電感線圈的特性及其在汽車維修中的應(yīng)用

1 電感線圈的特性

1.1 電流的磁效應(yīng)（“電生磁”）實驗

實驗1通電直導(dǎo)線的磁場

器材2節(jié)1.5 V干電池、1根直導(dǎo)線、1個指南針。

步驟待指南針的指針穩(wěn)定后，讓導(dǎo)線平行于指針方向，并從指針上方附近經(jīng)過；將導(dǎo)線兩端分別連接至1節(jié)干電池的正負(fù)極。當(dāng)導(dǎo)線通電時，可看到指針偏轉(zhuǎn)。串聯(lián)2節(jié)干電池作為電源，重復(fù)上述步驟，指針偏轉(zhuǎn)角度更大。

結(jié)論如圖1所示，如果1根直導(dǎo)線中有電流通過，那么導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生環(huán)形磁場；導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強。通電直導(dǎo)線中的安培定則（也叫右手螺旋定則）為，用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指指向就是磁感應(yīng)線的環(huán)繞方向。

圖1 直導(dǎo)線“電生磁”實驗

實驗2通電螺線管的磁場

器材3節(jié)1.5 V干電池、2根導(dǎo)線、1個空心螺線管（即線圈）、1根鐵芯、鐵釘若干。

步驟將3節(jié)干電池串聯(lián)，線圈兩端分別連接至干電池的正負(fù)極，用線圈去吸引鐵釘，線圈產(chǎn)生的磁力不足以把鐵釘吸起來。將鐵芯插入線圈，用鐵芯再次吸引鐵釘，鐵釘被輕松地吸起來。

結(jié)論如圖2所示，通電的線圈內(nèi)部產(chǎn)生一個軸向的強磁場，磁感應(yīng)線從S極（南極）進(jìn)入，從N極（北極）發(fā)出，并在線圈外部形成閉環(huán)。鐵芯能聚集散亂的磁流，將磁場強度大大增強，帶有鐵芯的線圈被稱為“電磁鐵”，只有當(dāng)電流經(jīng)過線圈時，鐵芯才能保持磁性。通電線圈中的安培定則（也叫右手螺旋定則）為，用右手握住通電線圈，讓四指指向電流的方向，那么大拇指所指的那一端是通電線圈的N極。

圖2 線圈“電生磁”實驗

1.2 電磁感應(yīng)（“磁生電”）實驗

器材示波器、空心線圈、條形磁鐵。

步驟將示波器的一個通道連接至線圈兩端，設(shè)置好示波器的參數(shù)；讓條形磁鐵快速地通過線圈的空心，線圈切割磁感應(yīng)線將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，觀察并記錄感應(yīng)電壓波形。注意，靜止的磁鐵不能讓線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此處必須是一個變化的磁場。所測感應(yīng)電壓波形是一個正弦波，也就是說這是個交流電壓。將條形磁鐵的磁極方向顛倒，重復(fù)上述實驗步驟，線圈產(chǎn)生的交流電壓方向也隨之顛倒。

結(jié)論閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，則會產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果電路不閉合，則會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該過程稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在磁鐵通過線圈的過程中，磁鐵靠近線圈時，線圈周圍的磁場從無到有變化，是逐漸增強的；當(dāng)磁鐵下落至線圈中間位置時，線圈周圍的磁場最強，隨著磁鐵繼續(xù)下落，線圈周圍磁場又逐漸減弱。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，簡單說就是“來拒去留”。如圖3所示，在磁鐵通過線圈時，由于線圈中的磁場發(fā)生交替變化，因此在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，且為交流電壓。感應(yīng)電壓的大小取決于線圈的匝數(shù)、磁場的變化速度和磁場強度。

1.3 線圈自感實驗

器材示波器、電流鉗、1.5 V干電池、線圈、開關(guān)。

圖3 “磁生電”實驗

步驟按照圖4連接電路，設(shè)想在開關(guān)閉合的瞬間，電路中流過的電流應(yīng)該多大？根據(jù)歐姆定律，當(dāng)電路中的開關(guān)閉合時，流過電路的電流將從0 A躍至最大電流（電壓/電阻），但是由于線圈存在自感現(xiàn)象，上述情況不可能發(fā)生。電路閉合的瞬間，電流開始流動，同時線圈周圍從無到有產(chǎn)生磁場，線圈切割這個變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)楞次定律，這個感應(yīng)電壓與電源反向，會阻礙電流的注入，因此通電瞬間線圈的內(nèi)阻特別大，允許流過的電流很小。當(dāng)線圈通過電流后，在線圈中形成感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流，這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗，即電感。

圖4 線圈自感實驗電路連接

用示波器測量線圈一端的電壓和電路中的電流，先閉合開關(guān)隨后斷開，測得的電壓和電流波形如圖5所示，相關(guān)解釋如下。

（1）在A階段時，開關(guān)斷開，探針處電壓為電源電壓，由于線路中斷，電路中沒有電流。

（2）在B階段時，開關(guān)閉合，探針處電壓為搭鐵電壓，線圈兩端電壓等于電源兩端電壓，電源為線圈充磁。

（3）在C階段時，開關(guān)閉合的瞬間，線路中的電流最小，隨后電流開始增大，線圈周圍的磁場隨之增強，線圈切割這個變化的磁場，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓繼續(xù)抵制電流的注入，因此電流只能斜著上升。在這個過程中，電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在線圈中。此處電流曲線上升的斜率取決于線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)越多，電感量越大，抵制電流的時間越長，電流上升速度慢，反之亦然。

圖5 線圈自感實驗時測得的電壓和電流波形

（4）在D階段時，開關(guān)閉合一段時間后，線圈中的電流停止增大，線圈周圍的磁場達(dá)到最強，是一個恒定值，由于磁場不再變化，感應(yīng)電壓消失，此時線圈相當(dāng)于一個電阻，最大電流可根據(jù)歐姆定律計算。

（5）在E階段時，斷開開關(guān)，線路中的電流趨于0 A，線圈周圍的磁場隨之迅速消失，線圈切割這個變化的磁場，產(chǎn)生與電源極性一致的感應(yīng)電壓（“增反減同”），電源電壓和線圈感應(yīng)電壓串聯(lián)，探針處電壓等于電源電壓和感應(yīng)電壓之和。由于斷開開關(guān)時，線圈周圍磁場消失的速度遠(yuǎn)大于通電時磁場產(chǎn)生的速度，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很高。

（6）在F階段時，感應(yīng)電壓消失，探針處電壓恢復(fù)到電源電壓，線路中的電流為0 A。

總結(jié)由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫做自感現(xiàn)象。不斷變化的電流經(jīng)過線圈時，線圈周圍就會產(chǎn)生一個不斷變化的磁場，電流每變化一次，線圈內(nèi)都會產(chǎn)生一個自感應(yīng)電壓。自感應(yīng)電壓總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化，即總是起著推遲電流變化的作用。

2 電感線圈在汽車維修中的應(yīng)用

2.1 電磁式曲軸位置傳感器

圖6 電磁式曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖6所示，電磁式曲軸位置傳感器由一個永久磁體和一個帶有鐵芯的線圈構(gòu)成，在傳感器和飛輪上的齒圈之間只有一個很小的間隙。經(jīng)過線圈的磁通量取決于傳感器對面是輪齒還是間隙，輪齒能將散亂的磁感應(yīng)線集中起來，而間隙則會削弱磁感應(yīng)線密度，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，就能使線圈周圍的磁場發(fā)生變化，進(jìn)而使線圈產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越高，線圈周圍的磁場變化速度越快，線圈的感應(yīng)電壓越大（峰值最高可達(dá)±50 V）。

典型電磁式曲軸位置傳感器的電路如圖7a所示，由于該傳感器產(chǎn)生的是一個快速波動的交流電壓信號，并且幅值很高，可能會對車輛上其他電氣部件造成干擾，因此在傳感器信號線上包裹了一層屏蔽線。

用示波器的2個通道分別測量電磁式曲軸位置傳感器2根信號線上的電壓（圖7b），可知2根信號線上的交流電壓呈鏡像波形（圖8），其中一個信號為主要信號，另一個為次要信號，發(fā)動機控制單元計算兩者的差分電壓信號。利用示波器數(shù)學(xué)通道（A-B），可以計算這個差分電壓信號，或者用示波器的1個通道直接測量2根信號線上的電壓。測量時要查看維修手冊，分清主要信號線和次要信號線。

每個單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)量是衡量飛輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)，通常使用60齒距的靶輪，缺少2個輪齒的部位定為基準(zhǔn)標(biāo)記，這樣發(fā)動機控制單元可以根據(jù)已知的齒距確定曲軸的當(dāng)前位置。

圖7 典型電磁式曲軸位置傳感器的電路和示波器的連接方式

圖8 電磁式曲軸位置傳感器的信號波形（截屏）

2.2 進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器

如圖9所示，進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器通過燃油供給管路獲得燃油，針閥可封住噴射口，從而防止燃油泄漏。針閥通過彈簧保持在關(guān)閉位置，需要噴射燃油時，給磁鐵繞組通電，此時產(chǎn)生吸引磁鐵電樞的磁場，使針閥打開，開始噴射燃油；需要停止噴射燃油時，切斷磁鐵繞組電流，此時磁場消失，彈簧將針閥壓回針閥座內(nèi)封住噴射口，停止噴射燃油。

圖9 進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器的結(jié)構(gòu)

圖10 進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器的控制電路和示波器的連接方式

進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器的控制電路和示波器的連接方式如圖10所示，發(fā)動機控制單元通過搭鐵信號控制噴油器打開，噴射時間的長短被稱為噴油脈寬，單位為ms。在噴射壓力一定的情況下，噴油脈寬越大，噴油量越多。圖11為測得的噴油器電壓和電流波形（藍(lán)色為電壓波形，紅色為電流波形），其基本含義與線圈自感實驗中的解釋一致，此處不再贅述。值得一提的是，電流波形上升斜坡的凸起位置（圖11中A處），代表噴油器針閥提起的時刻，在此之前的電磁力還不足以抬升針閥，這段時間約為1 ms；電壓波形下降斜坡的凸起位置（圖11中B處），代表針閥落座的時刻，由此可知噴油器實際開啟的時間約為3.5 ms。

圖11 進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器的電壓和電流波形（截屏）

2.3 缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油器

這里所指的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油器是電磁閥式的，它的結(jié)構(gòu)與進(jìn)氣歧管噴射系統(tǒng)的噴油器相近，但控制原理有很大區(qū)別。

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油器的控制電路和示波器的連接方式如圖12所示，測量噴油器電壓時，示波器的探頭兩端分別接在噴油器的兩端。圖13為測得的噴油器電壓和電流波形（紫色是電壓波形，綠色為電流波形），其具體含義如下。

圖12 缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油器的控制電路和示波器的連接方式

（1）在A階段之前，噴油器電磁閥未接收到發(fā)動機控制單元的觸發(fā)信號，此時電壓和電流均為斷路狀態(tài)。

（2）A階段為噴油器電磁閥開啟階段，為提高電磁閥開啟速度，采用65 V電壓驅(qū)動。A階段的峰值電壓不能保持恒定，而是有所降低，這是發(fā)動機控制單元內(nèi)部升壓電路的電容電壓隨著放電逐漸降低所致。A階段的驅(qū)動電流最高約為9.6 A，由于線圈存在感抗，電流只能斜著爬升。

（3）B階段為延遲段，其目的是讓A階段的峰值電流下降至與C階段的保持電流相等，為此發(fā)動機控制單元依次控制電磁閥斷電→12 V供電→加反向電壓→再次斷電，直至電流下降至理想幅度。

圖13 缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的噴油器電壓和電流波形（截屏）

（4）C階段為保持段，這是噴油器工作的主要階段，針閥被吸引至打開位置后，采用較低電壓和較小電流即可保證針閥的可靠開啟。此時供電電壓為蓄電池電壓，發(fā)動機控制單元供電端快速接通、斷開，利用線圈的感抗將電流保持在約2.8 A。這是占空比控制方式，占空比越大保持電流越大，占空比越小保持電流越小。

（5）D階段為結(jié)束段，此時噴油驅(qū)動信號結(jié)束，發(fā)動機控制單元用一個反向電壓讓針閥迅速落座，電壓的幅值約為65 V，與峰值電壓相當(dāng)。注意，這個65 V電壓不是線圈斷電瞬間的感應(yīng)電壓，由于電磁鐵通電后被磁化，斷電瞬間由于感抗作用，磁性不會立刻消失，造成噴油器斷油不利索，為了消除這個影響，噴油器驅(qū)動電路在設(shè)計時特意加了反向電壓，讓閥針快速落座。

3 總結(jié)

電感線圈作為電路中的基本元件，在汽車中應(yīng)用得非常廣泛，例如電磁閥、電動機、發(fā)電機、點火線圈等，正確理解電感線圈的工作特性，就為掌握這些部件的工作原理打下了良好的基礎(chǔ)。在維修實踐中，秉著汽車免拆診斷的維修理念，使用示波器測量并分析這些部件的工作電壓和電流波形，可快速判斷部件的工作狀況，大大提高故障診斷效率。