電感線圈的特性及其在汽車維修中的應用

1 電感線圈的特性

1.1 電流的磁效應（“電生磁”）實驗

實驗1通電直導線的磁場

器材2節1.5 V干電池、1根直導線、1個指南針。

步驟待指南針的指針穩定后，讓導線平行于指針方向，并從指針上方附近經過；將導線兩端分別連接至1節干電池的正負極。當導線通電時，可看到指針偏轉。串聯2節干電池作為電源，重復上述步驟，指針偏轉角度更大。

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

圖1 直導線“電生磁”實驗

實驗2通電螺線管的磁場

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

步驟將3節干電池串聯，線圈兩端分別連接至干電池的正負極，用線圈去吸引鐵釘，線圈產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。

結論如圖2所示，通電的線圈內部產生一個軸向的強磁場，磁感應線從S極（南極）進入，從N極（北極）發出，并在線圈外部形成閉環。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”，只有當電流經過線圈時，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（“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，設置好示波器的參數；讓條形磁鐵快速地通過線圈的空心，線圈切割磁感應線將產生感應電壓，觀察并記錄感應電壓波形。注意，靜止的磁鐵不能讓線圈產生感應電壓，此處必須是一個變化的磁場。所測感應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，重復上述實驗步驟，線圈產生的交流電壓方向也隨之顛倒。

結論閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，則會產生感應電流，如果電路不閉合，則會產生感應電壓，該過程稱為電磁感應現象。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，隨著磁鐵繼續下落，線圈周圍磁場又逐漸減弱。根據楞次定律，感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應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生交替變化，因此在線圈兩端產生感應電壓，且為交流電壓。感應電壓的大小取決于線圈的匝數、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。

圖3 “磁生電”實驗

步驟按照圖4連接電路，設想在開關閉合的瞬間，電路中流過的電流應該多大？根據歐姆定律，當電路中的開關閉合時，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象，上述情況不可能發生。電路閉合的瞬間，電流開始流動，同時線圈周圍從無到有產生磁場，線圈切割這個變化的磁場產生感應電動勢，根據楞次定律，這個感應電壓與電源反向，會阻礙電流的注入，因此通電瞬間線圈的內阻特別大，允許流過的電流很小。當線圈通過電流后，在線圈中形成感應磁場，感應磁場又會產生感應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，先閉合開關隨后斷開，測得的電壓和電流波形如圖5所示，相關解釋如下。

（1）在A階段時，開關斷開，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，產生的感應電壓繼續抵制電流的注入，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，線圈匝數越多，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，線圈周圍的磁場達到最強，是一個恒定值，由于磁場不再變化，感應電壓消失，此時線圈相當于一個電阻，最大電流可根據歐姆定律計算。

（5）在E階段時，斷開開關，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，產生與電源極性一致的感應電壓（“增反減同”），電源電壓和線圈感應電壓串聯，探針處電壓等于電源電壓和感應電壓之和。由于斷開開關時，線圈周圍磁場消失的速度遠大于通電時磁場產生的速度，因此產生的感應電壓很高。

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

總結由于導體本身的電流發生變化而產生的電磁感應現象，叫做自感現象。不斷變化的電流經過線圈時，線圈周圍就會產生一個不斷變化的磁場，電流每變化一次，線圈內都會產生一個自感應電壓。自感應電壓總是阻礙導體中原電流的變化，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構

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成，在傳感器和飛輪上的齒圈之間只有一個很小的間隙。經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線集中起來，而間隙則會削弱磁感應線密度，當飛輪轉動時，就能使線圈周圍的磁場發生變化，進而使線圈產生交流感應電壓。發動機的轉速越高，線圈周圍的磁場變化速度越快，線圈的感應電壓越大（峰值最高可達±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，發動機控制單元計算兩者的差分電壓信號。利用示波器數學通道（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。

每個單位時間內的脈沖數量是衡量飛輪轉速的標準，通常使用60齒距的靶輪，缺少2個輪齒的部位定為基準標記，這樣發動機控制單元可以根據已知的齒距確定曲軸的當前位置。

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 進氣歧管噴射系統的噴油器

如圖9所示，進氣歧管噴射系統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閉位置，需要噴射燃油時，給磁鐵繞組通電，此時產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封住噴射口，停止噴射燃油。

圖9 進氣歧管噴射系統的噴油器的結構

圖10 進氣歧管噴射系統的噴油器的控制電路和示波器的連接方式

進氣歧管噴射系統的噴油器的控制電路和示波器的連接方式如圖10所示，發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 進氣歧管噴射系統的噴油器的電壓和電流波形（截屏）

2.3 缸內直噴系統的噴油器

這里所指的缸內直噴系統的噴油器是電磁閥式的，它的結構與進氣歧管噴射系統的噴油器相近，但控制原理有很大區別。

缸內直噴系統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 缸內直噴系統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動機控制單元的觸發信號，此時電壓和電流均為斷路狀態。

（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電壓驅動。A階段的峰值電壓不能保持恒定，而是有所降低，這是發動機控制單元內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 缸內直噴系統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階段為結束段，此時噴油驅動信號結束，發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。注意，這個65 V電壓不是線圈斷電瞬間的感應電壓，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，噴油器驅動電路在設計時特意加了反向電壓，讓閥針快速落座。

3 總結

電感線圈作為電路中的基本元件，在汽車中應用得非常廣泛，例如電磁閥、電動機、發電機、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。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。