磁路与铁心线圈电路修改.pptx

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1、2.2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3.3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；4 4.了解三相电压的变换方法；了解三相电压的变换方法；第第6章章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路本章要求：5.5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。了解电磁铁的基本工作原理

2、及其应用知识。1.1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；心线圈电路；心线圈电路；心线圈电路；第1页/共71页 在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电工测量仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对以上电工设备进行全面分析。本章结合磁路

3、和铁心线圈电路的分析，讨论变压器和电磁铁的工作原理，作为应用实例。磁路和电路往往是相关的，因此在这里要研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。第2页/共71页直流电机的磁路直流电机的磁路交流接触器的磁路交流接触器的磁路_ _+N NS SN NS SI If f

4、四极直流电机和交流接触器的磁路四极直流电机和交流接触器的磁路6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法第3页/共71页6.1.1 磁场的基本物理量1 1.磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度磁感应强度B B的大小的大小:磁感应强度磁感应强度B B的方向的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁感应强度磁感应强度B B的单位的单位:特斯拉特斯拉(T T)，1 1 1 1T=1Wb/mT=1Wb/m2 2 均匀磁场均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的各点磁感应

5、强度大小相等，方向相同的 磁场，也称磁场，也称匀强磁场匀强磁场。第4页/共71页2.2.磁通磁通磁通磁通 ：穿过垂直于穿过垂直于B B方向的面积方向的面积S S中的磁力线总数。中的磁力线总数。说明说明:如果不是均匀如果不是均匀磁场，则取磁场，则取B B的平均值。的平均值。在在均匀磁场中均匀磁场中 =B S =B S 或或 B=B=/S S 磁感应强度磁感应强度B B在数值上可以看成为与磁场方向在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通垂直的单位面积所通过的磁通,故又称故又称磁通密度磁通密度。磁通磁通 的单位的单位:韦韦 伯伯(WbWb)3 3.磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度H H

6、 ：是计算磁场时所引用的一个物理量，也是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度磁场强度H H的单位的单位 ：安培安培/米（米（A/mA/m)第5页/共71页 任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。流作为正、反之为负。式中：式中：是磁场强度矢量沿任意闭合是磁场强度矢量沿任意闭合 线线(常取磁通作为闭合回线常取磁通作为闭合回线)的线积分；的线积分；I I I I 是

7、穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律安培环路定律电流正负的规定电流正负的规定：即：即：安培环路定律（全电流定律）安培环路定律（全电流定律）I I1 1H HI I2 2所以安培环路定律将所以安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。在在均匀磁场中均匀磁场中 Hl=IN Hl=IN 第6页/共71页由实验可测得：真空的磁导率为：由实验可测得：真空的磁导率为：4.4.磁导率磁导率 磁导率磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等。它与磁场强度的乘积

8、就等于磁感应强度，即：于磁感应强度，即：磁导率磁导率 的单位：的单位：亨亨/米（米（H/mH/m）因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。比较是很方便的。第7页/共71页4 4.磁导率磁导率相对磁导率相对磁导率 r r：任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率 和真空的磁导率和真空的磁导率 0 0的比值的比值。也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度度B B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B B0 0之比之比的倍数。的倍数。自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上

9、可分自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。为磁性材料和非磁性材料。第8页/共71页6.1.2 磁性材料的磁性能1.1.高导磁性高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高，即磁性材料的磁导率通常都很高，即 r r 1 1(如如坡莫合金，其坡莫合金，其 r r 可达可达 2 2 10105 5)。磁性材料磁性材料能被强烈的磁化，能被强烈的磁化，具有很高的导磁具有很高的导磁性能。性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中备中，

10、如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。强度。第9页/共71页磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。外磁场的增强而无限的增强。2 2.磁饱和性磁饱和性B BJ J 磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；的磁感应强度曲线；B B0 0 磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；磁感应强度直线；B B B BJ

11、 J曲线和曲线和B B0 0直线的纵坐标相直线的纵坐标相 加即磁场的加即磁场的 B B-H H 磁化曲线。磁化曲线。OOH HB BB B0 0B BJ JB B a a b b磁化曲线磁化曲线磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。某一定值。如图。第10页/共71页 B B-H

12、 H 磁化曲线的特征：磁化曲线的特征：OOa a段：段：B B 与与H H几乎成正比地增加；几乎成正比地增加；abab段：段：B B 的增加缓慢下来；的增加缓慢下来；b b点以后：点以后：B B增加很少，达到饱和。增加很少，达到饱和。OOH HB BB B0 0B BJ JB B a a b b 有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，B B 与与 H H不不成正比，磁性物质的磁导率成正比，磁性物质的磁导率 不是不是常数，随常数，随H H而变。而变。有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，与与 I I 不成正比。不成正比。磁性物质的磁化曲线在磁路磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲计算

13、上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出线，实际中通过实验得出。OOH HB,B,B B 磁化曲线磁化曲线B B和和 与与H H的关系的关系第11页/共71页3 3.磁滞性磁滞性 磁性材料在交变磁场中反复磁化，其磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B B-H H关系曲关系曲线是一条回形闭合曲线，称为线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线磁滞回线。磁滞性：磁滞性：磁性材料中磁性材料中磁感应强度磁感应强度B B的变化总是滞后于的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。外磁场变化的性质。磁滞回线磁滞回线OOH HB BB Br rH Hc c剩磁感应强度剩磁感应强度B Br r(剩磁剩磁)：当线圈中电流减小

14、到零当线圈中电流减小到零(H H=0)=0)时，铁心中的磁感应强时，铁心中的磁感应强度。度。例如例如:永久磁铁的磁性就是由永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。也必须具有剩磁。第12页/共71页3.3.磁滞性磁滞性但剩磁也存在着有害的一面，但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。才能取下工

15、件。矫顽磁力矫顽磁力H Hc c：使使 B B=0=0 所需的所需的 H H 值。值。磁性物质不同，其磁滞磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。回线和磁化曲线也不同。第13页/共71页 几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线a a 铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢 c c 硅钢片硅钢片OO0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 10103 3H H/(A/m)/(A/m)H H/(A/m)/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6

16、7 8 9 10 10103 3B B/T/T1.81.81.61.61.41.41.21.21.01.00.80.80.60.60.40.40.20.2a ab ba ab bc cc c第14页/共71页按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)(1)软磁材料软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)(2)永磁材料永磁材料 具有较大的矫顽磁力，

17、磁滞回线较宽。具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)(3)矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。体等。第15页/共71页6.1.3 磁路的分析方法磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图，其中媒质是均环

18、形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率匀的，磁导率为为 ，试计算线圈内部试计算线圈内部 的磁通的磁通 。解：解：根据安培环路定律，有根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为设磁路的平均长度为 l l，则有，则有1.1.引例引例S Sx x H Hx xI IN N匝匝第16页/共71页式中：式中：F=NIF=NI 为磁通势，由其产生磁通；为磁通势，由其产生磁通；R Rmm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l l 为磁路的平均长度；为磁路的平均长度；S S 为磁路的截面积。为磁路的截面积。2.2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为若某磁路的磁通为

19、 ，磁通势为磁通势为F F ，磁阻为，磁阻为R Rmm，则则即有：即有：此即此即磁路的欧姆定律。磁路的欧姆定律。第17页/共71页3.3.磁路与电路的比较磁路与电路的比较 磁路磁路磁通势磁通势F F磁通磁通 磁阻磁阻电路电路电动势电动势 E E电流密度电流密度 J J 电阻电阻磁感应强度磁感应强度B B电流电流 I I N NI I+_ _E EI IR R第18页/共71页4.4.磁路分析的特点磁路分析的特点(1)(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析

20、电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。(2)(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；路时一般都要考虑漏磁通；(3)(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)(4)在电路中，当在电路中，当 E E=0=0时，时，I I=0=0；但在磁路中，由于有；但在磁路中，由于有剩磁，

21、当剩磁，当 F F=0=0 时，时，不为零不为零；第19页/共71页5.5.磁路的分析计算磁路的分析计算主要任务主要任务:预先选定磁性材料中的磁通预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应或磁感应强度强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NIF=NI ，确定线确定线圈匝数和励磁电流。圈匝数和励磁电流。基本公式基本公式:设磁路由不同材料或不同长度和截面积的设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n n 段段组成，则基本公式为：组成，则基本公式为：即即称为磁路个段的磁压降称为磁路个段的磁压降第20

22、页/共71页基本步骤基本步骤:（由磁通（由磁通 求磁通势求磁通势F=NIF=NI ）(1)(1)求各段磁感应强度求各段磁感应强度 B Bi i 各段磁路截面积不同，通过同一磁通各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：，故有：(2)(2)求各段磁场强度求各段磁场强度 H Hi i 根据各段磁路材料的磁化曲线根据各段磁路材料的磁化曲线 B Bi i=f=f(H Hi i),),求求B B1 1，B B2 2 ，相对应的相对应的 H H1 1，H H2 2 ，。(3)(3)计算各段磁路的磁压降计算各段磁路的磁压降 （H Hi i l li i ）(4)(4)根据下式求出磁通势（根据下式求出磁通势（

23、NINI ）第21页/共71页例例1:1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300300，铁心中的磁感应强度为铁心中的磁感应强度为 0.9T 0.9T，磁路的平均长度为，磁路的平均长度为 45cm 45cm，试求：，试求：(1)(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电铁心材料为铸铁时线圈中的电 流流;(2);(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。解：解：（1 1）查铸铁材料的磁化曲线，）查铸铁材料的磁化曲线，当当 B B=0.9 T=0.9 T 时，时，(2)(2)查硅钢片材料的磁化曲线，查硅钢片材料的磁化曲线，当当 B B=0

24、.9 T=0.9 T 时，时，磁场强度磁场强度 H H=9000 A/m=9000 A/m，则，则磁场强度磁场强度 H H=260 A/m=260 A/m，则，则结论：结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。第22页/共71页 如线圈中通有同样大小的电流如线圈中通有同样大小的电流0.39A0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m260 A/m。查磁化曲线可得，查磁化曲线可得，在例在例1(1)1(1)，(2)(2)两

25、种情况下，如线圈中通有同两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流样大小的电流0.39A0.39A，要得到相同的磁通，要得到相同的磁通 ，铸铁，铸铁材料铁心的截面积和材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心硅钢片材料铁心的截面积，的截面积，哪一个比较小？哪一个比较小？【分析】【分析】B B硅钢硅钢是是B B铸铁铸铁的的1717倍。倍。因因 =BSBS，如要得到相同的磁通，如要得到相同的磁通 ，则铸铁铁，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的1717倍。倍。B B铸铁铸铁 =0.05T=0.05T、B B硅钢硅钢 =0.9T,=0.9T,结论：结论：如果线圈中通有同

26、样大小的励磁电流，要如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。使铁心的用铁量大为降低。第23页/共71页 查铸钢的磁化曲线，查铸钢的磁化曲线，B B=0.9 T=0.9 T 时，磁场强度时，磁场强度 H H1 1=500=500 A/mA/m例例2:2:有一环形铁心线圈，其内径为有一环形铁心线圈，其内径为10cm10cm，外径为，外径为 5cm 5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，空气隙，其长度等于其长度等于 0.2cm 0.2cm。设线圈中通有设线圈中通

27、有 1A 1A 的电流，的电流，如要得到如要得到 0.9T 0.9T 的磁感应强度，的磁感应强度，试求线圈匝数。试求线圈匝数。解解:空气隙的磁场强度空气隙的磁场强度铸钢铁心的磁场强度，铸钢铁心的磁场强度，铁心的平均长度铁心的平均长度磁路的平均总长度为磁路的平均总长度为 对各段有对各段有 总磁通势为总磁通势为 线圈匝数为线圈匝数为 磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。结论：结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大

28、励磁电流（设线圈匝数一定）。度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。第24页/共71页 通过上述例题，可以得出如下结论：通过上述例题，可以得出如下结论：(1)(1)如果要得到相等的磁感应强度，采用高磁如果要得到相等的磁感应强度，采用高磁导率的铁心材料，可使线圈的用铜量大大降低。导率的铁心材料，可使线圈的用铜量大大降低。(2)(2)如果线圈中同有同样大小的励磁电流，要如果线圈中同有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大大降低。铁心的用铁量大大降低。(3)(3)当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，当磁路中含有空

29、气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定时）。圈匝数一定时）。第25页/共71页6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路6.2.1 电磁关系 +e e+e e +u uN Ni i（磁通势）主磁通主磁通 ：通过铁心闭合的通过铁心闭合的磁通。磁通。漏磁通漏磁通 ：经过空气或其经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。它非导磁媒质闭合的磁通。线圈线圈铁心铁心 i i，铁心线圈的漏磁电感铁心线圈的漏磁电感 与与i i不是线性关系。不是线性关系。第26页/共71页6.2.2 电压电流关系根据根据KVL:KVL:+e ee e

30、u uN Ni i式中：式中：R R是线圈导线的电阻是线圈导线的电阻 L L 是漏磁电感是漏磁电感 当当 u u 是正弦电压时是正弦电压时，其它各电压、电流、电动，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：第27页/共71页设主磁通设主磁通 则则有效值有效值 由于线圈电阻由于线圈电阻 R R 和感抗和感抗X X （或漏磁通（或漏磁通 ）较小，）较小，其电压降也较小，与主磁电动势其电压降也较小，与主磁电动势 E E 相比可忽略，相比可忽略，故有故有式中：式中：B Bmm是是铁心中磁感应强度的最大值，单位铁心中磁感应强度的最大值，

31、单位TT；S S 是铁心截面积，单位是铁心截面积，单位mm2 2。第28页/共71页6.2.3 功率损耗 交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.1.铜损铜损(P Pcucu)在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中,线圈电阻线圈电阻R R上的功率损耗称铜损，用上的功率损耗称铜损，用 P Pcu cu 表示。表示。P Pcu cu=RIRI2 2式中：式中：R R是线圈的电阻；是线圈的电阻；I I 是线圈中电流的有效值。是线圈中电流的有效值。2.2.铁损铁损(P PFeFe)在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁

32、心内的功率损耗称铁损，用的功率损耗称铁损，用 P PFeFe 表示。它与铁心内磁感表示。它与铁心内磁感应强度的最大值应强度的最大值B Bmm的平方成正比。的平方成正比。铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。+u ui i第29页/共71页（1 1）磁滞损耗（）磁滞损耗（P Ph h）由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗(P Ph h )。磁滞损耗的大小：磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的与磁滞回线的面积和磁场交变的频率频率 f f。OOH HB B 磁滞损耗转化为热能，引磁滞损耗转化为热能，引起铁心

33、发热。起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。第30页/共71页(2)(2)涡流损耗（涡流损耗（P Pe e）涡流损耗涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。涡流涡流：交变磁通在铁心内产交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流涡

34、流损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率（通常由于提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。叠成，把涡流限制在较小的截面内。铁心线圈交流电路的有功功率为：铁心线圈交流电路的有功功率为：第31页/共71页 例例3:3:有一交流铁心线圈，电源电压有一交流铁心线圈，电源电压 U U=220 V=220 V电路中电路中电流电流 I I=4 A=4 A，功率表读数，功率表读数P P=100W=100W，频率，频率f f=50Hz=50Hz，漏磁，漏磁通和线

35、圈电阻上的电压降可忽略不计，试求通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1):(1)铁心线铁心线圈的功率因数；（圈的功率因数；（2 2）铁心线圈的等效电阻和感抗。）铁心线圈的等效电阻和感抗。解解:(1)(1)(2)(2)铁心线圈的等效阻抗模为铁心线圈的等效阻抗模为等效电阻为等效电阻为等效感抗为等效感抗为第32页/共71页 例例4:4:要绕制一个铁心线圈，已知电源电压要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U U=220 V=220 V，频率频率 f f=50Hz=50Hz，今量得铁心截面为，今量得铁心截面为30.2 cm30.2 cm2 2,铁心由硅钢铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为片叠成，设叠

36、片间隙系数为0.91(0.91(一般取一般取0.90.93)0.90.93)。（1 1）如取）如取 B Bmm=1.2T=1.2T，问线圈匝数应为多少，问线圈匝数应为多少?(2)?(2)如磁路如磁路平均长度为平均长度为 60cm,60cm,问励磁电流应多大问励磁电流应多大?铁心的有效面积为铁心的有效面积为(1)(1)线圈匝数为线圈匝数为(2)(2)查磁化曲线图，查磁化曲线图，B B=1.2T=1.2T时时,=700=700，则，则解解:第33页/共71页变压器功能：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器）变电流：电

37、流互感器电流互感器 6.2 变压器的工作原理变压器的工作原理第34页/共71页 发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压 变压器应用举例降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压第35页/共71页单相变压器单相变压器铁芯原边绕组副边绕组一、变压器的基本结构第36页/共71页变压器符号：工作过程：第37页/共71页第38页/共71页1.空载运行 原边接入电源，副边开路。接上交流电源 原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 产生感应电动势二、变压器的工作原理 i10 产生磁通（交变）（方向符合右手定则）第39页/共71页结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比原、副边电压关系根据

38、交流磁路的分析可得：时（变电压）第40页/共71页2.负载运行Z 副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流 i2。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 。带负载后磁动势的平衡关系为：第41页/共71页结论：原、副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略。即：原、副边电流关系（变电流）第42页/共71页（变阻抗）原、副边阻抗关系从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。第43页/共71页阻抗变换举例：扬声器上如何

39、得到最大输出功率。RsRL信号源设：信号电压的有效值:U1=50V;信号内阻：Rs=100 ;负载为扬声器，其等 效电阻：RL=8。求：负载上得到的功率解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功 率为：第44页/共71页Rs（2）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：设变比 则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗差不多相等）。第45页/共71页 额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。额定容量 传送功率的最大能力。（理想）6.3.1

40、变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）6.3 变压器的使用变压器的使用第46页/共71页容量 SN 输出功率 P2 原边输入功率 P1 输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系效率变压器功率因数容量：原边输入功率：输出功率：第47页/共71页6.3.2 变压器的效率变压器的效率()为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCU)：绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流），造成的损失。铁损()：PFE第48页/共71页6.3.3 变压器的外特性变压器的外特性副边输出电压和

41、输出电流的关系。即：U2I2U20U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不多）第49页/共71页 当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端(同名端)AXax*6.3.4 变压器绕组极性及连接方法变压器绕组极性及连接方法AXax*第50页/共71页电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：220V：联结 2 3110V：联结 1 3，2 4线圈的接法1324*第51页/共71页

42、220V：联结 2 3励磁两种接法下线圈工作情况的分析*1324第52页/共71页110V：联结 1 3，2 41,32,4220V：联结 2 31324*说明：两种接法下 不变，所以铁芯磁路的设计相同励磁第53页/共71页问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？答：不行（两绕组必须并绕）原边有两个相同绕组的电源变压器（220/110），使用中应注意的问题：*13241,32,4N若两种接法铁芯中的磁通相等，则：第54页/共71页问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消烧毁感应电势电流

43、很大原因：*1324 第55页/共71页方法一：交流法AXax同极性端的测定方法若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在 AX 上加一小电压 u。测量：若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同 极性端；结论：第56页/共71页方法二：直流法mA表+_AXaxK+-*AXax+_K设K闭合时 增加。感应电动势的方向，阻止 的增加。如果当 K 闭合时，mA 表正偏，则 Aa 为同极性端;如果当 K 闭合时，mA 表反偏，则 Ax 为同极性端结论：第57页/共71页 变压器设计中的一些概念(1)一定额定容量定铁芯窗口定导线直径定定则 （铜多、铁

44、少）则 （铜少、铁多）(,一定时,)第58页/共71页在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？（省铜）（费铁）截面积 A 变压器设计中的一些概念(2)第59页/共71页6.4.1 自耦变压器自耦变压器ABP6.4 特殊变压器简介特殊变压器简介 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。第60页/共71页6.4.2 电压互感器电压互感器 用低量程的电压表测高电压1.副边不能短路，以 防产生过流；2.铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损时，在副边 出现高压。使

45、用注意：VR N1（匝数多）保险丝 N2（匝数少）u（被测电压）电压表被测电压=电压表读数 N1/N2第61页/共71页6.4.3 电流互感器电流互感器 用低量程的电流表测大电流（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数 N2/N11.副边不能开路，以 防产生高电压；2.铁心、低压绕组的 一端 接地，以防在 绝缘损坏时，在副 边出现过压。使用注意事项：第62页/共71页6.4 电磁铁电磁铁1.1.概述概述 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。持某种机械零件、工件于固定位置的一种

46、电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。置发生联动。根据使用电源类型分为：根据使用电源类型分为：直流电磁铁：直流电磁铁：用直流电源励磁；用直流电源励磁；交流电磁铁：交流电磁铁：用交流电源励磁。用交流电源励磁。第63页/共71页2.2.基本结构基本结构 电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。结构如图所示。铁心铁心衔铁衔铁衔铁衔铁 有时是机械零件有时是机械零件 、工件充当衔铁、工件充当衔铁F F

47、F FF FF F线圈线圈线圈线圈衔铁衔铁铁心铁心线圈线圈铁心铁心第64页/共71页3.3.电磁铁吸力的计算电磁铁吸力的计算 电磁铁吸力的大小与气隙的截面积电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S S0 0及气隙中的及气隙中的磁感应强度磁感应强度B B0 0的平方成正比。基本公式如下：的平方成正比。基本公式如下：式中：式中：B B0 0 的单位是特的单位是特 斯拉斯拉；S S0 0 的单位是平方米；的单位是平方米；F F 的单位是牛的单位是牛 顿顿（N N）。）。直流电磁铁的吸力直流电磁铁的吸力直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。第65页/共71页交流电

48、磁铁的吸力交流电磁铁的吸力交流电磁铁中磁场是交变的，设交流电磁铁中磁场是交变的，设则则吸力瞬时值为吸力瞬时值为:式中：式中：为吸力的最大值。为吸力的最大值。吸力的波形吸力的波形:吸力平均值为吸力平均值为:t tF Fmmf fO第66页/共71页 (1)(1)交流电磁铁的吸力在零与最大值交流电磁铁的吸力在零与最大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除为了消除这种现象，在磁极的部分端面上套一个分这种现象，在磁极的部分端面上套一个分磁环（或称短路环），工作时，在分磁环磁环（或称短路环），工作时，在分

49、磁环中产生感应电流，其阻碍磁通的变化，在中产生感应电流，其阻碍磁通的变化，在磁极端面两部分中的磁通磁极端面两部分中的磁通 1 1 和和 2 2 之间之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除振动和噪音，如图所示；为零，实现消除振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变；而直流电磁铁吸力恒定不变；综合上述：综合上述：1 1 2 2 (2)(2)交流电磁铁中交流电磁铁中,为了减少铁损，铁心由钢片叠为了减少铁损，铁心由钢片叠成；直流电磁铁的磁通不变，无铁损，铁心用整块软成；直流电磁铁的磁通不变，无铁损，铁心用整块软钢制成；钢制成；第67页/共71页

50、 (4)(4)直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变。在吸合过程中，励磁电流不变。(3)(3)在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有关，主要的还与线圈感抗有关。在其吸合过程中，随关，主要的还与线圈感抗有关。在其吸合过程中，随着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；4.4