1、浙江公路技师学院 汽车电工电子基础 理论课程教案班级 09-10、10-10 班 专业 汽车运用与维修 教师 姚婷婷 2011/2012 学年第一学期项目备课笔记首页教 师 姚婷婷 教 研 组 编写日期 2011、10、6 审批日期 项 目 磁路与变压器 总课时 14目的要求应知：正确描述电磁感应原理，感应电动势与磁通量的关系，变压器工作原理；简单叙述磁路基本物理量和基本定律，铁磁材料的磁性能，变压器结构和工作原理及应用，特殊变压器特点，汽车点火线圈及点火系线路重 点应知: 能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向；会进行电磁感应实验，了解自感现象和互感现象及在实际应用中
2、的应用；会分析变压器电路、汽车点火线圈结构、工作原理及点火系电路难 点应知：掌握分析磁路的基本方法、变压器的结构原理、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向子项目 内 容 课时分配项目备课笔记编写日期 2011、10、6 审批: 日期:授课日期 2011、10、9 2011、10、9班 级 09-10 10-10学生人数 33 35主讲教师 姚婷婷 姚婷婷项目 磁路与变压器 课时: 理论 14目的要求1、正确描述电磁感应原理，感应电动势与磁通量的关系，变压器工作原理2、简单叙述磁路基本物理量和基本定律，铁磁材料的磁性能，变压器结构和工作原理及应用，特殊变压器特点，汽车点
3、火线圈及点火系线路重 点1、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向2、会进行电磁感应实验，了解自感现象和互感现象3、会分析变压器电路、汽车点火线圈结构、工作原理及点火系电路难 点掌握分析磁路的基本方法、变压器的结构原理、能应用右手定则判断感应电流方向，能应用左手定则判断磁场力的方向报书设计四、 磁路与变压器1 磁路的基本概念1.1 磁场的基本物理量1.2 磁性材料的磁性能1.3 磁路基本定律2 变压器2.1 变压器的结构原理与功能2.2 变压器的外特性与效率2.3 特殊变压器教学过程:教学组织及安全教育：-提问：1、生活中有没有接触过磁铁？2、吸铁石是不是磁铁？3、知道
4、磁场是怎么产生的吗？4、汽车中有没有用电设备中有磁场？5、怎么把电厂里的电转换成直流的呢？新授:4 磁路及变压器变化的电流能产生磁场，磁场在一定条件下又能产生电流，二者密不可分，许多电气设备的工作原理是基于电磁的相互作用，如变压器、电机、电磁铁、电工测量仪表以及其他各种铁磁元件，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对各种电工设备的工作原理作全面的分析。与流经电路中的电流同理，流经磁路的磁通也遵循一定的规律，如磁路的欧姆定律等。磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于磁路。磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成的，因此本章我
5、们将对这种导磁材料的磁性能加以讨论。磁路和电路是相关联的，因此本章我们还将研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。通过以上的基本概念学习后，我们会对分析与计算磁路的基本方法加以讨论，最后，会讨论变压器及电磁铁等应用实例。4.1磁路的基本概念为了更好地理解磁场的基本性质，掌握磁场的特性，我们可用下列几个在物理学中学过的基本物理量来表示，对此我们做一复习。4.1.1磁场的基本物理量1磁感应强度 B磁感应强度是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。它与电流（电流产生磁场）之间的方向关系满足右手螺旋定则，其大小可用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中的电流和导体的有效长度的乘积的比值
6、，来表示该点磁场的性质，并称作该点磁感应强度 B。其数学式为： FlI在 SI 制中，B 的单位是特斯拉，简称特（T） ；以前也常用电磁制单位高斯（Gs） 。两者的关系是1T=104Gs如果磁场内各点磁感应强度 B 的大小相等，方向相同，则称为均匀磁场。在均匀磁场中，B 的大小可用通过垂直于磁场方向的单位截面上的磁力线来表示。由上式可知，一载流导体在磁场中受电磁力气作用，如图 3-1所示。电磁力的大小 F 与磁感应强度 B、电流 I、垂直于磁场的导体有效长度 L 成正比。其数学式为（4-1）sinBI式中， 为磁场与导体的夹角；B 、 F、 I 三者的方向由左手定则确定。若 ，则 （4-2）9
7、0BIL2磁通 磁感应强度 B（如果不是均匀磁场，则取 B 的平均值）与垂直于磁场方向的面积 S 乘积称为该面积的磁通 ，即（4-3）可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。在 SI 制中， 的单位是韦伯，简称韦（Wb） ；在工程上有时用电磁制单位麦克斯韦（Mx） 。两者的关系是1Wb=108Mx3磁导率 磁导率 是表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即（4-4）HB直导体通电后，在周围产生磁场，在导体附近 点处的磁感应X强度 与导体中的电流 、 点所处的空间几何位置及磁介质的磁X
8、IX导率 有关。其数学式为 2XIr由（3-4）可见，磁场内某一点的磁场强度 H 只与电流大小以及该点的几何位置有关，而与磁场媒质的磁性（）无关，就是说在一定电流值下，同一点的磁场强度不因磁场媒质的不同而有异。但磁感应强度是与磁场媒质的磁性有关的。当线圈内的媒质不同时，则磁导率不同，在同样电流下，同一点的磁感应强度的大小就不同，线圈内的磁通也就不同了。自然界的物质，就导磁性能而言，可分为铁磁物质( )和1r?非铁磁物质( )两大类。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导1r率 很接近， H/m。0 704任意一种物质磁导率 和真空的磁导率 的比值，称为该物质0的相对磁导率 ，即r（45）00rHB
9、在 SI 制中，单位是亨/米（H/m）上式表示相对磁导率就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度 与在同样电流值下在真空中该点的磁感应强度 之比所得B 0B的倍数。4磁场强度 H磁场强度 是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。磁场内某点的磁场强度的大小等于该点磁感应强度除以该点的磁导率，即（4-6）BH式中， 的单位是安每米（A/m）上式是安培环路定律（或称为全电流定律）的数学表示式。它是计算磁路的基本公式。由图 3-2 可知，X 点的磁场强度 为XH（4-7）rIBH2由式（3-7 ）可知，磁场强度的大小取决于电流的大小、载流导体的形状及几何位置，而与磁介质无关。4.1.2磁性材料的磁
10、性能1磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金而言。这些磁性材料具有下列磁性能。1） 高导磁性磁性材料的磁导率很高，铁磁物质的磁导率比非磁物质的要高很多，如硅钢的相对磁导率可达 7000 之多。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。铁磁性材料的磁化曲线可否用磁感应强度 B 随外磁场强度 H 的变化关系来表征（由实验结果绘成） 。如图 4-1 所示的 曲线。f曲线大致可分为三个段：oa 段、ab 段和 bc 段。oa 段为高导磁性材料段。正是由于铁磁材料的高导磁性，许多电气设备的线圈都绕制在铁磁性材料上，以便用小的励磁电流（与 H 有关）产生较大的磁场、磁通。 如变压器、电机与发电机的铁心都是高
11、导性材料制成。以降低设备的体积与重量。图 4-1 磁化曲线图 4-2 磁滞回线2） 磁饱和性在图 4-1 中的 ab 段，磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限地增强。当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时磁化磁场的磁感应强度 BJ 即达饱和值。3） 磁滞性Oa bHB H c HBOBrHc在铁心线圈中通入交流电，铁心被交变的磁场反复磁化，在电流变化一次时，磁感应强度 B 随磁场强度 H 而变化的关系如图 4-2所示，由图可见，当 H 已减到零值时，B 并未回到零值。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性
12、，由此画出的 B-H 曲线称为磁滞回线。当线圈中电流减小到零值（即 H=0）时，铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失。这时铁心中所保留的磁感应强 度称为剩磁感应强度 Br（也叫剩磁） ，在图 4-2 中即为纵坐标 0-2 和 0-5，永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。 如果要使铁心的剩磁消失，通常改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度 H 的方向来进行反向磁化。使 B=0 的 H 值（如图 3-6 中的 0-3 和 0-6 段）称为矫顽磁力 HC（也叫矫顽力） 。铁磁材料在反复磁化过程中产生的损耗称为磁滞损耗，它是导致铁磁性材料发热的原因之一，对电机、变压器等电气设备的运行不利。因此，常采
13、用磁滞损耗小的铁磁性材料作他们的铁心。由实验可知，不同的铁磁性材料，其磁化曲线和磁滞回线都不一样。2磁性物质的分类按磁化特性的不同，铁磁性材料可以分成三种类型。1） 软磁材料具有较小的矫顽力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，可做计算机的磁心，磁鼓以及录音机的磁带、磁头。2） 硬磁性材料永磁材料具有较大的矫顽力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。3） 矩磁材料具有较小的矫顽力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和
14、逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及 1J51 型铁镍合金。4.1.3磁路基本定律为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通（或磁感应强度） ，在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。由于铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通路径，称为磁路。1安培环路定律（全电流定律）在磁路中，沿任意闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭合路径交链的电流的代数和。即：（4-8）HdlI?计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，式中 N
15、为线圈匝数，则： HlIN2磁路欧姆定律设一段磁路长为 l，磁路面积为 S 的环形线圈，磁力线均匀分布于横截面上，这时 B、H 与 之间的关系为SB根据安培环路定律得磁路的欧姆定律。（4-9）mBHllSFlR或上式中， 为磁动势，单位为安匝；FHl称为磁路的磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的SlRm物理量，他与磁路的几何尺寸、磁介质的磁导率有关，单位为 。1H式（4-9）与电路的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路的欧姆定律。它是磁路进行分析与计算所要遵循的基本定律。因为铁磁材料的磁导率不是常数，它随励磁电流而变，所以铁磁材料的磁阻是非线性的，数值很小；空气隙的磁导率 很小，0而且是常数，所
16、以空气隙中的磁阻是线性的，数值很大。由于铁磁材料的磁阻是非线性的，因此，不能直接用（4-9）式进行定量分析，而只能进行定性分析。总结：1、磁场的基本物理量磁感应强度 B：是用来描述磁场内某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。它的方向由右手螺旋定则确定，其大小可用来衡量。FBlI磁通 ：磁场中垂直穿过某截面 S 的磁感线总数，即 BS磁导率 ：表示物质导磁能力的物理量。非铁磁物质和空气的磁导率与真空磁导率 很接近， H/m。铁磁物质的磁07014导率很大，且不是常数。相对磁导率为 。0r磁场强度 H：表示励磁电流在空间产生的磁化力的矢量物理量。它与磁感应强度之间的关系为 ，这是反映磁性材料的B
17、H磁化性能的基本公式。2磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性。磁滞会产生损耗并导致铁心发热。3磁路的基本定律安培环路定律： 或 ，它是计算磁路的基HdlI?lIN本定律。欧姆定律： ，它用来对磁路作定性分析，一般不 mlFRS用来做定量计算。4.2变压器变压器是根据电磁感应原理工作的一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。它的基本作用是将一种等级的交流电变换成另外一种等级的交流电。在电力和电子线路中，变压器独有广泛应用。4.2.1变压器的结构原理与功能1变压器的结构和工作原理1） 变压器基本组成部分均为闭合铁心和线圈绕组，如图 4-3。图 4-3 变压器的结构示意图（1）铁心铁心
18、构成变压器的磁路，为了减少铁损，提高磁路的导磁性能，一般由 0.350.55mm 的表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。根据铁心的结构不同，变压器可分为心式（小功率）和壳式（容量较大）两种。 （2）绕组即线圈，是变压器的电路部分，用绝缘导线绕制而成的，有原绕组、副绕组之分。 与电源相联的称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组） ，与负载相联的称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组） 。（3）冷却系统由于铁心损失而使铁心发热，变压器要有冷却系统。小容量变压器采用自冷式而中大容量的变压器采用油冷式。2） 单相变压器的工作原理图 4-4 变压器工作原理图在原绕组上接入交流电压 u1 时，原绕组中便有电流 i1 通
19、过。原绕组的磁动势 i1N1 产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流 i2 通过。副绕组的磁动势 i2N2 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原、副绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用 表示。主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为 e1、 e2。此外，原、副绕组的磁动势还分别产生漏磁通 1和 2，从而在各自的绕和组中分别产生漏磁动势 e1 和 e2，如图4-4（a）所示。2变压器的功能1） 电压变换写出变压器原理图中原绕组电路的基尔霍夫电压定律方程为： 11ueiR写成相
20、量表示式为 1111UIREIjXE由于原绕组的电阻 R1 和感抗 X1（或漏磁通 1）较小，因而它们两端的电压降也较小，与主磁电动势 E1 比较起来，可以忽略不计，于是 114.mUfN同理可得副边电路的电压与电动势的有效值为 224.mEf变压器空载时， 220 IU式中 是空载时副绕组的端电压。20U以上几式说明，由于原、副绕组的匝数 N1、 N2 不相等，故 E1和 E2 的大小也不等，因而输入电压 U1（电源电压）和输出电压U2（负载电压）的大小也是不等的。原、副绕组的电压之比为：（4-10）11 12224.mfNEK式中 K 称为变压器的变比，亦即原、副绕组的匝数比。可见，当电源
21、电压 U1 一定时，只要改变匝数比，就可得出不同的输出电压 U2。K 1，为降压变压器；K1， 为升压变压器。变比在变压器的铭牌上注明，它通常以“6000/400V”的形式表示原、副绕组的额定电压之比，此例表明这台变压器的原绕组的额定电压 U1N=6000V， 副绕组的额定电压 U2N=400V。所谓副绕组的额定电压是指原绕组加上额定电压时副绕组的空载电压。由于变压器有内阻抗压降，所以副绕组的空载电压一般应较满载时的电压高 5%10%。2） 电流变换由 U1=E1=4.44fN1m 可见，当电源电压 U1 和频率 f 不变时，E1 和 m 也都近于常数。就是说，铁心中主磁通的最大值在变压器空载
22、或有负载时是差不多恒定的。因此有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i 1N1+i2N2）应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势 i0N1 差不多相等，即 1201ii变压器的空载电流 i0 是励磁用的。由于铁心的磁导率高，空载电流是很小的。它的有效值 I0 在原绕组额定电流 I1N 的 10%以内，因此 I0N1 与 I1N1 相比，常可忽略。于是 12iNi其有效值形式为： 12IN所 以 （4-11）12Ik可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是原、副绕组中电流的比值是基本上不变的；因为当负载增加时，I 2 和 I2N2 随着增大，而 I1 和 I1N1 也必须相应增大，以
23、抵偿副绕组的电流和磁动势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值近于不变。变压器的额定电流 I1N 和 I2N 是指变压器在长时连续工作运行时原、副绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。副绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量，即（单相）2NSUI它是视在功率（单位是伏安） ，与输出功率（单位是瓦）不同。3） 阻抗变换变压器不但可以变换电压和电流，还有变换阻抗的作用，以实现“匹配” 。负载阻抗 Z 接在变压器副边，所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变。就是说，直接接在电源上的阻抗 Z和接在变压器副边的负载阻抗 ZL 是等效的。ZL与 ZL 的关系推导如下
24、：1222211()NUUZKZIIII所以 （4-12）2LZk匝数比不同，负载阻抗 ZL 折算到（反映到）原边的等效阻抗 ZL也不同。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。4.2.2变压器的外特性与效率1变压器的外特性当电源电压 U1 不变时，随着副绕组电流 I2 的增加（负载增加） ，原、副绕组阻抗上的电压降便增加，这将使副绕组的端电压 U2 发生变动。当电源电压 U1 和副边所带负载的功率因数 cos2 为常数时，副边端电压 U2 随负载电流 I2 变化的关系曲线 U2=f（ I2） 称为变压器的外特性曲线。图 4-5 为变压器的
25、外特性曲线图。图 4-5 变压器的外特性曲线由图可知，U 2 随 I2 的上升而下降，这是由于变压器绕组本身存在阻抗，I 2 上升，绕组阻抗压降增大的缘故。绕组内阻抗由两部分构成： A. 绕组的导线电阻 B. 漏磁通产生的感抗通常我们希望电压 U2的变动愈小愈好。从空载到额定负载，副绕组电压的变化程度用电压变化率U 表示，即。（4-13）20%1式中 U20 为副边的空载电压，也就是副边电压 U2N；U 2 为I2=I2N 时副边端电压。电力变压器的电压调整率为 5%左右。2变压器的损耗与效率变压器存在一定的功率损耗。变压器的损耗包括铁心中的铁损PFe 和绕组上的铜损 PCu 两部分。其中铁损
26、的大小与铁心内磁感应强度的最大值 Bm 有关，与负载大小无关，而铜损则与负载大小（正比于电流平方）有关。铁损即是铁心的磁滞损耗和涡流损耗；铜损是原、副边电流在绕组的导线电阻中引起的损耗。变压器的输出功 P2 与输入功率 P1 之比的百分数称为变压器的效率，用表示。（4-14）2210%FeCu4.2.3特殊变压器1自耦变压器1） 结构特点图 4-6 自耦变压器自耦变压器的构造如图 4-6 所示。在闭合的铁心上只有一个绕组，它既是原绕组又是副绕组。低压绕组是高压绕组的一部分。2） 电压比、电流比U1/U2=N1/N2=KI1/I2=N2/N1=1/K3） 用途调节电炉炉温，调节照明亮度，起动交流
27、电动机以及用于实验和在小仪器中。4） 使用时的注意事项（1）. 在接通电源前，应将滑动触头旋到零位，以免突然出现过高电压。（2）. 接通电源后应慢慢地转动调压手柄，将电压调到所需要的数值。（3）. 输入、输出边不得接错，电源不准接在滑动触头侧，否则会引起短路事故。2仪用互感器仪用互感器是专供电工测量和自动保护的装置，使用仪用互感器的目的在于扩大测量表的程。为高夺电路中的控制设备及保护设备提供所需的低电压或小电流并使它们与高压电路隔离，以保证安全。仪用互感器包括电压互感器和电流互感器两种。1） 电压互感器（1）. 构造电压互感器的副边额定电压一般设计为标准值 100V，以便统一电压表的表头规格。
28、其接线如图 4-7 所示。图 4-7 电压互感器（2）. 电压比电压互感器原、副绕组的电压比也是其匝数比：U1/U2=N1/N2=Ku若电压互感器和电压表固定配合使用，则从电压表上可直接读出高压线路的电压值。（3）. 使用注意事项 电压互感器副边不允许短路，因为短路电流很大，会烧坏线圈，为此应在高压边将熔断器作为短路保护。 电压互感器的铁心、金属外壳及副边的一端都必须接地，否则万一高、低压绕组间的绝缘损坏，低压绕组和测量仪表对地将出现高电压 ，这对工作是非常危险的。2）.电流互感器（1）. 构造电流互感器是用来将大电流变为小电流的特殊变压器，它的副边额定电流一般设计为标准值 5 安，以便统一电
29、流表的表头规格。其接线图如图 4-8 所示。图 4-8 电流互感器（2）.电流比电流互感器的原、副绕组的电流比仍为匝数的反比，即：I1/I2= N2/N1=1/Ku若安培表与专用的电流互感器配套使用，则安培表的刻度就可按大电流电路中的电流值标出。C. 使用注意事项 电流互感器的副边不允许开路。 副边电路中装拆仪表时，必须先使副绕组短路，并在副边电路中不允许安装保险丝等保护设备。 电流互感副绕组一端以及外壳、铁心必须同时可靠接地。例 某单相变压器的额定容量 SN=100KVA，额定电压为10/0.23KV，当满载运行时，U 2=220V，求 Ku、I 1N、I 2N、U%。31212204.5(
30、)/435/.10%4.35NuNuNKSI AU解例 某三相变压器 Y/Y0接，额定电压为 6/0.4KV，向功率为50KW 的白炽灯给供电，此时负载线电压为 380V，求原、副边电流I1、I 2。分析： 因为白炽灯为纯电阻元件，所以 cos2=1。3221250176()3cos84.6NPI AUI解总结：1、 变压器的三种功能： 2、 1212 () ()LUNkIZk变 压变 流变 阻 抗3、 变压器的外特性与效率外特性：由于内阻抗的存在，U 2 随 I2 的增加而变化，其变化程度用电压变化率来衡量： 0%1U效率：由于变压器运行有损耗（铜损和铁损） ，所以变压器输出功率 P2 总小于输入功率 P1，他们的比值称为效率：10FeCu习题：98 页:简答题 1-4复习单元五：交流电动机
