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1、,章,磁场与电磁感应,4-8,磁路欧姆定律,一、铁磁材料,1,、磁化：使原来没有磁性的物质具有磁性的过程。,2,、铁磁材料：磁化后，外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态,而具有磁性的物质。（只有铁磁材料,才能被磁化）,3,、铁磁材料的磁化过程：,先让学生观看动画,.,解释：铁磁物质可以看做是由许多被称为磁畴的小磁体所组成,的。无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性互相抵,消，对外不显磁性；在外磁场作用下，磁畴就会沿着外,磁场方向变成整齐有序的排列，所以整体就有了磁性。,4,、铁磁材料分类：,硬磁材料：不易磁化，不易退磁。,软磁材料：易磁化，易退磁。,矩磁材料：很易磁化，很难退磁。,知识回顾,1
2、,、什么是电路？,2,、电路欧姆定律、电阻定律,?,3,、磁感应强度的公式？,电流流通的路径,二、磁路,1,、概念：磁通所通过的路径称为磁路。,2,、磁路组成：线圈、铁芯物质做,成的芯子。,演示,有分支磁路,无分支磁路,磁动势,Fm,三、磁路的欧姆定律,说明：与电路类似，磁路也有欧姆定律,平均长,l,线圈,N,匝,I,N,磁,通,磁导率,截面积,S,磁阻,Rm,电压,U,电阻,R,电流,I,磁通,=BS,m,m,R,F,?,?,NI,F,m,?,S,l,R,m,?,?,通过线圈的电流,I,和线圈,匝数,N,的乘积,磁阻就是磁通通过磁路,时受到的阻碍作用,R,U,I,?,电路的欧姆定律,磁动势,
3、磁阻,磁通,=BS,例题：铸钢圆环上绕有线圈,800,匝，通有,2A,电流，环,平均周长为,0.5m,，截面积,3.25,10-4m2,求线,圈磁动势、磁阻和磁通。（硅钢片的磁导率,为,7500H/m),m,m,R,F,?,?,NI,F,m,?,S,l,R,m,?,?,几点说明：,1.,磁阻,Rm,的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,S,l,R,m,?,?,2.,很大，但不是常数，因此,也不是常数。所以磁,路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。,?,m,R,3.,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。,四、磁路与电路的区别和联系,电,磁,电阻,R=,(L/S),磁,阻,R,m,
4、=L/,s,电阻率,磁导率,电动势,E,磁动,势,E,m,=N,电路欧姆定律：,=,E/R,磁路欧姆定律：,=,E,m,/,R,m,电流,磁通,路,路,F,m,F,m,第二节,五、电磁铁,1,、电磁铁构造,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,衔铁,2.,工作原理：,通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力,请看通电演示,3.,吸力,电磁铁应用？,4.,电磁铁的分类,直流电磁铁,交流电磁铁,线圈中通入直流电,i,N,线圈中通入交流电,注意：即使是额定电压相同的交、直流电磁铁，也决不能互换使用,电磁铁的特点,1.,励磁电流是由励磁线圈的外加电压,U,和线圈电阻,R,决定的,R,U,I,?,2.,无磁滞和涡流损耗，
5、铁心可以使用整块的铸钢、软铁。,电流是恒定的，无感应电动势产生。,3.,吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变。,（因磁动势,NI,不变，磁阻,Rm B,，所以吸力,F,）,1.,电流恒定，无感应电动势产生。,2.,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,铁心,线圈,衔铁,直流电磁铁通电演示,衔铁的吸合应是瞬间完成,通电演示,铁心,线圈,衔铁,返回,以下备用,4-8,交流电磁铁,铁心,线圈,衔铁,交流电磁铁也是一种电磁器件，结,构形式与直流电磁铁类似。在工业,部门应用极为广泛。如冶金工业中,用于提放钢材的电磁吊车；夹持工,件的电磁工作台；传递动力的电磁,离
6、合器；液压传动中的电磁阀；交,流接触器及接触器等。,#,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,交、直流电磁铁的特点,4-8,#,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,1.,电流恒定，无感应电动势产生。,2.,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,直流电磁,铁特点,返回,磁路基础知识,磁路基础知识,磁路基础知识,磁路基础知识,磁路基础知识,磁
7、路基础知识,磁路基础知识,磁路基础知识,磁路欧姆定律,磁通所通过的路径称为磁路。,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路与电路的比较,电磁铁,电磁铁,电磁铁,电磁铁的实际应用,第八章,铁心线圈与变压器,作者：,GSQ,第八章,铁心线圈与变压器,第一节,磁路的基本概念和定律,第二节,直流铁心线圈与直流电磁铁,第三节,交流铁心线圈与交流电磁铁,第四节,单相变压器,#,第八章,铁心线圈与变压器,本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。,在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。,第一节,磁路的基本概念和定律,电动机、继电器、电磁铁及变压器等
8、电器都是基于电磁耦合,的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。,一、磁场的基本物理量,1.,磁通,2.,磁感应,强度,B,3.,磁场,强度,H,4.,导磁,系数,#,8-1,一、磁场的基本物理量,垂直穿过某一面积,S,的磁力线的总根数。韦伯,wb,穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉,T,wb/m2,磁场中某点的,B,与该点的磁导率,的比值。,BS,B,S,?,?,?,?,或,?,?,H,B,H,B,?,?,或,1.,磁通,2.,磁感应,强度,B,3.,磁场,强度,H,4.,导磁,系数,0,?,?,?,?,r,0,?,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,r,?,无量纲,真空
9、导磁系数,第一节,磁路的基本概念和定律,安,/,米，,A/m,A/cm,#,8-1,磁动势,第一节,磁路的基本概念和定律,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,与电路类似，磁路也有各种定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,?,?,?,I,Hdl,沿任一闭合路径，,H,的线积分等于包,围在这闭合路径内各电流的代数和,若磁场均匀则有,NI,Hl,?,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,无分支磁路,平均长,l
10、,线圈,N,匝,I,N,磁通,导磁系,数,截面积,S,根,据,S,B,B,H,NI,Hl,/,/,?,?,?,?,?,得,S,l,NI,?,?,?,磁路欧姆定律,磁阻,Rm,基尔霍夫定律,#,8-1,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,有分支磁路,I1,N,1,I2,N,2,1,2,3,1.,磁路的基尔霍夫磁通定律,在节点,A,处,A,1+2,-,3=0,2.,磁路的基尔霍夫磁压降,定律,任一闭合回路中均有：,?,?,?,NI,R,m,?,或,?,?,?,N
11、I,Hl,磁压降的代数和等于磁动势的代数和,#,8-1,I,N,H,（,I,）,B,（,）,a,b,c,B,铁磁材料,B-H,，,-H,曲线,从曲线上能明显看出，,不是常数,导磁性,工程上利用它来使,磁通尽量地约束在有限的范围,内，提高电磁设备的利用率，,一般使用,B-H,曲线的,ab,段。,磁滞,B,的变化滞后于,H,的变化,如曲线的,oa,段,o,磁饱和,当,H,达到一定程度，,B,不再随,H,而增加，此为磁饱和。,如曲线的,cs,段。,s,若对铁心线圈而言，磁饱和意为,当电流,I,增加到一定程度，,不再随之增加。,关于磁滞,祥看请点击,#,三、磁性材料的磁性能,8-1,8-1,几点说明：
12、,1.,磁阻,Rm,的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,S,l,R,m,?,?,2.,很大，但不是常数，因此,也不是常数。所以磁,路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。,通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。,?,m,R,3.,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。,4.,祥见教材,P149,#,第二节,直流铁心线圈与直流电磁铁,一、直流铁心线圈,（磁路计算略）,二、直流电磁铁,1.,构成,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,衔铁,8-2,2.,工作原理,通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力,请看通电演示,3.,吸力,NI,I,LI,W,I,N,?,?,2,1,2,2,1,2,2,1,?,?,
13、?,磁动势主,要降在空,气隙上,?,?,?,?,?,?,0,2,1,0,0,2,1,0,2,1,0,2,0,0,0,S,S,B,H,B,B,?,?,?,）,（,?,?,?,d,S,dW,Fd,B,0,2,1,0,2,0,?,?,?,N,S,B,S,B,F,5,0,2,0,0,2,0,8,10,10,4,7,?,?,?,?,?,磁动势,#,电磁铁应用？,直流电磁铁的特点,8-2,1.,励磁电流是由励磁线圈的外加电压,U,和线圈电阻,R,决定的,R,U,I,?,2.,无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。,电流是恒定的，无感应电动势产生。,3.,吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变
14、。,（因磁动势,NI,不变，磁阻,Rm B,，所以吸力,F,）,1.,电流恒定，无感应电动势产生。,2.,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,#,第三节,交流铁心线圈与交流电磁铁,8-3,一、交流铁心线圈的损耗,P=,PCU+,Ph+,Pe,总损耗,铜损,涡流损耗,铁损,磁滞损耗,铜损,PCU,线圈电阻上的损耗,PCU=I,2R,磁滞损耗,其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比,涡流损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电,，因铁心在,交变磁通作用下产生感应电动势，,从而在垂直于磁,通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。,涡流在铁心内电
15、阻上产生的损耗称涡流损耗。,减小涡流损耗的办法,增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心,减小磁滞损耗的办法,铁心尽量采用软磁材料,#,8-3,二、电压平衡方程式,i,N,L,交流铁心线圈,大部分经铁心闭合,线圈中,磁通,产生,e,e,主磁通,少部分经空气闭合,产生,eL,漏磁通,e,L,u,线圈电阻上压降为,iR,根据,KVL,得：,iR,e,e,u,L,?,?,?,?,或,R,I,E,E,U,L,?,?,?,?,?,?,?,?,电压平衡方程式,t,m,?,?,?,sin,?,dt,d,N,e,?,?,?,?,?,m,E,#,),90,sin(,?,?,?,?,t,N,m,?,?,),90,s
16、in(,2,?,?,?,?,t,N,f,m,?,?,?,iR,e,e,u,L,?,?,?,?,),90,sin(,2,?,?,?,?,t,fN,e,m,?,?,?,m,E,#,8-3,二、电压平衡方程式,有效值,m,m,fN,fN,E,?,?,?,44,.,4,2,/,2,?,?,忽略了漏磁感应电动势,和线圈内阻压降,后，方程变为：,L,e,iR,e,u,?,?,或,m,fN,E,U,?,44,.,4,?,?,m,fN,U,?,44,.,4,?,重要结论,外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几,乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。,8-3,三、交流电磁铁,铁心,线圈
17、,衔铁,交流电磁铁也是一种电磁器件，结,构形式与直流电磁铁类似。在工业,部门应用极为广泛。如冶金工业中,用于提放钢材的电磁吊车；夹持工,件的电磁工作台；传递动力的电磁,离合器；液压传动中的电磁阀；交,流接触器及接触器等。,铁心中的磁通是交变的，空气隙处的磁感应强度为：,t,B,B,m,?,si,n,0,?,吸力,5,0,2,2,5,2,0,10,s,in,4,10,4,?,?,?,?,tS,B,S,B,f,m,?,),2,cos,1,(,2,1,t,F,m,?,?,?,5,0,0,2,1,10,2,?,?,?,?,S,B,fdt,F,T,m,T,#,8-3,三、交流电磁铁,5,0,0,2,1,
18、10,2,?,?,?,?,S,B,fdt,F,T,m,T,),2,cos,1,(,2,1,t,F,f,m,?,?,?,瞬时值,有效值,显然,f,是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象。,通常在尾端留一切口，套上铜环（或称磁环），铜环产,生的感应电流阻碍,的变化，致使穿过铜环的,与其它,存在,一相位差，结果产生两个相位不同的电磁吸力，平均后，不,再有过零点。,见教材,P156,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,#,交、直流电磁铁的特点,8-3,1.,电流恒定，无感应电动势产生
19、。,2.,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,#,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,直流电磁,铁特点,8-4,一、变压器的用途、构造和分类,变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备,用途,变电压，变电流，变阻抗,构造,心式和壳式两种,心式变压器,壳式变压器,分类,单相，三相，多相；,升压，降压；,仪用电压、电流互感器；,焊接变压器，自藕变压器。,#,有两个绕组,也有两个绕组,第四节,单相变压器,8-4,二、变压器的工作原理,原边绕组,
20、N1,名词介绍,幅边绕组,N2,一次绕组,N1,二次绕组,N2,一次侧,二次侧,均指电源侧,均指,负载侧,什么是变压器任载运行？,什么是变压器空载运行？,u,u,Z,2,Z,2,s,一次侧接电源,二次侧负载开路,一次侧接电源,二次侧接负载,8-4,二、变压器的工作原理,变压器空载运行,u,Z,2,s,I0,空载电流,U,1,U2,0,此时的变压器相当,于交流铁心线圈,m,L,m,N,f,I,R,I,jX,N,f,U,?,?,?,?,?,?,?,?,1,0,1,0,1,1,1,44,.,4,44,.,4,?,?,?,?,m,N,f,U,?,?,?,?,2,20,44,.,4,?,2,1,20,1
21、,N,N,U,U,?,k,?,变比,?,20,U,二次侧额定电压,空载运行的结论：,k,N,N,U,U,?,?,2,1,20,1,原幅边之比等于原幅边匝数之比，等于常数,k,这,就,是,变,压,器,的,变,电,压,作,用,u,Z,2,变压器任载运行,U,1,I1,U,2,I2,?,两边绕组中通过的磁通是相同的,8-4,只要,U1,不变，主磁通就不应该变，所以有：,0,1,2,2,1,I,N,I,N,I,N,?,?,?,?,?,磁动势平衡方程式,有载时原边磁动势,分为两部分,1.,产生主磁通,（励磁分量）,I,0,?,2.,用来补偿,I2N2,（负载分量,I2,）,又称去磁,一般,I0,很小，小
22、型变压器只有,2 3%,，大的不过,10%,，,当略去,I0N1,后有：,k,N,N,I,I,1,1,2,2,1,?,?,变电流作用,任载运行结论：,k,N,N,I,I,1,1,2,2,1,?,?,变电流作用,任载后，电压比是否还等于变比,k?,m,N,f,U,U,?,2,20,2,44,.,4,?,?,?,?,m,N,f,U,?,1,1,44,.,4,?,?,k,N,N,U,U,?,?,2,1,2,1,k,N,N,U,U,?,?,2,1,2,1,变电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边,Z2,原边,Z1,1,1,1,I,U,Z,?,2,2,2,I,U,Z,?,2,2,1,1,2,1,/,/,I
23、,U,I,U,Z,Z,?,2,k,?,变阻抗作用,2,2,1,k,Z,Z,?,或,2,2,1,Z,k,Z,?,8-4,二、变压器的工作原理,空载运行结论：,k,N,N,U,U,?,?,2,1,20,1,任载运行结论：,k,N,N,I,I,1,1,2,2,1,?,?,变电流作用,k,N,N,U,U,?,?,2,1,2,1,变电压作用,变阻抗作用,2,2,1,k,Z,Z,?,或,2,2,1,Z,k,Z,?,总结,变压器的外特性和额定值,2.,额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定,电压,额定,电流,额定,容量,额定,频率,一次额定电压,U1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额定电
24、压,U2N,一次电压为,U1N,时，变压器空载时对应二次,侧的空载电压有效值，即,U20=U2N,一次额定电流,I1N,一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组,允许长期通过的最大电流有效值。,二次额定电流,I2N,一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组,允许长期通过的最大电流有效值。,指二次侧的输出额定视在功率,即：,N,N,N,I,U,S,2,2,?,额定频率,50HZ,8-4,三、变压器的外特性和额定值,1.,外特性,电压保持不变，变压器任载后，由,于一、二次侧均有电流通过，必然,在一次侧、二次侧内阻抗上产生电,压降，从而使二次电压随负载电流,增加变小。称,),(,2,2,I,f,U,?,
25、曲线,为变压器的外特性。,2,I,2,U,1,cos,2,?,?,1,cos,2,?,?,变压器外特性,电压调整率,%,100,%,20,2,20,?,?,?,?,U,U,U,U,满载时电压,空载电压,一般在,5%,以内,8-4,四、变压器的损耗和效率,8-4,变压器损耗,p,分铁损,pFe,和铜损,pCu,1.,铁损,是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗,ph,和涡流损耗,pe,之,和,又称为固定损耗,2.,铜损,又称为可变损耗,变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗,3.,效率,一次侧输入功率,p1,，二次侧输出功率,p2,，效率为,p=,pFe,+,pCu,%,100,2,2,1,2,?,?,?,?,?,p,p,p,p,p,?,小型变压器的效率为,7085%,，大型变压器效率可达,98%,第八章结束,课后练习,第八章习题解答,铁心,线圈,衔铁,直流电磁铁通电演示,返回,衔铁的吸合应是瞬间完成,#,通电演示,铁心,线圈,衔铁,关于磁滞,当外电场,H,值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，,B,的变化总是落后于,H,的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近,似对称原点的闭合曲线，叫磁滞回线。,不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同,H,B,H,B,软磁材料,H,B,硬磁材料,#,返回,返回,返回,返回,箱式变压器,-,简称：箱变,
