浅谈电磁感应现象在汽车中的应用

郝 英

(邢台市第一中学 河北 邢台 054000)

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，电磁感应的发现改变了人类的生活方式.汽车是19世纪最伟大的发明之一,随着社会经济的快速发展,汽车逐渐走进了寻常百姓家，成为不可缺少的交通运输工具，你知道汽车在哪些方面应用了电磁感应现象吗？

1 电磁感应式车速传感器

在汽车仪表系统中要显示车速,在汽车燃油喷射、自动变速器、ABS/ASR、巡航定速控制等系统中都要涉及到汽车的车速状况.车速通常通过直接或间接检测车轮转速获得.如图1所示, 电磁感应式车速传感器由永久磁铁和电磁感应线圈组成，它被固定安装在自动变速器输出轴附近的壳体上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子，当输出轴转动时，停车锁定齿轮的凸齿，不断地靠近或离开车速传感器，使线圈内的磁通量发生变化，从而产生交流电,车速越高，输出轴转速也越高，感应电压脉冲频率也越高，电控组件根据感应电压脉冲的频率计算汽车行驶的速度.

图1 车速传感器示意图

2 汽车发动机火花塞点火装置

汽车电源是蓄电池，其电压为12 V 或24 V，而汽车点火需要高压10 000 V 以上.这是怎么实现的呢?火花塞点火装置示意图如图2所示，点火线圈实际上是一个变压器，主要由初级绕组、次级绕组和铁芯组成.断电器的开闭由断电器凸轮轴控制，凸轮由发动机的凸轮轴驱动.触点闭合时，初级电路通电，在初级绕组通电时，其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而加强.触点断开时，初级电路断开，电流突变在初级线圈中产生自感电动势，约200～300 V；由于电磁感应，在次级绕组中会产生感应电动势，其值取决于两线圈的匝数比(47～70)，该电压值约为12 000～21 000 V之间，此电压加在火花塞电极两端，足以击穿火花塞之间的混合气，产生电火花，点燃混合气.

图2 火花塞点火装置示意图

3 电磁刹车(电涡流缓速器)

现代重型商用车辆制动装置普遍在“手制动”(手刹)和“脚制动”(刹车踏板)两种传统方式的基础上，加装了电涡流缓速器辅助制动装置，俗称电刹.该装置安装在汽车底盘上的驱动桥与变速箱之间，一般由定子、转子及固定支架组成,实物图如图3所示.缓速器工作时，定子线圈内通电产生磁场，而转子随传动轴一起旋转，电磁刹车原理示意图如图4所示.转子切割定子产生磁感线，在转子盘内部产生涡旋状的感应电流.这样，定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力，从而产生制动力矩.电涡流缓速器所产生的制动力矩，可由激磁电流控制装置来调节.通过线圈的激磁电流越大，磁场越强，制动力矩就越大.同时，涡流在具有一定电阻的转子盘内部流通，由于电阻的热效应会把电能转化为热能.汽车在减速或下长坡时，启用缓速器，可以平稳减速，免去使用刹车而造成的磨损.

图3 电磁刹车装置外形及安装位置

图4 电磁刹车原理示意图

4 汽车发电机

汽车发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时(怠速以上)，向所有用电设备(起动机除外)供电，同时向蓄电池充电.交流发电机是由三相同步交流发电机和硅整流器两大部分组成.它的工作原理是：转子绕组与蓄电池接通后，便产生磁场.由于定子绕组是固定的，当发动机驱动发电机转子旋转时，转子的磁感线与定子三相绕组产生相对的切割运动，于是在定子绕组中便感应出三相交变电动势，产生交流电.此交流电再经由二极管组成的整流元件变为直流电输出.

5 车辆违章自动抓拍系统

现在的车辆违章抓拍系统普遍采用双线圈检测方式，通过地感线圈感应车辆,结合信号灯的状态对违法车辆进行自动抓拍.埋设于车道的环形线圈由线圈信号检测器进行供电，因而形成一个磁场，当有金属物体经过磁场时，磁场的磁通量将发生一系列的变化，而机动车可被视同金属物体.

在红灯信号时，触发闯红灯抓拍系统.如图5所示，当车辆压在A线圈上，检测器发第1个触发抓拍信号给摄像机，拍摄车辆压在停车线上的照片.当车辆进入线圈B时，检测器发第2个触发抓拍信号给摄像机，拍摄车辆离开停车线并继续前行的照片(若此时停车，不计入违章).当车辆离开线圈B时，检测器发第3个触发抓拍信号给摄像机，拍摄车辆越过停车线的图片.系统由这3张照片确定违章.

图5 车辆违章自动抓拍系统原理示意图

而且检测器可以根据前面两次触发拍照的间隔及A，B线圈中间的距离，计算汽车速度,一旦超过设定值,即触发超速拍照，同时检测器会将当前车辆的速度值传输给抓拍机，并在抓拍图片上反映出来，从而记录超速车辆.

如果设定汽车行驶先经过线圈A再经过线圈,

检测器通过相位判定，为正常行驶，而当车辆从B线圈到A线圈时，则判定为逆行，触发抓逆行拍照.

现在很多停车场也采取类似原理进行停车管理，车辆在进出停车场时会被识别车牌号码，记录下时间间隔，自动计算停车费，用户离场时可用电子支付方式付停车费，便可不停车通畅出场.

6 电动汽车电磁感应式无线充电技术

伴随着纯电动汽车的发展，与之相关的无线充电技术也越发受到关注,其中电磁感应式高效充电的无线充电技术是比较成熟的.将充电电缆和发射线圈埋设在停车位组成供电机构，当车辆驶入停车位，安装在车辆底部的接收线圈与发射线圈重合，车辆与充电服务器建立通讯开始充电，发射线圈产生交变磁场，接收线圈产生电流通过逆变器将电能传递到电池.电磁感应式无线充电的能量转换率高达92%，传输功率范围较大，能从几瓦到几千瓦.但也有限制,使用时要求两个设备的距离必须很近，供电距离控制在0 mm～10 cm左右，而且充电只能对准线圈一对一进行.充电原理图如图6所示.

图6 无线充电原理示意图

科技改变生活，电磁感应现象必将在更广阔的范围内得到应用.同时,经过不断改进、创新，可以预见汽车的电子化、智能化还将出现许多新系统、新成果，使驾乘汽车变得更加安全、环保、节能、舒适和愉悦.