损耗与效率

二、特殊变压器 　　图3-2-3所示的是一种自耦变压器，其结构特点是二次绕组是一次绕组的一部分，一次、二次绕组电压之比和电流之比是 U1/U2=N1/N2=K I1/I2=N1/N2=1/K 1．自耦变压器

　　●提示：实验室中常用的调压器就是一种可以改变二次绕组匝数的自耦变压器，其外形和电路如图3-2-4所示。　　●提示：实验室中常用的调压器就是一种可以改变二次绕组匝数的自耦变压器，其外形和电路如图3-2-4所示。

　　电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要是用来扩大测量交流电流的量程。因为要测量交流电路的大电流时（如测量容量较大的电动机、工频炉、焊机等的电流时），通常电流表的量程是不够的。　　电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要是用来扩大测量交流电流的量程。因为要测量交流电路的大电流时（如测量容量较大的电动机、工频炉、焊机等的电流时），通常电流表的量程是不够的。　　此外，使用电流互感器也是为了使测量仪表与高压电路隔开，以保证人身与设备的安全。　　电流互感器的接线图及其符号如图3-2-5所示。一次绕组的匝数很少（只有一匝或几匝），它串联在被测电路中。二次绕组的匝数较多，它与电流表或其他仪表及继电器的电流线圈相连接。利用电流互感器可将大电流变换成小电流。通常电流互感器二次绕组的额定电流都规定为5A或1A。　　●提示：测流钳是电流互感器的一种变形。它的铁心如同一个钳子，用弹簧压紧。测量时将钳压开而引入被测导线。这时该导线就是一次绕组，二次绕组绕在铁心上并与电流表接通。利用测流钳可以随时随地测量线路中的电流，不必像普通电流互感器那样必须固定在一处或者在测量时要断开电路而将一次绕组串接进去。测流钳的原理图见图3-2-6。 2．电流互感器

　　●操作规范：在使用电流互感器时，二次绕组电路是不允许断开的，这点和普通变压器不一样。　　●操作规范：在使用电流互感器时，二次绕组电路是不允许断开的，这点和普通变压器不一样。　　●进一步：变压器绕组是有极性的，在连接时应充分注意。　　如图3-2-7（a）所示电流从1端和3端流入（或流出）时，产生的磁通的方向相同，两个绕组中的感应电动势的极性也相同，l和3两端称为同极性端，标以记号“●”。当然，2和4两端也是同极性端。

三、汽车上使用的变压器 　　真空膜盒型进气管压力传感器结构如图3-2-8所示。它由一对真空膜盒、初级线圈、次级线圈、铁心等组成。膜盒置于进气管压力传感器壳体内，由薄金属焊接而成，其内部抽成真空。进气管压力传感器通过管道与进气歧管相连，因而膜盒外部受进气管压力（负压）作用，其收缩或膨胀的程度完全取决于进气管压力变化。位于初级绕组和次级绕组内部的铁心与膜盒联动。 1．结构

　　当进气歧管压力（负压）变化时，真空膜盒就会膨胀或收缩，带动铁心向左或向右移动。由于发动机工作时已有电流流过初级绕组。铁心移动时就会在次级绕组产生感应电动势。如当进气压力增大（节气门开度增大）时，真空膜盒收缩，使柱塞向左移动，进入线圈，电感增大，于是次级绕组输给电控单元ECU的感应信号增强，则喷油时间增长。这样即可把气压变化的物理量转变为次级线圈两端输出的电信号，从而控制喷油量。　　当进气歧管压力（负压）变化时，真空膜盒就会膨胀或收缩，带动铁心向左或向右移动。由于发动机工作时已有电流流过初级绕组。铁心移动时就会在次级绕组产生感应电动势。如当进气压力增大（节气门开度增大）时，真空膜盒收缩，使柱塞向左移动，进入线圈，电感增大，于是次级绕组输给电控单元ECU的感应信号增强，则喷油时间增长。这样即可把气压变化的物理量转变为次级线圈两端输出的电信号，从而控制喷油量。 2．工作原理

第三节　点火线圈 本节主要介绍的内容有： ● 点火线圈的规格型号 ● 开磁路式点火线圈 ● 闭磁路式点火线圈

　　根据QC/T73-93的规定，点火线圈规格型号的格式为：　　根据QC/T73-93的规定，点火线圈规格型号的格式为：　　产品代号：DQG表示干式点火线圈，DQD表示电子点火系统用点火线圈。　　电压等级代号：1-12V，2-24V。　　用途代号：见表3-3-1。一、点火线圈的规格型号

二、开磁路式点火线圈 　　开磁路式点火线圈的结构如图3-3-1所示，点火线圈的上端装有胶木盖，其中央突出部分为高压接线柱，其他的接线柱为低压接线柱。根据低压接线柱的数目不同，点火线圈有二接线柱式和三接线柱式之分。

　　当一次电流流过一次绕组时，使铁心磁化，其磁路如图3-3-2所示。由于磁路的上、下部分都是从空气中通过的，铁心未构成闭合磁路，所以称为开磁路点火线圈。　　当一次电流流过一次绕组时，使铁心磁化，其磁路如图3-3-2所示。由于磁路的上、下部分都是从空气中通过的，铁心未构成闭合磁路，所以称为开磁路点火线圈。

　　闭磁路式点火线圈的结构如图3-3-3所示，在“日”字形铁心内绕有一次绕组，在一次绕组的外面绕有二次绕组，其磁路如图3-3-4所示。　　闭磁路式点火线圈的结构如图3-3-3所示，在“日”字形铁心内绕有一次绕组，在一次绕组的外面绕有二次绕组，其磁路如图3-3-4所示。三、闭磁路式点火线圈

●操作：点火线圈的检测 1．检查点火线圈的外表，若绝缘盖破裂或外壳破裂，容易受潮而失去点火能力。 2．用万用表测量点火线圈的一次绕组、二次绕组以及附加电阻的电阻值，应符合点火线圈参数值。

第四节　电磁铁 本节主要介绍的内容有： ● 电磁铁的概念、结构 ● 电磁铁的类型 ● 电磁铁在汽车上的应用

一、电磁铁的概念、结构 　　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。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消失，衔铁或其他零件即被释放。 1．电磁铁的概念

　　电磁铁由磁化铁圈、铁心和衔铁3个主要部分组成。常用有马蹄式、拍合式及螺旋管式三种结构，如图3-4-1，马蹄式一般用于起重电磁铁，拍合式常用于继电器，螺旋管式则用于液压电磁阀。　　电磁铁由磁化铁圈、铁心和衔铁3个主要部分组成。常用有马蹄式、拍合式及螺旋管式三种结构，如图3-4-1，马蹄式一般用于起重电磁铁，拍合式常用于继电器，螺旋管式则用于液压电磁阀。 2．电磁铁的组成与结构

　　电磁铁在生产中的应用极为普遍，图3-4-2中所示的例子是用它来制动机床和起重机的电动机。　　电磁铁在生产中的应用极为普遍，图3-4-2中所示的例子是用它来制动机床和起重机的电动机。　　当接通电源时，电磁铁动作而拉开弹簧，把抱闸提起，于是放开了装在电动机轴上的制动轮，这时电动机便可自由转动。当电源断开时，电磁铁的衔铁落下，弹簧便把抱闸压在制动轮上，于是电动机就被制动。

　　电磁铁广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。电磁铁分为直流和交流两种。　　电磁铁广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。电磁铁分为直流和交流两种。二、电磁铁的类型　　当励磁线圈通入电流时，便产生磁场，铁心和衔铁都被磁化，衔铁受到电磁力的作用而被吸向铁心。磁路中的空气隙随衔铁的吸合而减小。　　直流电磁铁的吸力与空气隙的磁感应强度的平方成正比，和空气隙的截面积成正比。　　直流电磁铁中既有电路（励磁线圈回路），又有磁路（闭合铁心磁路）。对于电路，由于是直流励磁，铁心中的磁通是恒定的，线圈中无感应电动势，所以线圈的电流决定于电源电压和线圈的内阻。当电源电压和线圈内阻一定时，励磁电流就恒定不变，磁动势也就不变。 1．直流电磁铁

　　对于磁路，当衔铁刚吸合时，衔铁和铁心之间的空气隙最大，此时磁路中磁阻最大，由于磁动势一定，磁通和磁感应强度最小，吸力也最小。当衔铁吸合后，空气隙最小，磁路中磁阻最小，则磁通和磁感应强度最大，所以吸力也最大。所以，在直流电磁铁中，当电源电压和线圈电阻一定时，励磁电流恒定不变，与空气隙大小无关（即磁路不影响电路），但衔铁吸力随衔铁吸合过程将逐渐增大。　　对于磁路，当衔铁刚吸合时，衔铁和铁心之间的空气隙最大，此时磁路中磁阻最大，由于磁动势一定，磁通和磁感应强度最小，吸力也最小。当衔铁吸合后，空气隙最小，磁路中磁阻最小，则磁通和磁感应强度最大，所以吸力也最大。所以，在直流电磁铁中，当电源电压和线圈电阻一定时，励磁电流恒定不变，与空气隙大小无关（即磁路不影响电路），但衔铁吸力随衔铁吸合过程将逐渐增大。　　交流电磁铁和直流电磁铁的构造基本相同，也是由励磁线圈，软磁材料铁心和衔铁三部分组成。　　当交流电磁铁的铁心线圈通入正弦交流电时，铁心中便产生交变磁通，当电源频率和线圈匝数一定时，铁心中磁通的最大值与电源电压的有效值成正比。当电压有效值不变时，铁心中磁通的最大值亦保持恒定不变，与磁路的情况（如铁心材料的磁导率、气隙大小等）无关。　　交流电磁铁是用交流电励磁的，气隙中的磁感应强度随时间而变化，所以交流电磁铁的吸力也要随时间而变化。一般计算时，只考虑其平均值，平均吸力是最大吸力的一半。 2．交流电磁铁

　　交流电磁铁的吸力如图3-4-3所示，在零与最大值之间脉动，因而衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁环（图3-4-4）。于是在分磁环（或称短路环）中便产生感应电流，以阻碍磁通的变化，使在磁极两部分中的磁通Ф1与Ф2之间产生相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，这就消除了衔铁的颤动，除去了噪音。　　交流电磁铁的吸力如图3-4-3所示，在零与最大值之间脉动，因而衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，可在磁极的部分端面上套一个分磁环（图3-4-4）。于是在分磁环（或称短路环）中便产生感应电流，以阻碍磁通的变化，使在磁极两部分中的磁通Ф1与Ф2之间产生相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，这就消除了衔铁的颤动，除去了噪音。

　　●提示：交流电磁铁的铁心是由硅钢片叠成的。这是因为铁心中的磁通是交变的，要产生涡流和磁滞损耗。为了减小铁心损耗，必须用硅钢片叠合而成。而在直流电磁铁中，因磁通是恒定的，无铁心损耗，铁心是用整块软钢制成的。　　●提示：交流电磁铁的铁心是由硅钢片叠成的。这是因为铁心中的磁通是交变的，要产生涡流和磁滞损耗。为了减小铁心损耗，必须用硅钢片叠合而成。而在直流电磁铁中，因磁通是恒定的，无铁心损耗，铁心是用整块软钢制成的。　　●进一步：交直流电磁铁除有上述的不同外，还应该知道，它们在吸合过程中电流和吸力的变化情况也是不一样的。　　●提示：汽车电路中主要应用直流电磁铁，交流电磁铁在汽车中的应用很少。

FT61型双级触点式调节器的结构及电路连接情况如图3-4-5所示。FT61型双级触点式调节器的结构及电路连接情况如图3-4-5所示。三、电磁铁在汽车上的应用 1．触点式电压调节器

　　（1）FT61型调节器的结构 　　调节器的磁轭与铁心铆固在一起，铁心上绕有磁化线圈，动铁的左端上、下各有一片触点（称为活动触点），活动触点与低速触点支架的触点组成了低速触点K1，与搭铁触点组成了高速触点K2，动铁的另一端用弹簧拉紧，使K1为常闭触点，K2为常开触点。调节器上有加速电阻R1、附加电阻R2和温度补偿电阻R3。　　（2）FT61型调节器的工作原理　　当发电机端电压略超过第一级电压调节值U1时，　　当发电机端电压略低于调节值U1时，　　当发电机端电压上升到略超过调节值U1时，　　当发电机的转速继续增高至一定数值后，　　当发电机端电压下降到略低于调节值U2时，

　　为了得到较为和谐悦耳的声音，在汽车上一般装有高、低音两个电喇叭。由于电喇叭工作电流较大，为保护电喇叭按钮，一般在电喇叭电路中设有电喇叭继电器，电喇叭的应用电路如图3-4-6所示。　　为了得到较为和谐悦耳的声音，在汽车上一般装有高、低音两个电喇叭。由于电喇叭工作电流较大，为保护电喇叭按钮，一般在电喇叭电路中设有电喇叭继电器，电喇叭的应用电路如图3-4-6所示。　　当按下电喇叭按钮时，线圈通电，产生的电磁力使触点闭合，接通电喇叭电路而使电喇叭发声。电喇叭电路为：蓄电池正极→熔丝→接线柱B→触点臂→触点→接线柱H→电喇叭→搭铁→蓄电池负极。电喇叭工作电流不经电喇叭按钮，从而保护了电喇叭按钮。 2．电喇叭

第五节　继电器 本节主要介绍的内容有： ● 继电器的概念 ● 继电器的类型、结构、符号和主要参数 ● 汽车继电器的典型应用

一、继电器的概念 　　继电器是自动控制电路中常用的一种元件，它是用较小的电流来控制较大电流的一种自动开关，在电路中起着自动操作、自动调节、安全保护等作用。在工业控制中使用的中间继电器、热继电器等体积较大，线圈通过的电流或承受的电压较大，触点允许通过的电流较大。在汽车电气系统中所使用的继电器体积较小，触点控制的电流也较小，属于小型继电器。本节主要讨论小型继电器。

第三章 磁路及电磁器件