1、6.1 磁路及其分析方法 6.2 交流铁心线圈电路 6.3 变压器 6.4 电磁铁,返回,第6章 磁路与铁心线圈电路,本章要求：,2. 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；,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；,4.了解三相电压的变换方法；,1. 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，会分析计算交流铁心线圈电路；,磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率等几个物理量表示。,一、磁感应强度,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁 感线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向。,B的单位：特斯拉（T）1T10
2、4Gs 的单位：韦伯,矢量,6.1.1 磁场的基本物理量,6.1 磁路及其分析方法,二、磁通磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积， 称为通过该面积的磁通。,如果 磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同， 这样的磁场则称为均匀磁场。,BS,的单位：伏秒，通称为韦伯 Wb或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx,三、磁场强度,磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和磁导率之比。,H的单位：安米 的单位：亨米,矢量,电流方向和磁场强度的方向 符合右螺旋定则，电流取正； 否则取负。,安培环路定律（全电流定律）：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.即,
3、在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可写成：,其中,l x2 x是半径为x的圆周长 Hx是半径 x 处的磁场强度 FNI即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势单位为安培（A）,四、磁导率磁导率 是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量 物质导磁能力的物理量。,真空中的磁导率为常数,一般材料的磁导率 和真空磁导率 0 的比值，称为 该物质的相对磁导率 r,或,返回,五、 物质的磁性,1. 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
4、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。,由于, 0 r 1,B = 0 H,( ),( I ),2. 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。,磁 畴,外 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,讨论,磁场内某一点的磁场强度H与有关吗？,由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小
5、、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与 无关,磁性材料的磁性能：高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,一、高导磁性指磁性材料的磁导率很高， r1，使其具有 被强烈磁化的特性。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。,6.1.2 磁性材料的磁性能,二、磁饱和性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性 材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致， 磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。,注,当有磁性物质存在时 B与H不成比例，与I也不成比例。,BJ 磁场内磁性物质
6、的磁化磁场的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的 B-H 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增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成 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。,磁化曲线,B和与H的关系,三、磁滞性当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化） 时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化， 当H已
7、减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞 后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,磁滞回线,剩磁：当线圈中电流减到零 （H0），铁心在磁化时所 获的磁性还未完全消失，这 时铁心中所保留的磁感应强 度称为剩磁感应强度Br。矫顽磁力：Hc,几种常见磁性物质的磁化曲线,根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料：磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等永磁材料：磁滞回线宽。常用做永久磁铁矩磁材料：磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件,返回,一、磁路的概念,6.1.3 磁路的分析方法,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其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分
8、经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,二、磁路的欧姆定律,对于环形线圈,磁路的 欧姆定律,说明,F=NI为磁通势 Rm为磁阻 l为磁路的平均长度 S为磁路的截面积,磁路与电路对照,磁路,电路,磁通势F,电动势E,磁通,电流I,磁感应强度B,电流密度J,磁阻Rm,电阻R,磁路分析的特点,(1)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；,(2)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；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 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
9、；,(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁 心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的 磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通 所需的磁通势FNI。计算均匀磁路要用磁场强度H，即NIHL，如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组 成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成NIH1 L1H2 L2（H L）,如：由三段串联而成的继电器磁路,解,（1） H19000A/m, I1 H1 L/N=9000*0.45/300=13.5A,（2） H2260A/m I2 H2 L/N=260*0.45/3
10、00=0.39A,若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，可使铁心的用铁量大为降低,结论,解,磁路的平均长度为 L（1015）2） 39.2cm 查铸钢的磁化曲线，当B0.9T 时，H1500Am 于是 H1L1500*(39.2-0.2)*0.01=195A空气隙中的磁场强度为H0B0 00.9（4 *107）7.2*105A/m,H07.2 *105 *0.2 *10-21440A 总磁通势为 NI（H L）H1 L1H0 19514401635A 线圈匝数为 NNII1635,若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心 材料，可使线圈的用铜量大为降低当
11、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，必须增大励磁电流（线圈匝数 一定）,结论,返回,小结,1. 磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率；磁性材料的磁性能：高导磁性、磁饱和性、磁滞性,3.NIH1 L1H2 L2（H L）,2.磁路的欧姆定律,6.2 交流铁心线圈电路,一、电磁关系,二、功率损耗I=U/R 铜损PCu =I2R,直流铁心线圈,U-I(NI)- 恒定|_ 漏磁,交流铁心线圈电路,一、电磁关系,（磁通势）,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, i，,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。, 和 L 与 i
12、的关系,注,励磁电流 i 与 之间线性 关系i 与 之间不存在线性关系,二、电压电流关系,设主磁通 则,铁心中磁感应 强度的最大值,铁心截面积,有效值,最大值,三、功率损耗,1.铜损PCu：线圈电阻R上的功率损耗。,返回,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,Pcu = RI2,2.铁损PFe：铁心在交变磁通的作用下，由磁滞和 涡流产生的功率损耗。包括磁滞损耗Ph 和涡流损耗Pe。,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。,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
13、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。,(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。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,6.3 变压器,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
14、耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I Rl,I S,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：,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,变压器的分类,变压器的结构,广东东莞荔湾站 SFPSZ-180000/220壳式变压器,一、变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,利用两个线圈匝数的比例关系来改变电压的大小,(1) 空载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,(2) 带负载运行情况,1. 电磁关系,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
15、绕组磁通势共同产生的合成磁通。,2. 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) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻;X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,对二次侧，根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,式中 R2 为二次绕组的电阻;X2=L2 为二次绕组的感抗； 为二次绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压器
16、空载电压。,故有,三相电压的变换,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-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方式,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:,（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：,3. 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m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有,不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,由上式，若U1、 f
17、不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,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,4. 阻抗变换,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。,（1）匝数比为,信号源输出功率为,（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？,例题6.3.1,（2）当将负载直接接在信号源上时,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：,1） 变压器的型号,5.变压器的铭牌和技术数据,2） 额定值, 额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（
18、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。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,2) 额定值,U20：原边加额定电压时副边的开路电压。 电压变化率：,二、变压器的外特性U1和 为常数时，副边输出电压和输出电流的关系U2f（I2），称外特性曲线。,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。,三、变压器的损耗与效率变压器的功率损耗包括铁心中
19、的铁损PFe 和绕组上的铜损PCu。,变压器的效率：,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时， 最大。,四、特殊变压器,1.自耦变压器,结构特点:二次绕组是一次绕组的一部分,2.电压互感器,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。,注意！,实现用低量程的 电压表测量高电压,被测电压= 电压表读数 N1/N2,3.电流互感器,注意！,1. 副边不能断开，以防产生高电压； 2. 铁心、二次绕组的一端接地，以防在 绝缘损坏时，在副边出现过压。,实现用低量程的 电流表测量大电流,被测电流= 电流表读数 N2/N1,五、变压器绕阻
20、的极性,当电流流入(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。,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关。,1. 同极性端 ( 同名端 ),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：,(1)交流法,(2)直流法,若 ，则1、3为同名端；若 ，则1、4为同名端。,若毫安表正偏 ， 1、3为同名端；若毫安表反偏，1、4为同名端。,3. 同极性端的测定方法,线圈,铁心,衔铁,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。,电磁铁吸合过程的分析：,在过程中若外加电压不变， 则基本不变,6.4 电磁铁,电磁铁的吸力,气隙截 面积,气隙 磁感应强度,交流电磁铁中磁场是交变的，设,直流电磁铁：铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线 圈电阻有关，不因气隙大小而变。交流电磁铁：铁心由钢片叠成，可减小铁损；其在吸 合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。,吸力为：,平均值为：,返回,
