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1、第 6 章磁路与变压器第第1节节 磁场的基本物理量磁场的基本物理量1 磁感应强度磁感应强度B 磁感应强度磁感应强度B是用来表示磁场内某是用来表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。它是一个点磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量，方向用右手螺旋定则判断。矢量，方向用右手螺旋定则判断。IB 如果磁场内各点的磁感应强度如果磁场内各点的磁感应强度B，大小相等、方向相同，则称为均匀磁场。大小相等、方向相同，则称为均匀磁场。2 磁通磁通 磁感应强度磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积 S的乘的乘积，称为通过该面积的磁通积，称为通过该面积的磁通。通常用磁力线来描述磁场，使磁力线的疏密反通常
2、用磁力线来描述磁场，使磁力线的疏密反映磁感应强度的大小。显然，通过某一面积的磁力映磁感应强度的大小。显然，通过某一面积的磁力线疏密也反映了通过该面积的磁通的大小。线疏密也反映了通过该面积的磁通的大小。由于磁由于磁通的连续性，磁力线总是闭合的空间曲线。通的连续性，磁力线总是闭合的空间曲线。3 磁导率磁导率 磁导率磁导率 是一个用来表示磁场媒质磁性的物是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也是用来衡量物质导磁能力的物理量。理量，也是用来衡量物质导磁能力的物理量。4 磁场强度磁场强度H 磁场强度磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理是计算磁场时所引用的一个物理量，它也是一个矢量。量，它也是一个矢量。第
3、第2节节 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能1 高导磁性高导磁性 磁性材料的磁导率很高，可达数百、数千、乃至数万，这就使它们具有强烈的能被磁化的特性。这种特性是由其内部结构的特殊性所决定的。在没有外磁场作在没有外磁场作用时，磁畴排列混乱，用时，磁畴排列混乱，磁性相互抵消，对外磁性相互抵消，对外显示不出磁性。显示不出磁性。在外磁场作用下，磁畴在外磁场作用下，磁畴顺外磁场方向排列，从而形顺外磁场方向排列，从而形成了一个很强的与外磁场同成了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场。方向的磁化磁场。2 磁饱和性磁饱和性 磁性材料由于磁化所产生的磁化磁场不会随外磁场的增强而无限地增强。当外磁场达到一定值时，全部
4、磁畴都转向与外磁场的方向一致，这时磁化磁场基本上不会随外磁场的增强而增强，这就是磁饱和性。oabcdHBB-H -HB0-HoabcdHBB-HI /SHBB=HoabcdI -I 3 磁滞性磁滞性若对磁性材料若对磁性材料进行反复的交进行反复的交变磁化，则变磁化，则BH曲线为一曲线为一条闭合曲线，条闭合曲线，称为磁滞回线。称为磁滞回线。Br 称为剩磁，称为剩磁，Hc 称为矫顽磁力。称为矫顽磁力。HBHcBrHmBm-Hm-Hc-Br-BmO123456 对应于不同的对应于不同的Hm，将得到一系列的磁滞回将得到一系列的磁滞回线，将各磁滞回线的顶线，将各磁滞回线的顶点与原点点与原点O连接起来，得连
5、接起来，得到一条曲线到一条曲线OA，称为标称为标准磁化曲线，它是分析准磁化曲线，它是分析与计算磁路的依据。与计算磁路的依据。OHBAHm-Hm磁路即人为形成的磁通的路径。磁路即人为形成的磁通的路径。：主磁通主磁通 ：漏磁通漏磁通 i：励磁电流励磁电流1 磁路磁路第第3节节 磁路及磁路的基本定律磁路及磁路的基本定律2.1 安培环路定律（全电流定律安培环路定律（全电流定律）安培环路定律指出：在磁场安培环路定律指出：在磁场中，任取一闭合路径，并指定其中，任取一闭合路径，并指定其方向，沿此闭合路径的方向对磁方向，沿此闭合路径的方向对磁场强度场强度H 的矢量进行线积分，则的矢量进行线积分，则线积分值等于
6、通过该闭合路径的线积分值等于通过该闭合路径的所有电流的代数和。所有电流的代数和。I1I2I3 若电流方向和磁场强度若电流方向和磁场强度H 的方向之间符的方向之间符合右手螺旋关系，则电流取正；否则取负。合右手螺旋关系，则电流取正；否则取负。2 磁路的基本定律磁路的基本定律在均匀的无分支的磁路中:磁路长度l，Hl称为磁压降。线圈匝数N，F=NI称为磁动势。I在非均匀磁路中，各段磁压降之和等于总磁动势。IN2.2 磁路欧姆定律磁路欧姆定律INSl磁磁 路路电电 路路磁动势磁动势F=NI电动势电动势E磁通磁通 电流电流I磁压降磁压降Hl电压降电压降U磁通密度磁通密度B=/S电流密度电流密度J=I/S磁
7、阻磁阻电阻电阻INSlIR+_EU3 磁路与磁路与电路的比较电路的比较表表1磁磁 路路电电 路路磁路磁路欧姆定律欧姆定律电路电路欧姆定律欧姆定律安培环路定律安培环路定律基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律磁通的连续性磁通的连续性基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律INSlIR+_EU表表2 磁路欧姆定律、安培环路定律、磁通的连续性分别与电路欧姆定律、基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律具有相同的形式。乍一看可以用分析电路的方法分析磁路，但因磁性材料的磁导率不是常数，从而磁阻不是常数，所以分析磁路远比分析电路要复杂的多。另外，磁路与电路本质也是不同的，由于导电材料和绝缘材料的导电系数相差特别大，因此在分析
8、电路时很少考虑漏电流；但在磁路中，由于磁性材料的磁导率只比非磁性材料的磁导率大几千或几万倍，所以漏磁在很多情况下是不能忽略的，或者说，不存在磁的绝缘材料。直流磁路即用直流来励磁的磁路IU第第4节节 直流磁路的分析直流磁路的分析IN l例例1（1）求铁芯材料为铸铁时线圈中的电流；）求铁芯材料为铸铁时线圈中的电流；（2）求铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流。）求铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流。已知：已知：N=300匝，匝，铁芯中的铁芯中的B=0.9T，磁路的平均长度磁路的平均长度l=450cm（1）当）当铁芯材料为铸铁时，铁芯材料为铸铁时，由磁化曲线可查得：由磁化曲线可查得：B=0.9TH=9000A
9、/m（2）当）当铁芯材料为硅钢片时，铁芯材料为硅钢片时，由磁化曲线可查得：由磁化曲线可查得：B=0.9TH=260A/mIN l =BS要得到相同的，则铸铁铁芯的截面积要增加17倍，增加了用铁量。相差17倍选用磁导率高的铁芯材料，可减小励磁电流，因此可减小用铜量。B=0.9TH=9000A/mI=13.5AH=260A/mI=0.39A铸铁硅钢片I=0.39A H=260A/mB=0.9TB=0.05T铸铁硅钢片例例2I已知：环形铁芯线圈的内径为已知：环形铁芯线圈的内径为10cm，外径为外径为15cm；铁芯材料铁芯材料为铸钢；空气隙长度为为铸钢；空气隙长度为0.2cm，I=1A，B=0.9T。
10、求线圈匝数求线圈匝数N=？I空气隙磁压降空气隙磁压降较大，所以磁较大，所以磁动势主要降落动势主要降落在空气隙上。在空气隙上。交流磁路即用交流来励磁的磁路：主磁通主磁通 ：漏磁通漏磁通i：励磁电流励磁电流第第4节节 交流磁路的分析交流磁路的分析1 电磁关系电磁关系2 电压、电流关系电压、电流关系 交流磁路交流磁路直流磁路直流磁路(U不变，不变，I不变）不变）（随随Rm变化）变化）（U不变时，不变时，m 基本不变）基本不变）(I 随随Rm而变化）而变化）交流磁路和直流磁路的比较交流磁路和直流磁路的比较3 功率关系功率关系在交流磁路中，功率损耗为：在交流磁路中，功率损耗为：铜损铜损铁损铁损磁滞磁滞损
11、耗损耗涡流涡流损耗损耗3.1 磁滞损耗磁滞损耗 由磁滞所产生的损耗称为磁滞损耗。由磁滞所产生的损耗称为磁滞损耗。可以证明：交变磁化一周在铁芯的单位可以证明：交变磁化一周在铁芯的单位体积内所产生的磁滞损耗与磁滞回线所围面体积内所产生的磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。积成正比。磁滞损耗要引起铁芯发热。为了减小磁磁滞损耗要引起铁芯发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁芯。硅钢是变压器和电机中常用的铁芯造铁芯。硅钢是变压器和电机中常用的铁芯材料，其磁滞损耗较小。材料，其磁滞损耗较小。由涡流所产生的损由涡流所产生的损耗称为涡流损耗。耗称为涡流损
12、耗。当铁心线圈中通有当铁心线圈中通有交变电流时，它所产生交变电流时，它所产生的磁通也是交变的。因的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产此，不仅要在线圈中产生感应电动势，在铁芯生感应电动势，在铁芯内也要产生感应电动势内也要产生感应电动势和感应电流，这种感应和感应电流，这种感应电动势和感应电流就称电动势和感应电流就称为涡流。它在垂直于磁为涡流。它在垂直于磁通方向的平面内环流。通方向的平面内环流。i 3.2 涡流损耗涡流损耗 i 涡流要引起铁芯发热。为了减小涡流损耗，顺磁场方向，涡流要引起铁芯发热。为了减小涡流损耗，顺磁场方向，将铁芯作成由彼此绝缘的钢片叠成，这样可以限制涡流只能将铁芯作成由彼此绝
13、缘的钢片叠成，这样可以限制涡流只能在较小的截面内流通。在较小的截面内流通。i 电磁炉的工作原理？电磁炉的工作原理？电磁铁是自动控制系统中广泛应用的一种执行元件。它是利用电磁铁是自动控制系统中广泛应用的一种执行元件。它是利用通电的铁心线圈产生电磁吸力吸引衔铁，使衔铁运动而作功。通电的铁心线圈产生电磁吸力吸引衔铁，使衔铁运动而作功。电磁铁按励磁电流的不同分直流电磁铁和交流电磁铁两类。电磁铁按励磁电流的不同分直流电磁铁和交流电磁铁两类。铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁第第5节节 电磁铁电磁铁1 直流电磁铁直流电磁铁直流电磁铁的特点是：直流电磁铁的特点是：动作平稳，工作可靠，适用于动作频繁的机构。动作平稳，工
14、作可靠，适用于动作频繁的机构。IUtBBmtFFm2 交流电磁铁交流电磁铁iu 为了防止震动，可在铁心上装阻尼环。阻尼环为一短路环，受交变磁通的感应，环中产生滞后磁通的感应电流。因此环所包围的铁心部分中的磁通与环外铁心中的磁通便有一相位差存在，使两部分的磁通和吸力不同时降为零，消除了震动和噪声。iu0交流电磁铁吸合过程中，磁阻交流电磁铁吸合过程中，磁阻Rm对电流的影响对电流的影响:如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。iu第第6节节 变压器及其分类变压器
15、及其分类 变压器是通过电磁感应原理，将一种电压等级的交流电压变压器是通过电磁感应原理，将一种电压等级的交流电压和电流变换为同频率的另一种电压等级的交流电压和电流，从和电流变换为同频率的另一种电压等级的交流电压和电流，从而实现电能转换的静止电器。而实现电能转换的静止电器。按用途分类（1）输送电能用的电力变压器（2）电力测量用的仪用互感器（3）冶炼用的电炉变压器（4）电解用的整流变压器（5）焊接用的焊接变压器（6）实验用的小型自耦变压器（7）电子设备用的电源变压器及匹配变压器。电力变压器（1）单相变压器（2）三相变压器按相数分类按冷却方式分类（1）自然冷却（2）风冷却（3）强油风冷（4）强油水冷按
16、每相绕组的个数分类（1）双绕组变压器（2）三绕组变压器（3）自耦变压器按结构分类（1）心式（2）壳式第第7节节 变压器的工作原理变压器的工作原理闭合铁芯闭合铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组原边原边绕组绕组与电源联接的绕组，也称初级绕组，一次绕组。与电源联接的绕组，也称初级绕组，一次绕组。副边绕组副边绕组与负载联接的绕组，也称次级绕组，二次绕组。与负载联接的绕组，也称次级绕组，二次绕组。单相变压器单相变压器原理图原理图N1N21 电磁关系电磁关系N1N22 电压变换作用电压变换作用N1N23 电流变换作用电流变换作用当当U1不变时不变时 m近似不变近似不变4 阻抗变换作用阻抗变换作用利用变压
17、器的阻抗变换作用可以实现阻抗匹配。已知交流信号源Us=5V、Rs=1000，负载电阻 RL=40。为达到阻抗匹配（RL=Rs），求：（1）变压器的匝数比；（2）变压器原边和副边电流；（3）负载获得的功率；（4）如果不用变压器，直接将负载接到电源上，负载获得的功率。例例1（1）解解（2）（3）（4）直接将负载接到电源上时解解 变压器原副绕组的电压都是交变的，变压器原副绕组的电压都是交变的，但是某一瞬间，原绕组必有一个端点的极但是某一瞬间，原绕组必有一个端点的极性为正，另一个端点的极性为负，与此同性为正，另一个端点的极性为负，与此同时，副绕组也必有一个端点的极性为正，时，副绕组也必有一个端点的极性
18、为正，另一端点的极性为负。通常把原副绕组极另一端点的极性为负。通常把原副绕组极性同为正或同为负的两个端点称为同极性性同为正或同为负的两个端点称为同极性端，或称同名端。端，或称同名端。第第8节节 变压器的同极性端变压器的同极性端1243+-+-*-+1243+-*结论：结论：（1）同极性端和绕组的绕向有关；）同极性端和绕组的绕向有关；（2）从同极性端流入电流时，它们所产生的磁通）从同极性端流入电流时，它们所产生的磁通是同方向的，据此可判断绕组的同极性端。是同方向的，据此可判断绕组的同极性端。（3）同极性端一定是两绕组之间。）同极性端一定是两绕组之间。若绕组的绕向看不出来，若绕组的绕向看不出来，可
19、通过实验的方法来判断同极性端。可通过实验的方法来判断同极性端。（1）直流法）直流法1243*+-mAS开关S合闸瞬间，如果mA表指针正偏，则1、3为同极性端；否则1、4为同极性端。（2）交流法）交流法1243*+-u1243*+-u+220V-ii+220V-ii两绕组磁通两绕组磁通叠加，两叠加，两绕组都感应反电动势，绕组都感应反电动势，绕组中电流小绕组中电流小两绕组磁通两绕组磁通抵消，两抵消，两绕组没有感应电动势，绕组没有感应电动势，绕组中电流大，将绕组绕组中电流大，将绕组烧毁。烧毁。例例11 外特性和电压调整率外特性和电压调整率第第9节节 变压器的运行特性变压器的运行特性U2I2I2NU2
20、0电阻性电阻性负载负载电感性电感性负载负载U22 损耗和效率损耗和效率 变压器的功率损耗变压器的功率损耗很小，所以效率很高，很小，所以效率很高，通常在通常在95%以上。以上。对一般的电力变压对一般的电力变压器，当负载为额定负载器，当负载为额定负载的的50%75%时，效率时，效率达到最大。达到最大。空载空载实验实验短路短路实验实验第第10节节 三相变压器三相变压器 配电变压器是一种应用最为广泛的电力变压器，主要用于将输电线路上的高压35kV或中压10kV变换为低压380V/220V以供用户使用。配电变压器一般都是三相变压器。现代交流电能的生产和输送几乎都采用三相制。欲把某一数值的三相电压变换为同
21、一频率的另一数值的三相电压，可用三台完全相同的单相变压器组成三相变压系统来实现，也可用一台三相变压器来实现。前者主要用于大容量的三相电压变换，后者主要用于中小容量的三相电压变换。1 三相变压器的结构三相变压器的结构三相变压器外形三相变压器外形三相变压器内部三相变压器内部铁芯柱及绕组铁芯柱及绕组aXCBAZYbczyx 三相变压器有三个三相变压器有三个铁芯柱，三个高压绕组铁芯柱，三个高压绕组和三个低压绕组。若为和三个低压绕组。若为降压变压器，则高压绕降压变压器，则高压绕组即原绕组，低压绕组组即原绕组，低压绕组即副绕组。高压绕组用即副绕组。高压绕组用AX、BY、CZ表示，表示，低压绕组用低压绕组用
22、ax、by、cz表示。表示。三相变压器三相变压器原理图原理图 三相变压器的高、低压绕组，有星形（Y:y connection）和三角形（:delta connection）两种连接方式，GB1094.1-1996规定，连接方式的表示方法为：Y高压绕组无中性点引出的星形连接；高压绕组无中性点引出的星形连接；YN高压绕组有中性点引出的星形连接；高压绕组有中性点引出的星形连接；D高压绕组三角形连接；高压绕组三角形连接；y低压绕组无中性点引出的星形连接；低压绕组无中性点引出的星形连接；yn低压绕组有中性点引出的星形连接；低压绕组有中性点引出的星形连接；d低压绕组三角形连接。低压绕组三角形连接。2 三相
23、变压器的连接方式及组别三相变压器的连接方式及组别N-neutral 三相（两绕组）变压器的常用连接方式及组别为(Y,yn0)、(Y,d11)、(YN,d11)，其中数字表示连接组别。(Y,yn0)用在低压侧为380(220)V的配电变压器中，以供给动力与照明混合负载，三相动力负载用380V的线电压，单相照明负载用220V的相电压。这种连接的变压器其容量不超过1800kVA。(Y,d11)、(YN,d11)都用在较高电压等级。三相变压器的三相变压器的连接组别连接组别反应高、低压反应高、低压绕组对应线电压之间的相位移。在工程上，绕组对应线电压之间的相位移。在工程上，连接组别采用时钟表示法：即将高压
24、侧的连接组别采用时钟表示法：即将高压侧的线电压相量看作时钟的长针，对应低压侧线电压相量看作时钟的长针，对应低压侧的线电压相量看作时钟的短针，把长针指的线电压相量看作时钟的短针，把长针指向向12点点(0点点)，则短针所指数字，即为该连，则短针所指数字，即为该连接组别的标号。接组别的标号。(Y,yn0)连接组别AXBYCZaxbyczNn(Y,d11)、(YN,d11)连接组别AXBYCZabcxyzN（1）额定电压）额定电压U1N、U2N 单相变压器：U1N、U2N分别是原、副边的额定电压。副边额定电压应为原边加额定电压时，副边的空载电压。三相变压器：U1N、U2N分别是原、副边的额定线电压。副
25、边额定电压也为原边加额定电压时，副边的空载电压。第第11节节 变压器的额定数据变压器的额定数据变压器的额定数据都在其铭牌上标注。（2）额定电流）额定电流I1N、I2N 单相变压器：I1N、I2N分别是原、副边的额定电流。三相变压器：I1N、I2N分别是原、副边的额定线电流。（3）额定容量）额定容量S1N、S2NN1N2特点：副边绕组是原边绕组的一部分。特点：副边绕组是原边绕组的一部分。第第12节节 自耦变压器自耦变压器1 电压互感器（简称电压互感器（简称PT或或YH）第第13节节 仪用互感器仪用互感器 电压互感器是一种将高电压变换为低电压互感器是一种将高电压变换为低电压，用于测量的特殊变压器。
26、其一次绕电压，用于测量的特殊变压器。其一次绕组并接在主电路中，二次绕组用于并接测组并接在主电路中，二次绕组用于并接测量仪表。二次绕组的额定电压一般都为量仪表。二次绕组的额定电压一般都为100V。这样不仅使接在二次绕组上的测量这样不仅使接在二次绕组上的测量仪表的绝缘水平降低，而且可以使它们的仪表的绝缘水平降低，而且可以使它们的生产制造标准化。生产制造标准化。N1VN2 AXax2 电流互感器（简称电流互感器（简称CT或或LH）电流互感器是一种将大电流变换为小电流互感器是一种将大电流变换为小电流，用于测量的特殊变压器。其一次绕电流，用于测量的特殊变压器。其一次绕组串接在主电路中，二次绕组用于串接测组串接在主电路中，二次绕组用于串接测量仪表。二次绕组的额定电流一般都为量仪表。二次绕组的额定电流一般都为5A。这样不仅使接在二次绕组上的测量仪表的这样不仅使接在二次绕组上的测量仪表的绝缘水平降低，而且可以使它们的生产制绝缘水平降低，而且可以使它们的生产制造标准化。造标准化。N1AN2 L1L2K1K2The End