1、第6章 磁路与变压器,6.1 磁路的基本物理量和基本性质 6.2 磁路的概念及磁路的安培环路定律 6.3 交流励磁下的铁心线圈 6.4 电磁铁 6.5 变压器,、了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律；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；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及其应用知识；,本章要求：,、理解磁场的基本物理量的意义，理解变压器额定值的意义；,3、掌握交流铁心线圈电路的分析方法；掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用。,6.1 磁路的基本物理量和基本性质,磁路：,磁通所通过的由铁磁材料构成的路径（包括空气隙在内）,铁心,线圈, 主磁通,
2、漏磁通,6.1.1 磁场的基本物理量,1.磁感应强度B,定义：,方向：,大小：,单位：,分类：,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量,和电流之间符合右手螺旋法则,均匀磁场 非均匀磁场,特斯拉(T)，1T =,2.磁通,定义：,方向：,大小：,单位：,穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数， 又成为磁通密度,与磁感应强度B方向相同,韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,感应电动势与磁通的关系,3.磁场强度H,定义：,介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比。,大小：,单位：,安培/米（A/m),4.磁导率,定义：,表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。,大小：,单位：,亨/米（H/m）,
3、相对磁导率r,任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,定义：,大小：,物质的分类：根据相对磁导率 r的大小，将物质分为三类,6.1.2磁性材料的特性、磁导率和磁化曲线,非铁磁物质，,即B与H成正比,铁磁物质，具有下列磁性能：,1.高导磁性：,铁磁材料的磁导率很高，其相对磁导率r远大于1，可达数百、数千、直至数万。铁磁材料在磁场中可被强烈磁化（呈现磁性）。,磁 畴,磁 畴,外 磁 场,应用：变压器、电动机等,2.磁饱和性，磁化曲线,对于磁性材料，因为磁导率不是常数，所以B与H是非线性关系。,磁性材料的磁饱和性用它的磁化曲线来描述。其磁化曲线如图所示。,a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片,O,几
4、种常见磁性材料的磁化曲线,3.磁滞性，磁滞回线,Br,Hc,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。,软磁材料：,永磁材料：,矩磁材料：,具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、变压器和电器的铁心。,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。,具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也较好。常用于计算机和控制元件。,铁磁物质,6.2 磁路的概念及磁路的安培环路定律,6.2.1磁路,在电机、变压器和各种铁磁元件中常用铁磁材料做成各种形状的铁心，这样，线圈中较小的励
5、磁电流即可产生较大的磁通，从而得到较大的感应电动势或电磁力。铁心的磁导率比周围空气和其它物质的磁导率高得多，因此绝大部分磁通经过铁心形成闭合通路，磁通所通过的由铁磁材料构成的路径称为磁路，沿整个磁路的磁通均匀相同。,图6.2.1 环形磁路,6.2.2磁路的安培环路定律,以图6.2.1为例，根据安培环路定律,可以得出,上式中线圈匝数与电流的乘积NI称为磁通势，用字母F表示，即,将和B=/S代入式（6.2.1），得,（6.2.1）,（6.2.2）,磁路欧姆定律,磁阻,磁通势,磁通势 磁通 磁感应强度磁阻,电动势 电流 电流密度电阻,表6.2.1 磁路与电路对照表,图6.2.2 继电器的磁路,6.2
6、.3 磁路的分析计算,对均匀磁路而言,如果磁路是由不同的材料或不同长度和截面积的几段组成，即磁路由磁阻不同的几段串联而成 。如图6.2.2所示,则,称为磁路各段的磁压降,称为磁路各段的磁压降,. 串联磁路（给定，求NI）,串联磁路:磁路由多段不同材料组成一个回路，中间无分叉,根据磁路的连续性原理，串联磁路中各段的磁通都是相同。,步骤:,(1) 用公式计算每一段的磁感应强度。,(2) 从-曲线上，查出每段的 对应的磁场强度， 对空气隙的磁场强度H0。应用公式H0=B0 /0计算。,(3) 用安培环路定律计算所需磁通势NI。,(4) 用计算出的磁通势NI再求所需要的线圈电流或线圈匝数。,【例6.2
7、.1】一个具有闭合的均匀铁心的线圈，其匝数为380，铁心中的磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度45cm,试求：（1）铁心材料为铸铁时线圈中的电流；（2）铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,首先从图6.1.5中的磁化曲线查出磁场强度，然后根据式（6.2.1）算出电流,(1),(2),可见由于所用铁心材料的不同,要得到同样的磁感应强度,则所需要的磁通势或励磁电流的大小相差就很悬殊.因此,采用磁导率高的铁心材料,可使线圈的用铜量大为降低.,如果在(1)、(2)两种情况下,线圈中通有同样大小的电流0.39A,则铁心中的磁场强度是相等的,都是260A/m.。但从图6.1.5的磁化曲线可以查出的,，
8、,两者相差17倍，磁通也相差17倍。在这种情况下，如果要得到相同的磁通，对于铸铁铁心的截面积就必须增加17倍。,因此，采用磁导率高的铁心材料，可以使铁心的用铁量大为降低。,2. 串联磁路（给定NI，求）,已知NI求有两种情况。一种是比较特殊的情况，就是只有一个线圈、一种材料，此时可以直接将求出。另一种是比较常见的情况，就是含有两种以上的材料，这类题目比较难解，常用“试凑法”来解。,3. 串并联磁路（给定，求NI）,图6.2.3 串并联磁路,如图6.2.3所示，磁路在b处有分叉，分为一个支路bg和一个支路bcdefg，这两个支路是并联关系，称为并联磁路。串、并磁路的计算要利用磁通的连续性原理和安
9、培环路定律。,6.3 交流励磁下的铁心线圈,. 电压与磁通的关系,线圈,铁心,磁通势,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通，i与之间不存在线性关系,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通, i，,铁心线圈的漏磁电感,铁心线圈的主磁电感不是一个常数，因此，铁心线圈是一个非线性电感。,根据基尔霍夫定律有,当 u 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：,铁心线圈的电阻,漏磁电感,一般铁心线圈的漏磁通很小，故由其产生的感应电动势可以忽略不计,线圈的导线电阻也很小，则由其产生的电压降也可以忽略不计,因此,由法拉第电磁感应定律和楞次定律，有,因此,设,则,故电压u和感
10、应电动势的有效值为,. 电流与磁通的关系,磁化曲线,与的关系,S为常数,N为常数,磁化曲线,与的关系,当励磁电压u为正弦波时，励磁电流i是非正弦波，励磁电压u与励磁电流i不是线性关系,铁心线圈是非线性元件,6.3.2 功率损耗和等效电路,在交流铁心线圈的电路计算中，用一个等效的正弦电流来替代这个周期性非正弦电流，即仍然将电流i作为正弦波来处理（例如电压的计算、功率的计算都直接引用正弦交流电路的计算公式)。,. 交流铁心线圈的功率损耗,铜损耗,铁损耗,(1) 铜损耗,圈导线电阻上的损耗，称为铜损耗,，且,(2) 铁损耗,涡流损耗, 磁滞损耗 :,磁性材料在交流磁化时由于磁滞现象而发生的能量损耗,
11、将变成热能使磁心发热,大小：与磁滞回线所包围的面积成正比, 涡流损耗,涡流：当磁性材料被交流磁化时将产生交变的磁通，交变的磁通会在垂直于磁力线方向的铁心截面上感应出闭合的交流电流,由涡流使铁心发热而产生的能量损耗,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。,交流铁心线圈的铜损耗和铁损耗的总和就是交流铁心线圈的有功功率,. 交流铁心线圈的等效电路,为了简化磁路的计算，常用一个等效电路模型来代替交流铁心线圈电路,等效的条件：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,先将实际铁心线圈的线圈电阻R、漏磁感抗X分离出来，得到用理想铁心线圈表
12、示的电路,实际铁心线圈电路,线圈电阻,漏磁感抗,理想铁心线圈电路,但理想的铁心线圈电路的铁心中仍有能量的损耗和能量的储放（储存与放出）。因此可以将这个理想的铁心线圈交流电路用具有电阻,和,的一段电路来等效代替,和铁心中能量损耗（铁损）相应的等效电阻,和铁心中能量储放（与电源发生能量互换）相应的等效感抗,【例6.3.1】有一个交流铁心线圈，电源电压为220，电路中电流4，功率表的读数100，频率f=50HZ,漏磁通和线圈电阻上的电压降可以忽略不计,试求：（1）铁心线圈的功率因数；（2）铁心线圈的等效电阻和感抗。,解：,（1）,（2） 铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻,等效感抗,【例6.3.2】要
13、绕制一个铁心线圈，已知电源电压220，频率f50HZ，今量得铁心截面为30.2cm2，铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91（一般取0.9-0.93）。,（1）如取Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少？ （2）如磁路平均长度为60cm，问励磁电流应多大？,解：,铁心的有效面积为,（1） 线圈匝数可根据式（6.3.5）求出，即,（2）从图中可以查出，当Bm=1.2T时，Hm=700A/m， 所以,. 电磁铁,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。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消失，衔铁或其他零件即被释放。,组成,衔铁
14、,线圈,铁心,铁心,铁心,铁心,线圈,线圈,线圈,衔铁,衔铁,衔铁,1、电磁铁的几种常见形式,2、电磁铁的应用, 制动机床和起重机的电动机,优点：避免由于工作过程中的断 电而使重物滑下所造成的事故, 电磁继电器和接触器,3. 电磁铁吸力的计算,基本公式：,气隙的截面积,气隙中磁感应强度,交流电磁铁的吸力：,磁场是交变,设,则吸力由式6.3.1和6.3.2有,吸力的波形,吸力的平均值,吸力在零与最大值m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,措施：在磁极的部分端面上安装一个分磁环,分磁环（或称短路环）中产生感应的电流，会阻碍磁通的变化，使在磁极两部分中的磁通与之间产生一相位差，因而磁极各部分的吸力也就不会同时降为零，两者合成后的电磁吸力在任何时刻都始终大于某一定值，这就消除了衔铁的颤动，当然也就消除了噪音。,一般短路环包围的铁心端面,铁心是由硅钢片叠成，以减小铁损,交流电磁铁的吸力：,励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙的大小而变,其吸力依据基本公式直接求取,即,
