电感线圈的特性及其在汽车维修中的应用

1 电感线圈的特性

1.1 电流的磁效应（“电生磁”）实验

实验1通电直导线的磁场

器材2节1.5 V干电池、1根直导线、1个指南针。

步骤待指南针的指针稳定后，让导线平行于指针方向，并从指针上方附近经过；将导线两端分别连接至1节干电池的正负极。当导线通电时，可看到指针偏转。串联2节干电池作为电源，重复上述步骤，指针偏转角度更大。

结论如图1所示，如果1根直导线中有电流通过，那么导线周围的空间将产生环形磁场；导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。通电直导线中的安培定则（也叫右手螺旋定则）为，用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指指向就是磁感应线的环绕方向。

图1 直导线“电生磁”实验

实验2通电螺线管的磁场

器材3节1.5 V干电池、2根导线、1个空心螺线管（即线圈）、1根铁芯、铁钉若干。

步骤将3节干电池串联，线圈两端分别连接至干电池的正负极，用线圈去吸引铁钉，线圈产生的磁力不足以把铁钉吸起来。将铁芯插入线圈，用铁芯再次吸引铁钉，铁钉被轻松地吸起来。

结论如图2所示，通电的线圈内部产生一个轴向的强磁场，磁感应线从S极（南极）进入，从N极（北极）发出，并在线圈外部形成闭环。铁芯能聚集散乱的磁流，将磁场强度大大增强，带有铁芯的线圈被称为“电磁铁”，只有当电流经过线圈时，铁芯才能保持磁性。通电线圈中的安培定则（也叫右手螺旋定则）为，用右手握住通电线圈，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电线圈的N极。

图2 线圈“电生磁”实验

1.2 电磁感应（“磁生电”）实验

器材示波器、空心线圈、条形磁铁。

步骤将示波器的一个通道连接至线圈两端，设置好示波器的参数；让条形磁铁快速地通过线圈的空心，线圈切割磁感应线将产生感应电压，观察并记录感应电压波形。注意，静止的磁铁不能让线圈产生感应电压，此处必须是一个变化的磁场。所测感应电压波形是一个正弦波，也就是说这是个交流电压。将条形磁铁的磁极方向颠倒，重复上述实验步骤，线圈产生的交流电压方向也随之颠倒。

结论闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，则会产生感应电流，如果电路不闭合，则会产生感应电压，该过程称为电磁感应现象。在磁铁通过线圈的过程中，磁铁靠近线圈时，线圈周围的磁场从无到有变化，是逐渐增强的；当磁铁下落至线圈中间位置时，线圈周围的磁场最强，随着磁铁继续下落，线圈周围磁场又逐渐减弱。根据楞次定律，感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，简单说就是“来拒去留”。如图3所示，在磁铁通过线圈时，由于线圈中的磁场发生交替变化，因此在线圈两端产生感应电压，且为交流电压。感应电压的大小取决于线圈的匝数、磁场的变化速度和磁场强度。

1.3 线圈自感实验

器材示波器、电流钳、1.5 V干电池、线圈、开关。

图3 “磁生电”实验

步骤按照图4连接电路，设想在开关闭合的瞬间，电路中流过的电流应该多大？根据欧姆定律，当电路中的开关闭合时，流过电路的电流将从0 A跃至最大电流（电压/电阻），但是由于线圈存在自感现象，上述情况不可能发生。电路闭合的瞬间，电流开始流动，同时线圈周围从无到有产生磁场，线圈切割这个变化的磁场产生感应电动势，根据楞次定律，这个感应电压与电源反向，会阻碍电流的注入，因此通电瞬间线圈的内阻特别大，允许流过的电流很小。当线圈通过电流后，在线圈中形成感应磁场，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流，这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，即电感。

图4 线圈自感实验电路连接

用示波器测量线圈一端的电压和电路中的电流，先闭合开关随后断开，测得的电压和电流波形如图5所示，相关解释如下。

（1）在A阶段时，开关断开，探针处电压为电源电压，由于线路中断，电路中没有电流。

（2）在B阶段时，开关闭合，探针处电压为搭铁电压，线圈两端电压等于电源两端电压，电源为线圈充磁。

（3）在C阶段时，开关闭合的瞬间，线路中的电流最小，随后电流开始增大，线圈周围的磁场随之增强，线圈切割这个变化的磁场，产生的感应电压继续抵制电流的注入，因此电流只能斜着上升。在这个过程中，电能转化为磁能存储在线圈中。此处电流曲线上升的斜率取决于线圈匝数，线圈匝数越多，电感量越大，抵制电流的时间越长，电流上升速度慢，反之亦然。

图5 线圈自感实验时测得的电压和电流波形

（4）在D阶段时，开关闭合一段时间后，线圈中的电流停止增大，线圈周围的磁场达到最强，是一个恒定值，由于磁场不再变化，感应电压消失，此时线圈相当于一个电阻，最大电流可根据欧姆定律计算。

（5）在E阶段时，断开开关，线路中的电流趋于0 A，线圈周围的磁场随之迅速消失，线圈切割这个变化的磁场，产生与电源极性一致的感应电压（“增反减同”），电源电压和线圈感应电压串联，探针处电压等于电源电压和感应电压之和。由于断开开关时，线圈周围磁场消失的速度远大于通电时磁场产生的速度，因此产生的感应电压很高。

（6）在F阶段时，感应电压消失，探针处电压恢复到电源电压，线路中的电流为0 A。

总结由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。不断变化的电流经过线圈时，线圈周围就会产生一个不断变化的磁场，电流每变化一次，线圈内都会产生一个自感应电压。自感应电压总是阻碍导体中原电流的变化，即总是起着推迟电流变化的作用。

2 电感线圈在汽车维修中的应用

2.1 电磁式曲轴位置传感器

图6 电磁式曲轴位置传感器的结构

如图6所示，电磁式曲轴位置传感器由一个永久磁体和一个带有铁芯的线圈构成，在传感器和飞轮上的齿圈之间只有一个很小的间隙。经过线圈的磁通量取决于传感器对面是轮齿还是间隙，轮齿能将散乱的磁感应线集中起来，而间隙则会削弱磁感应线密度，当飞轮转动时，就能使线圈周围的磁场发生变化，进而使线圈产生交流感应电压。发动机的转速越高，线圈周围的磁场变化速度越快，线圈的感应电压越大（峰值最高可达±50 V）。

典型电磁式曲轴位置传感器的电路如图7a所示，由于该传感器产生的是一个快速波动的交流电压信号，并且幅值很高，可能会对车辆上其他电气部件造成干扰，因此在传感器信号线上包裹了一层屏蔽线。

用示波器的2个通道分别测量电磁式曲轴位置传感器2根信号线上的电压（图7b），可知2根信号线上的交流电压呈镜像波形（图8），其中一个信号为主要信号，另一个为次要信号，发动机控制单元计算两者的差分电压信号。利用示波器数学通道（A-B），可以计算这个差分电压信号，或者用示波器的1个通道直接测量2根信号线上的电压。测量时要查看维修手册，分清主要信号线和次要信号线。

每个单位时间内的脉冲数量是衡量飞轮转速的标准，通常使用60齿距的靶轮，缺少2个轮齿的部位定为基准标记，这样发动机控制单元可以根据已知的齿距确定曲轴的当前位置。

图7 典型电磁式曲轴位置传感器的电路和示波器的连接方式

图8 电磁式曲轴位置传感器的信号波形（截屏）

2.2 进气歧管喷射系统的喷油器

如图9所示，进气歧管喷射系统的喷油器通过燃油供给管路获得燃油，针阀可封住喷射口，从而防止燃油泄漏。针阀通过弹簧保持在关闭位置，需要喷射燃油时，给磁铁绕组通电，此时产生吸引磁铁电枢的磁场，使针阀打开，开始喷射燃油；需要停止喷射燃油时，切断磁铁绕组电流，此时磁场消失，弹簧将针阀压回针阀座内封住喷射口，停止喷射燃油。

图9 进气歧管喷射系统的喷油器的结构

图10 进气歧管喷射系统的喷油器的控制电路和示波器的连接方式

进气歧管喷射系统的喷油器的控制电路和示波器的连接方式如图10所示，发动机控制单元通过搭铁信号控制喷油器打开，喷射时间的长短被称为喷油脉宽，单位为ms。在喷射压力一定的情况下，喷油脉宽越大，喷油量越多。图11为测得的喷油器电压和电流波形（蓝色为电压波形，红色为电流波形），其基本含义与线圈自感实验中的解释一致，此处不再赘述。值得一提的是，电流波形上升斜坡的凸起位置（图11中A处），代表喷油器针阀提起的时刻，在此之前的电磁力还不足以抬升针阀，这段时间约为1 ms；电压波形下降斜坡的凸起位置（图11中B处），代表针阀落座的时刻，由此可知喷油器实际开启的时间约为3.5 ms。

图11 进气歧管喷射系统的喷油器的电压和电流波形（截屏）

2.3 缸内直喷系统的喷油器

这里所指的缸内直喷系统的喷油器是电磁阀式的，它的结构与进气歧管喷射系统的喷油器相近，但控制原理有很大区别。

缸内直喷系统的喷油器的控制电路和示波器的连接方式如图12所示，测量喷油器电压时，示波器的探头两端分别接在喷油器的两端。图13为测得的喷油器电压和电流波形（紫色是电压波形，绿色为电流波形），其具体含义如下。

图12 缸内直喷系统的喷油器的控制电路和示波器的连接方式

（1）在A阶段之前，喷油器电磁阀未接收到发动机控制单元的触发信号，此时电压和电流均为断路状态。

（2）A阶段为喷油器电磁阀开启阶段，为提高电磁阀开启速度，采用65 V电压驱动。A阶段的峰值电压不能保持恒定，而是有所降低，这是发动机控制单元内部升压电路的电容电压随着放电逐渐降低所致。A阶段的驱动电流最高约为9.6 A，由于线圈存在感抗，电流只能斜着爬升。

（3）B阶段为延迟段，其目的是让A阶段的峰值电流下降至与C阶段的保持电流相等，为此发动机控制单元依次控制电磁阀断电→12 V供电→加反向电压→再次断电，直至电流下降至理想幅度。

图13 缸内直喷系统的喷油器电压和电流波形（截屏）

（4）C阶段为保持段，这是喷油器工作的主要阶段，针阀被吸引至打开位置后，采用较低电压和较小电流即可保证针阀的可靠开启。此时供电电压为蓄电池电压，发动机控制单元供电端快速接通、断开，利用线圈的感抗将电流保持在约2.8 A。这是占空比控制方式，占空比越大保持电流越大，占空比越小保持电流越小。

（5）D阶段为结束段，此时喷油驱动信号结束，发动机控制单元用一个反向电压让针阀迅速落座，电压的幅值约为65 V，与峰值电压相当。注意，这个65 V电压不是线圈断电瞬间的感应电压，由于电磁铁通电后被磁化，断电瞬间由于感抗作用，磁性不会立刻消失，造成喷油器断油不利索，为了消除这个影响，喷油器驱动电路在设计时特意加了反向电压，让阀针快速落座。

3 总结

电感线圈作为电路中的基本元件，在汽车中应用得非常广泛，例如电磁阀、电动机、发电机、点火线圈等，正确理解电感线圈的工作特性，就为掌握这些部件的工作原理打下了良好的基础。在维修实践中，秉着汽车免拆诊断的维修理念，使用示波器测量并分析这些部件的工作电压和电流波形，可快速判断部件的工作状况，大大提高故障诊断效率。