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1、第六磁路与变压器现在学习的是第1页，共51页第六章第六章 磁路与变压器磁路与变压器第一节第一节 磁路的基本知识磁路的基本知识第二节第二节 交流铁心线圈与电磁铁交流铁心线圈与电磁铁第三节第三节 变压器变压器现在学习的是第2页，共51页磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。i 第一节第一节 磁路的基本知识磁路的基本知识一、一、磁路的基本概念磁路的基本概念 线圈通入电流后，产生线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）线圈线圈现在学习的是第3页，共51页 磁力线是定性
2、描述磁场的方法。由右手定则可知，磁力线上任一点的切线方向和该点处的磁场方向一致；磁场强的地方，磁力线较密，反之磁力线较疏。不同形状的电流产生的磁场的磁力线不同。下面介绍一下磁场的基本物理量。（1）磁感应强度B 磁感应强度是磁场的基本物理量，它是根据洛伦兹力来定义的，其大小可以用公式来衡量。B=上式表明，磁场内某一点的磁感应强度可用该电磁场作用于1m长，通过1A电流的导体上的力F来衡量，该导体与磁场方向垂直。现在学习的是第4页，共51页 磁感应强度B的单位：特斯拉（T）即韦伯/米2（Wb/m2）1Wb=1Tm2。通常用磁感应强度线来描绘磁场中各点的情况。其方向代表该点磁感应强度的方向，其大小用该
3、电磁感应强度线的疏密程度来表示。磁感应强度线是连续的闭合曲线，且任意连根磁感应强度曲线不可能相交。通过导线或线圈电流的方向与它所产生磁场的磁感应强度线的方向之间的关系符合安培定则，用右手可以判断电流周围的磁场方向。现在学习的是第5页，共51页2.2.磁通磁通磁通磁通：穿过垂直于B B方向的面积方向的面积S中的磁力线总数。中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取如果不是均匀磁场，则取B B的平均值。在均匀磁场中均匀磁场中 =B S 或或 B=/S 磁感应强度B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,故又称磁通密度。磁通 的单位的单位:韦 伯(Wb)1Wb 1Wb=1Vs s3
4、.磁场强度磁场强度H H：是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢：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。量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度H的单位的单位 ：安培/米（米（A/mA/m)现在学习的是第6页，共51页 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流作为正、反之为负。式中：是磁场强度矢量沿任意闭合 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：电流正负的规定：即：安培环路定律（全电流定律）即：安培环路定律（全电流定律）I1HI2所以安培
5、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 现在学习的是第7页，共51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、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 的导磁能力的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：强度，即：磁导率 的单位：亨的单位：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比较是很方便的。现在学习的是第8页，共51页相对磁导率 r r：任一种物质的磁导率 和真空的磁导率和真空的磁导率0的比值的比值。也即当磁场媒质是某种物质时某点
6、的磁感应强度B B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。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。现在学习的是第9页，共51页 为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径磁路。F=IN 称为磁动势，此为产生磁通的激励IlSRm 称为磁阻是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。磁路欧姆定律二、磁路欧姆定律二、磁路欧姆定律现在学习的是第10页，共51页电路欧姆定律与磁路欧姆定律比较如下：电路欧姆定律与磁路欧姆定律比较如下：磁磁路路电电路路磁动势磁动势 F磁通磁通 磁
7、感应强度磁感应强度B磁阻磁阻 R=l/S电动势电动势E 电流电流 I电流密度电流密度 J电阻电阻 R=l/SNI+EIR若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻应由不同的几段串联而成，即路的磁阻应由不同的几段串联而成，即I 0S0 S11l1S12l2S2现在学习的是第11页，共51页铁磁材料的磁化特性的研究三、铁磁材料三、铁磁材料现在学习的是第12页，共51页1、磁性材料的磁性能（1）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(如坡莫合如坡莫合金，其金，其 r 可达可达 2 2105 5)。磁性材料磁性材料能被强烈的
8、磁化，具有很高的导磁性能。具有很高的导磁性能。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备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁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强度。电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。现在学习的是第13页，共51页磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外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。磁场的增强而无限的增强。（2）磁饱和性B BJ J 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
9、在磁性物质时的 磁感应强度直线；磁感应强度直线；B BJ J曲线和B0 0直线的纵坐标相直线的纵坐标相 加即磁场的 B B-H 磁化曲线。磁化曲线。O OHHB 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外磁场的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程度时，磁性物质增强而无限的增强。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外部磁场方向一致，磁化磁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某一定值。如图。场的磁感应强度将趋向某一定值。如图
10、。现在学习的是第14页，共51页 B-H 磁化曲线的特征：O Oa a段：段：B B 与H H几乎成正比地增加；ab段：段：B B 的增加缓慢下来；b点以后：点以后：B增加很少，达到饱和。增加很少，达到饱和。O OHHB 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 与 H不成正不成正比，磁性物质的磁导率比，磁性物质的磁导率 不是常数，随不是常数，随H H而变。有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，与与 I 不成不成正比。正比。磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。O OHHB,B,B B 磁化曲线B B和和 与与
11、H H的关系的关系现在学习的是第15页，共51页（3）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-H H关系曲线是一条关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：磁性材料中磁感应强度B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O OHBB Br rHHc c剩磁感应强度剩磁感应强度Br r(剩磁剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。时，铁心中的磁感应强度。例如例如:永久磁铁的磁性就是由剩磁永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，产生的；自励直流发电机的磁极，为了使
12、电压能建立，也必须具有剩为了使电压能建立，也必须具有剩磁。磁。现在学习的是第16页，共51页（3）磁滞性磁滞回线磁滞回线O OHBB Br rHHc但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。矫顽磁力H Hc c：使使 B B=0 所需的所需的 H 值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。磁化曲线也不同。现在学习的是第17页，共51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
13、，磁滞回线较窄。一般用来制造电具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、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。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，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。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。常用的有镁锰铁氧体等。现在学习的是第18页，共51页 几几种常见磁性物质的磁化曲线a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片O0.1 0.2 0.
14、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 3HH/(A/m)/(A/m)HH/(A/m)/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 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现在学习的是第19页，共51页3.3.磁路与电路的比较磁路与电路的比较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磁通势磁通势
15、F F磁通磁通磁通磁通 磁阻磁阻磁阻磁阻电路电路电动势电动势电动势电动势 E E电流密度电流密度电流密度电流密度 J J 电阻电阻电阻电阻磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B电流电流电流电流 I I N NI I+_ _E EI IR R现在学习的是第20页，共51页一、交流铁心线圈电路（1）电磁关系 +e+e+uNi（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈线圈线圈线圈铁心铁心铁心铁心 i i，铁铁心线圈的漏磁电感心线圈的漏磁电感 与与i i不是线性关系。不是线性关系。第二节第二节 交流铁心与电磁铁交流铁心与电磁铁现在学习的是第21
16、页，共51页（2）电压电流关系根据根据KVL:+ee uNi式中：R R是线圈导线的电阻 L 是漏磁电感 当当 u u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视是正弦电压时，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：作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：现在学习的是第22页，共51页设主磁通设主磁通 则则有效值有效值 由于线圈电阻 R R 和感抗X（或漏磁通（或漏磁通）较小，其电）较小，其电压降也较小，与主磁电动势压降也较小，与主磁电动势 E E 相比可忽略，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，单位TT；S S 是铁心
17、截面积，单位mm2。现在学习的是第23页，共51页（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。1 1、铜损(Pcucu)在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中,线圈电阻R R上的功率损耗称铜损，用 P Pcu cu 表示。Pcu cu=RI2 2式中：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(PFeFe)在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用耗称铁损，用P PFe 表示。它与铁心内磁感应强度的最大值B Bm的平方成正比。的平方成正比。铁损由磁滞和涡流产生。+ui
18、现在学习的是第24页，共51页（1）磁滞损耗（）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(P Ph)。磁滞损耗的大小：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频率 f。O OHB 磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。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。现在学习的是第25页，共51页 先将实际铁心线圈的线圈电阻先将实际铁心线圈的线圈电阻R R、漏磁感抗X X分出，得分出，得到用理想铁心线圈表示的电路；到用理想铁心线圈表示的电路；+uiR
19、X +uRu 实际铁心线圈电路实际铁心线圈电路理想铁心线圈电路理想铁心线圈电路线圈电阻线圈电阻漏磁感抗漏磁感抗 +ee ui二、等效电路 用一个不含铁心的交流电路来等效替代铁心线圈交流用一个不含铁心的交流电路来等效替代铁心线圈交流电路。电路。等效条件：在同样电压作用下，功率、电流及各量之间的相位关系保持不变。现在学习的是第26页，共51页+uiR RX X +uRu X X0 R R0 式中：P PFeFe为铁损，为铁损，QFe为铁心储放能量的无功功率。为铁心储放能量的无功功率。故有：+e ee e u理想铁心线圈的等效电路理想铁心线圈的等效电路 理想铁心线圈有能量的损耗和储放，可用具有电阻理
20、想铁心线圈有能量的损耗和储放，可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。其中：电阻串联的电路等效。其中：电阻R0 0是和铁心能量损耗是和铁心能量损耗(铁铁损损)相应的等效电阻，感抗相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感是和铁心能量储放相应的等效感抗。其参数为：抗。其参数为：等效电路等效电路现在学习的是第27页，共51页 例例3:3:有一交流铁心线圈，电源电压 U U=220 V电路中电流 I I=4 A，功率表读数，功率表读数P P=100W，频率f f=50Hz，漏磁通和线圈，漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1):(1)铁心线圈的功率
21、因数；铁心线圈的功率因数；（2 2）铁心线圈的等效电阻和感抗。解:(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感抗为等效感抗为现在学习的是第28页，共51页 例4:要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U=220 V=220 V，频率，频率 f=50Hz，今量得铁心截面为，今量得铁心截面为30.2 cm30.2 cm2 2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91(一般取一般取0.90.93)。（1 1）如取）如取 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)如磁路平均长度为 60cm,60cm,问励磁电流应多大?铁心的有效面积
22、为铁心的有效面积为(1)线圈匝数为线圈匝数为(2)查磁化曲线图，B B=1.2T=1.2T时,=700，则解:现在学习的是第29页，共51页变压器功能：变电压：电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）变电流：电流互感器 第三节第三节 变压器变压器现在学习的是第30页，共51页 发电厂1.05万伏输电线22万伏升压升压变电站1万伏降压降压 变压器应用举例降压降压实验室实验室380/220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压现在学习的是第31页，共51页单相变压器铁芯原边绕组副边绕组一、变压器的基本结构 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。现在学习的是第32页，共51
23、页变压器符号：工作过程：现在学习的是第33页，共51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）现在学习的是第34页，共51页电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。+1 i0(i0N1)1空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。现在学习的是第35页，共51页2.带负载运行情况一次侧接交流电源，二次侧接负载接负载。+1 1i1(i1N1)i1i2(i2N2)2有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+e2+e 2+u2 Z Z 现在
24、学习的是第36页，共51页三、三、电压变换（设加正弦交流电压）电压变换（设加正弦交流电压）有效值:同 理：主磁通按正弦规律变化，设为 则(1)(1)一次、二次侧主磁通感应电动势一次、二次侧主磁通感应电动势现在学习的是第37页，共51页结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比为变比（2）原、副边电压关系根据交流磁路的分析可得：时时（变电压）现在学习的是第38页，共51页四、电流变换(一次、二次侧电流关系)有载运行 可见，铁心中主磁通的最大值可见，铁心中主磁通的最大值mm在变压器空载和有载时在变压器空载和有载时近似保持不变。即有近似保持不变。即有 不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均
25、可忽略，故有由上式，若U1 1、f 不变，则不变，则 m m 基本不变，近于常数。空载：有载：+|Z|+现在学习的是第39页，共51页一般情况下：I0 (23)%I1N 很小可忽略。或结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。磁势平衡式：空载磁势有载磁势现在学习的是第40页，共51页（变阻抗）五、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。现在学习的是第41页，共51页阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率。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
26、载直接接到信号源上，得到的输出功 率为：现在学习的是第42页，共51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）。现在学习的是第43页，共51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）一、变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）变压器的使用现在学习的是第44页，共51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
27、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：现在学习的是第45页，共51页为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。铁损()：PFE二、变压器的效率()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。现在学习的是第46页，共51页三、变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。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（随一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，的变化，U2 变化不多）变化不多）现在
28、学习的是第47页，共51页电压调整率电压调整率满载时电压满载时电压空载电压空载电压一般在一般在5%以内以内现在学习的是第48页，共51页（1）自耦变压器ABP四、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。现在学习的是第49页，共51页（2）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 绝缘损坏时，在副边 出现高压。使用注意：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现在学习的是第50页，共51页现在学习的是第51页，共51页