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1、第 6 章,磁路与变压器,6.1 磁路中的基本物理量,6.2 铁磁材料,6.3 磁路的基本定律,6.4 铁心线圈,6.5 变压器,*6.6 电磁铁,内 容, 重点,6.1 磁路中的基本物理量,磁通,磁感应强度B,磁场强度H,磁导率,磁 路基本物理量,磁 通 ,垂直穿过某一截面 S 的磁力线的总数反映磁力线的多少,单位：韦伯Wb,磁感应强度B,磁感应强度是一个矢量，它表示磁场中某一点磁场强弱和方向的物理量。,B 的方向：与产生它的励磁电流的方向之间满足右手螺旋定则即：4 指指向励磁电流的方向，大拇指指向B 的方向。,单位: 特斯拉(T),B 的大小：,磁场强度H,磁场中某点的磁感应强度B 与该点
2、的磁导率 的比值定义为该点的磁场强度H。,单位：安 / 米 (A / m),磁导率,磁导率 ：反映物质导磁能力的物理量,物质,导磁性能,真空磁导率：,非铁磁物质：导磁能力很弱,铁磁物质/铁磁材料：导磁能力很强,单位：亨利/米(H/m),相对磁导率r：物质的磁导率 与真空磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r。,是一个常数,6.2 铁 磁 材 料,(1) 高导磁性,(2) 磁饱和性,铁磁材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,铁磁材料具有很高的导磁能力：相对磁导率r1，可达数百、数千甚至数万。,铁磁物质的磁化曲线(即：B-H 曲线)由实验方法测得，如图所示。,一、铁磁材料的特性,磁化曲线说明：铁磁材
3、料的磁导率不是一个常数。磁饱和现象的存在使得磁路分析问题成为非线性问题，因此，磁路分析要比电路分析复杂得多。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段: B 随H 的增加比较缓慢； ab段: B 与H 几乎成正比地增加； bc段: B 的增加缓慢下来； cd段: B 随H 增加很少，达到磁饱和。,磁化曲线：就是磁感应强度B 与磁场强度H 的关系曲线，是进行磁路计算不可缺乏的资料，它由实验方法获得。,几种常见磁性物质的磁化曲线,a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片,下面给出三种常用铁磁材料的B-H 曲线,(3) 磁滞性,剩磁,矫顽力,磁滞现象：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度H 的交变，磁
4、感应强度B 将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,注：图中箭头表示反复磁化的过程,磁滞回线,剩磁Br：当 H = 0 时，B 并不等于 0，而是等于Br，即它仍然保留一定磁性，叫剩磁。,矫顽力Hc：为了消除剩磁，必须外加反向磁场。当外加反向磁场H=Hc时，B=0。Hc称为矫顽力。,二、铁磁材料的分类,铁磁材料,软磁材料,硬磁材料,矩磁材料,特点,易磁化易退磁,较小矫顽力,磁滞回线窄,电机、变压器、继电器、电表的铁心,磁滞回线较宽,较大矫顽力,剩磁很大,永久磁铁,较小矫顽力,较大剩磁,磁滞回线矩形,稳定性好,记忆
5、元件、开关元件 逻辑元件,磁路：主磁通所经过的闭合路径,主要由铁心构成。,6.3.1 磁路,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,6.3 磁路的基本定律,再如绕在铁心上的线圈通以较小的电流（励磁电流），便能得到较强的磁场，磁通的绝大部分通过铁心构成回路，这种磁通的路径称为磁路。,I,N匝,6.3.2 磁路的安培环路定律(全电流定律),基本内容：在磁路中，磁场强度H 沿任一闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围电流的代数和，即,当电流的方向与闭合路径的积分方向之间满足右手螺旋定则时，电流取正号，反之取负号。,适用于任意磁场。,I,N匝,若：某环形线圈如图，,故：,若：沿积分路径可将磁路分成
6、n 段，且每段中磁场强度H 的大小不变，则定律表示为,适用于均匀磁场,适用于分段均匀磁场,三、磁路的欧姆定律,磁 阻,磁动势,（定性分析）,上式就是磁路的欧姆定律。,不是常数,表 磁路和电路的比较,I,N,R,+,_,E,I,U,(待续),(续上页),表 磁路和电路的比较,磁路计算举例,一般已知磁通量，求磁动势，分析步骤如下：,1.计算各段磁路的磁感应强度，磁通是闭合的。2.计算各段磁场强度，空气隙根据公式计算，铁磁性 物质查磁化曲线。3.计算总磁压降，即磁动势。4.根据F=IN计算出励磁电流。,例：如图所示线圈为直流铁心线圈，其铁心由铸钢制成。铁心尺寸为：S1=20cm2，l1=45cm，S
7、2=25cm2， l2=15cm， l3=2cm，空气隙厚度=0.1cm。现要产生=2.810-3Wb的磁通量，若用直流励磁，求所需要的磁动势F。解：第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感应强度。,第二步：根据B1、B2值，查铸钢的磁化曲线，找出对应的磁场强度H1、H2，得H1=2.1103A/m H2=1.1103A/m,空气隙的磁场强度H0可计算为,第三步：计算各段的磁压降H1l1=2.1103A/m0.45m=0.945103AH2l2=1.1103A/m0.15m=0.165103A2H2l3=21.1103A/m0.02m=0.044103A2H0=211.14105A/m0.001m
8、=2.228103A,第四步：求出总的磁动势 F=NI=Hl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0 =（0.945+0.165+0.044+2.228）103 =3.382103A,可以看出，空气隙尽管很小，但由于空气的导磁率很小，磁阻很大，所以这段的磁压降很大。,6.4 铁 心 线 圈,6.4.1 直流铁心线圈,1、电磁关系,（主磁通）,线圈,铁心,（漏磁通）,（R 为线圈的电阻）,6.4.2 交流铁心线圈,1、电磁关系,（主磁通）,线圈,铁心,（漏磁通）,2、伏安关系,根据基尔霍夫电压定律，得铁心线圈电路的电压方程为：,线圈内阻R 很小,很小,则由电磁关系有：,设：,当u 为正弦量时，相
9、量形式为：,这是一个重要常用公式：它将电和磁联系在一起，反映了电与磁之的关系。 它表明:当线圈匝数N 及电源频率f一定时，主磁通的大小只取决于外加电压的有效值U。,注意,即 f , N一定时,外加电压大小不变, 主磁通大小不变,3、功率损耗,总损耗,铜损,（铁损）,磁滞损耗,涡流损耗,（1）铜损,当在铁心线圈中加交流电压时，线圈自身的电阻R要消耗功率，这叫铜损。,R为线圈自身的电阻,（2）铁损,交变的磁场在铁心中产生的功率损耗称为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗。, 磁滞损耗,磁滞损耗是由磁滞现象引起。,（S 为磁滞回线包围的面积）,为减小磁滞损耗对铁心发热的影响，常选用磁滞回线狭小的软磁性材料硅
10、钢制造变压器和交流电机中的铁心。, 涡流损耗,减小涡流损耗的常用的方法有两种：,a.铁心采用彼此绝缘的硅钢片顺着磁场的方向叠成，如图所示。,b.采用电阻率高的铁心，例如硅钢、铁氧体等。,涡流将引起铁心发热，从而产生能量损耗，称为涡流损耗。,6.5 变 压 器,变压器的功能：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离作用。,变压就是由变压器完成，所以变压器的首要功能是变压。,变压器的工作原理：电磁感应原理：电 磁 电。,变压器应用举例,6.5.1 变压器的构造和分类,变压器的符号,变压器的构造,电源侧,负载侧,单相心式变压器,变压器分类,按用途,按相数,单相变压器,三相变压器,按制造方式,壳式变压器,心
11、式变压器,电力变压器 (输配电用),仪用变压器,整流变压器,2.变压器的分类,按电压变换,升压变压器,降压变压器,三相变压器,单相变压器,三相自耦变压器,环形变压器,三相干式变压器,油浸式变压器,6.5.2 变压器的工作原理,1. 变压器的空载运行:,电磁关系：,原边接入电源，副边断开。,：原边绕组漏电感,根据 KVL 有：,原边：,副边：,很小,很小,设铁心内的主磁通为：,，则,根据上面的KVL方程，,一次侧电压与二次侧电压之比为,变比,K1, N1N2, 降压变压器,K1, N1N2, 升压变压器,2. 变压器的负载运行,电磁关系：,根据KVL有：,原边：,副边：,很小,很小,同样，设铁心
12、内的主磁通为：,，则,根据上面的KVL方程，,一次侧电压与二次侧电压之比为,思考,变压器在空载运行和负载运行两种情况下，铁心中的主磁通分别由什么产生？,3.变压器的三大功能,(1).电压变换,(2).电流变换,磁动势平衡方程,根据变压器的工作原理，有,（负载运行时）,（空载运行时）,根据变压器的工作原理，有,变(压)比,(3).阻抗变换,可见，变压器具有阻抗变换作用。,例题,设交流信号源电压,内阻,负载,(1) 将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？,(2) 经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？ 变压器变比是多少？,选择变压器合适的匝数比，可把负载阻抗变换为合适的数值，以使其得
13、到最大的功率。这种做法称为阻抗匹配。,变压器变比为：,(1) 负载直接接信号源时，负载获得的功率为,解：,(2)根据最大功率传输定律，要负载获得最大功率，必须使外接等效负载电阻等于信号源的内阻，即 负载上获得的最大功率为,结论：通过设置合适的变压器变比，可以在电路中实现阻抗匹配，从而使负载获得最大输出功率。,额定电压,额定电流,额定容量,原边额定电压U1N,正常工作时原边绕组所加电压的有效值。,副边额定电压U2N,指在U1N的作用下，变压器空载时副边绕组的电压有效值，即U20= U2N,原边额定电流I1N,指原边加额定电压时，原边绕组允许长期通过的最大电流有效值。,负边额定电流I2N,指原边加
14、额定电压时，副边绕组允许长期通过的最大电流有效值。,指副边输出的额定视在功率，,即：,6.5.3 变压器的额定值和外特性,（1） 变压器的额定值,（2）变压器的外特性,外特性：实际变压器由于漏磁通和绕组电阻的存在，U2要随I2 的变化而变化，它们的变化关系称为。,电压调整率(从空载到满载)：,电压调整率反映电压U2 的变化程度。通常希望U2 的变化愈小愈好，一般变压器的电压调整率约在5% 左右。,（1）变压器的损耗,（2）变压器的效率,（电路中）,（总损耗）,（磁路中）,（可变损耗）,（不变损耗）,变压器的效率等于输出有功功率P2 与输入有功功率P1 之比，即：,6.5.4 变压器的损耗与效率
15、,6.5.5 变压器绕组的极性,现有一个负载的的额定电压分别为3 V和15 V，副边绕组应如何连接才能满足要求？,为了正确联接两个绕组，必须事先判明两个绕组的同极性端（同名端）。,某三绕组变压器如图所示。,当电流流入(或流出）两个绕组时，若产生的磁通方向相同，则这两个流入端称为同极性端（同名端）。,同极性端(同名端),绕向相同,绕向相反,（1）已知绕组绕向的判断,测定方法：将开关S 闭合，如果S 闭合瞬间电流表的指针正向偏转，则1 和2 是同极性端；如果电流表指针反向偏转，则1 和2 是非同极性端。,（2）未知绕向绕组的同极性端判断,若变压器外引出线上没有注明同极性端，则要使用实验的方法测定绕
16、组的同极性端。下面介绍常用的直流测定法。,异名端相连,串绕 电压取和,若负载的的额定电压分别为9V, 6V, 15V, 3V,副边的绕组如何使用才能满足要求？,同名端相连,反绕 取电压之差,副边绕组的连接使用,原边绕组的连接使用,设变压器的原边有两个完全相同的绕组，额定电压为110V，额定电流为5A,当电源电压为220V时，需将两个绕组串联使用 原则：异名端相连，另两端接电源。 即2 和3 端短接，1 和4 接电源，如图：,当电源电压为110V，电流为10A时，需将两个绕组并联使用 原则：同名端分别相连后接电源 即1 和3 短接，2 和4 短接，再将两个短接点接电源，如图：,设变压器的原边有两
17、个完全相同的绕组，额定电压为110V，额定电流为5A,不论串联与并联，如果两绕组的极性端接错，结果有可能烧毁变压器,在同极性端不明确时，一定要事先测定同极性端再通电。,注意,6.5.6 其他变压器,1. 三相变压器,油浸式三相变压器外形结构,三相变压器原理图,下面是三相变压器绕组的三种连接方式,(a) Y0 连接,(b) YY0 连接,(c) Y 连接,2. 自耦变压器,三相自耦变压器外形图,（自耦）调压器外形图（一种可调式自耦变压器）,自耦变压器原理图,自耦变压器原边、副边绕组间不仅有磁的耦合， 而且也有电的连接。,原边、副边绕组的电压和电流关系：,自耦变压器无隔离作用,(1). 电流互感器
18、: 用于测量大电流,电流互感器实物图,电流互感器原理图,1.使用时，副边绕组不允许开路，防止产生高压。,注意,3. 仪用变压器,2.铁心、副边绕组的一端接地，以防绝缘损坏时发生危险,钳行表,它是一个与电流表配装在一起的、磁路可以开合的电流互感器。,适用于流动作业以及要求不断开被测电路而进行电流测量的场所。,(2). 电压互感器: 用于测量高电压,电压互感器实物图,电压互感器原理图,使用时，电压互感器的副边必须接地，且不能短路。,注意,N1（匝数多）,N2（匝数少）,（被测高电压）,*6.6 电 磁 铁,电磁铁是利用通电流的线圈产生电磁吸力使衔铁运动来工作的，是自动控制系统中广泛应用的一种执行元
19、件。,按励磁电流的不同分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。,铁心,衔铁,线圈,线圈,衔铁,铁心,衔铁,线圈,铁心,电磁铁的几种类型,一、直流电磁铁,电磁吸力的大小,直流电磁铁线圈的励磁电流仅与所加电压和线圈电阻有关，与衔铁的运动过程无关，,电磁吸力随气隙的减小而增大。因为气隙减小，磁路的磁阻减小，由于磁通势不变，所以，磁通增大，磁感应强度亦增大，故电磁力随之增大。,二、交流电磁铁,设磁感应强度,则,由电磁吸力的波形可见，吸力在0与Fm之间脉动。衔铁以两倍电源的频率在进行机械振动，发出噪声，同时触点容易损坏。,阻尼环,为了防止振动，可在铁心的部分端面上安装阻尼环。,阻尼环一般采用导电性能良好的紫铜材
20、料，受交变磁通的感应，环中产生滞后磁通的感应电流。因此，阻尼环的磁通 与环外铁心部分中的磁通 存在一相位差，使两部分的磁通和吸力不同时为零，使总的吸力总是不为零，从而消除震动和噪声。,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：,启动过程：,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,制动过程：,小结,磁性材料的磁性能、用途磁路中的基本物理量磁路定律：磁路欧姆定律、全电流定律直流铁心线圈中电磁关系交流铁心线圈中电磁关系变压器的变换作用各种特殊变压器绕组同极性端,第6章作业,P169：45689,
