1、第 7 章 磁路与变压器,第 7 章 磁路与变压器,7.1 磁路 7.2 铁心线圈 7.3 变压器 7.4 电磁铁,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,磁路的基本概念,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,7.1 磁路,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁 力线）,7.1.1 磁路的基本物理量,二、磁通,磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,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:韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,三、磁场强度 H,磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。,四、磁导率,：表
2、征各种材料导磁能力的物理量,7.1.2 物质的磁性能,一、非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有：,所以磁通 与产生此磁通的电流 I 成正比，呈线性关系。,当磁场媒质是非磁性材料时，有：,即 B与 H 成正比，呈线性关系。, 0 r 1,B = 0 H,二、磁性物质,磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,外
3、磁 场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁 畴,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，磁性材料能被强烈的磁化，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电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,2. 磁饱和性,B 磁场的 B-H 磁化曲线。,B,a,b,磁化曲线,B-H 磁化曲线的特征：Oa段：B 与H几乎成正比地增加；ab段： B 的增加缓慢下来；b点以后：B增加很
4、少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，与 I 不成正比。磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,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。,3. 磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，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。,剩磁感应强度Br (剩磁) ：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,磁滞回线,Br,Hc,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1
5、)软磁材料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、坡莫合金即铁氧体等。 (2)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。,一. 安培环路定律（全电流律）：,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.,电流方向和磁场强度的方向 符合右手定则，电流取正； 否则取负。,7.1.3 磁路的基本定律,在无分支的均匀磁路
6、（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,磁路 长度L,线圈 匝数N,HL：称为磁压降。,总磁通势,在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁通势等于各段磁压降之和。,例：,对于均匀磁路,二. 磁路的欧姆定律：,磁路和电路的比较（一）,磁 路,电 路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁通势,电压降,电动势,电流,U,欧姆定律,磁阻,磁感应 强度,安培环路 定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流 强度,回路 电压定律,结点 电流定律,磁路与电路的比较 (二),电 路,R,+,_,E,I,直流磁路的特点:,（R 为线圈的电阻）,直流铁
7、心线圈的功率就是线圈电阻消耗的功率，为：,I 恒定， 恒定， e= 0，电感相当于短路。,7.2.1直流铁心线圈电路,7.2 铁心线圈,励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流,一、电磁关系,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,（磁通势）, i，,铁心线圈的漏磁电感,7.2.2交流铁心线圈电路,二、电压电流关系,根据KVL:,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和漏磁通较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,u,i,交流磁路的特点:,三、 功率损耗,铁心线圈交流电路的有功功率为：,铜损耗Pcu,铁损耗PFe,铁损由磁滞和涡
8、流产生。,PCu线圈电阻R上的损耗,PFe 处于交变磁化下的铁心的损耗,（1）磁滞损耗 （Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,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。,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产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。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,硅钢片叠成的铁心,铁心线圈的
9、磁路,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,概述,U I,I S,P = I Rl,7.3 变压器,导线的截面积,变压器的分类,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,变压器应用举例,变压器的结构,N1,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。,设变压器空载运行,一次侧接交流电源，二次侧开路。,
10、空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,7.3.1变压器的工作原理,1.电压变换,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,根据交流磁路的分析 可得：,时,（变电压）,带负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,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。,2. 电流变换,由上式，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载磁势：,有载磁势：,=,或：,1.提供产生m的磁势,磁势平衡式：,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,由图可知：,结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,3. 阻抗变
11、换,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,例1: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: （1）当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,1) 三相变压器的结构,高压绕组： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组： a-x b-
12、y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方式,联结方式：,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,高压绕组接法,4、三相电压的变换,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,7.3.2变压器的铭牌数据,1)变压器的型号,2） 额定值, 额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值, 额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。, 额定容量 SN 传送功率的最大能力。,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效
13、率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,变压器的损耗包括两部分：,7.3.3 变压器的效率(),铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。,磁滞损耗和涡流损耗,铁损(PFe )：,为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时，最大。,输出功率,输入功率,7.3.4变压器的外特性,当一次侧电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,当
14、电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。,1. 同极性端 ( 同名端 ),或者说，当铁心中磁通变化时，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。,同极性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关。,7.3.5 变压器绕组极性及连接方法,联接 23,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2. 线圈的接法,联接 13， 2 4,当电源电压为220V时：,电源电压为110V时：,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组 （N），行不行？,答：不行（两绕组必须并接）,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220
15、/110)，使用中应注意的问题：,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端再通电。,答：有可能烧毁变压器,+,1. 自耦变压器,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。,7.3.6 特殊变压器简介,2. 电压互感器 用低量程的电压表测高电压,被测电压=电压表读数 N1/N2,3. 电流互感器 用低量程的电流表测大电流,被测电流=电流表读数 N2/N1,1. 副边不能开路，以防产生高电压； 2. 铁心、低压绕组
16、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：,7.4 电磁铁,1. 概述,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。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置发生联动。,根据使用电源类型分为：,直流电磁铁：用直流电源励磁；,交流电磁铁：用交流电源励磁。,2. 基本结构,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。,铁心,衔铁,衔铁,有时是机械零件 、工件充当衔铁,线圈,线圈,衔铁,铁心,线圈,铁心,3. 电磁铁吸力的计算,电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的
17、平方成正比。基本公式如下：,式中： B0 的单位是特斯拉；S0 的单位是平方米；F 的单位是牛顿（N）。,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。,交流电磁铁的吸力,交流电磁铁中磁场是交变的，设,则吸力瞬时值为:,式中：,为吸力的最大值。,吸力的波形:,吸力平均值为:,O,(1) 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，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，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 1 和 2 之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除
18、振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变；,综合上述：,(2) 交流电磁铁中,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，铁心用整块软钢制成；,(4) 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。,(3) 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，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；,4. 电磁铁的应用,电磁铁在生产中获得广泛应用。其主要应用原理是：用电磁铁衔铁的动作带动其他机械装置运动，产生机械连动，实现控制要求。,应用实例 图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：,通 电,电磁铁 动作,拉开 弹簧,抱闸 提起,松开 制动轮,电机 转动,断 电,电磁铁 释放,弹簧 收缩,抱闸 抱紧,抱紧 制动轮,电机 制动,启动过程：,制动过程：,第261页习题：7.5.1 7.5.2 7.5.3 讨论题：7.5.9,作 业,第 7 章 结 束,
