川大学《电工学》(非电类专业)-第七章机电能量转换原理.ppt

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1、第7章 机电能量转换原理,7.2 磁路及其分析方法,7.5 电能与机械能的转换,7.6 工程应用,7.1 电与磁,7.3 交流铁心线圈电路,7.4 变压器,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；,本章要求：,第7章 磁路与铁心线圈电路,5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。,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；,7.1 电与磁,电磁学发展的过程：,电学的发展：库仑定律,电磁感应现象的发现：法拉第电磁感应定律,

2、电产生磁的发现：安培定律,电磁关系的准确阐述：麦克斯韦方程,7.2 磁路及其分析方法,磁路,磁路：,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,1 磁感应强度B:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2,均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,磁场的基本物理量,2 磁场强度H,磁

3、场强度H：计算磁场时引出的物理量。,磁场强度H的单位：安培/米（A/m),磁场强度的计算：介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比。,3 磁通,磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中=B S 或 B=/S,磁通 的单位:韦伯(Wb)1Wb=1Vs,磁通 的计算:,注：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,故又称磁感应强度为磁通密度。,真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,4 磁导率,磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。,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

4、值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,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。,由于,0 r 1,B=0 H,(),(I),磁性材料的磁性能,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

5、。,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,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。,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。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性材料的磁性能,1 磁滞性,几种常见磁性物质的磁化曲线,2 高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r

6、 1(如坡莫合金，其 r 可达 2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,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。,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。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,3 磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 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

7、线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,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,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类

8、型：(1)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。,7.2.4 磁路计算的基本原理与方法,1 磁通连续性原理与磁路基尔霍夫第一定律,各磁支路的磁通分别为1、2和3，方向如图，取封闭面S 如图中虚线球面，,由磁通连续性原理：Bds=0得：1+2-3=0即：穿入（

9、穿出记为负）任一封闭面的总磁通量等于0，可以记为：=0（）称为磁路基尔霍夫第一定律。,显然，磁路基尔霍夫第一定律也可叙述为：穿入任一封闭面的磁通等于穿出封闭面的磁通，即：1+2=3,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,式中：是磁场强度矢量沿任意闭合 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。,安培环路定律电流正负的规定：,安培环路定律（全电流定律）,2 全电流定律与磁路基尔霍夫第二定律,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl=IN,磁路基尔霍夫第二定律：在磁路中沿任何

10、闭合磁路径上，磁动势的代数和等于磁压降的代数和，F=HL,线圈匝数与电流的乘积NI，称为磁动势，用字母 F 表示，则有 F=NI 磁通由磁动势产生，磁动势的单位是安培。,例:环形线圈如图，其中媒质是均匀的，试计算 线 圈内部各点的磁场强度。,解:取磁通作为闭合回线，以 其方向作为回线的围绕方向，则有：,式中：N 线圈匝数；lx=2x是半径为x的圆周长；Hx 半径x处的磁场强度；NI 为线圈匝数与电流的乘积。,故得：,例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感应强度。,解：半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流

11、大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性()无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,3磁路的欧姆定律,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律,环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率为，试计算线圈内部 的磁通。,解：根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为 l，则有,1）引例,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通；Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。,2）磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则,即有：,此即磁路的欧姆定律。,4电磁感应定律,电磁感应定律在磁路计算中可决定电动势与磁通量或磁通密度的关系，或

12、计算磁路的磁导与电路的电抗的关系。,（1）线圈感应电动势,设交变磁通量与线圈N 匝完全交链，磁链数为=N当磁通量的正方向与感应电动势正方向符合右螺旋定则时，电磁感应定律为：e=-d/dt=-Nd/dt 即线圈感应电动势与线圈匝数和磁通变化率成正比，负号是楞次定律的反映。,楞认定律表明：感应电动势的实际方向是：它总是企图产生感应电流，使感应电流产生的磁通量总是企图阻碍引起感应电动势的磁通量的改变。,电机中常见的磁通量随时间按正弦规律变化，设,=msint,式中=2f 磁通变化的角颇率，单位为rad/s,式中Em=Nm感应电动势的最大值,即磁通随时间正弦变化时，线圈的感应电动势也随时间正弦变化，但

13、相位上滞后磁通90度。,e=-Nd/dt=-Nmcost=Emsin(t-900),（2）运动电势,当导体在磁场中运动而切割磁力线时，导体将感应电动势，称为运动电势(或者切割电动势)。,若磁力线、导体和运动方向三者互相垂直，则导体的感应电动势为,式中B磁感应强度，单位为T,l 长直导体的长度，单位为m,v 直导体切割磁力线的线速度，单位为m/s,沿直导体l上感应电动势e的方向由右手定则决定。应当指出，上式中的v，既可以是直导体切割磁力线，也可以是磁力线切割直导线的相对线速度。,E=Blv,5电磁力定律,载流导体在磁场中受到电磁力的作用，当磁场与导体互相垂直时，作用在导体上的电磁力为：,F=Bl

14、I,式中B 磁感应强度，单位为T,l 长直导体的长度，单位为m,I 导线中的电流，单位为A，F作用在导体上与磁场垂直方向的电磁力，单位为N,力的方向与磁场和导体相垂直，按左手定则决定。上式称安培力公式或电磁力公式。,磁路与电路的比较,6 磁路计算方法,磁路分析的特点,(2)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；,(4)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；,(1)在电路中，电动势的方向与电流方向一致（或者相反），但

15、在磁路中，产生磁动势的电流与磁动势的正方向之间符合右手螺旋法则。,磁路分析的特点,(5)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；,(6)在线性电路中，计算时可以用叠加原理，但在磁路计算中，只有不考虑饱和效应时才能用叠加原理，而随着磁密的增高，具有铁心的磁路必然越来越趋近于饱和。,(7)电路中电流要引起 的功率损耗，而磁路中只有当磁通交变时才引起铁耗。,磁路的分析计算,主要任务:预先选定磁性材料中的磁通(或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI，确定线圈匝数和励磁电流。,基本公式:,设磁路由不同材料或不同

16、长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为：,即,基本步骤:（由磁通 求磁势F=NI）,(2)求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通，故有：,(3)求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f(Hi),求B相对应的H,(4)由各段磁场强度和磁路平均长度计算各段磁路的磁压降(Hi li),(5)根据下式求出磁通势（NI）,(1）将磁路进行分段，每一段磁路应是均匀的（即材料相同，截面相同），算出各段的截面积A，磁路的平均长度L,例1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为 45cm，试求：(1)铁心材料为铸铁时线

17、圈中的电 流;(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,（1）查铸铁材料的磁化曲线，当 B=0.9 T 时，,(2)查硅钢片材料的磁化曲线，当 B=0.9 T 时，,磁场强度 H=9000 A/m，则,磁场强度 H=260 A/m，则,结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。,如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260 A/m。,查磁化曲线可得，,在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁通，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？,【分析】,B硅

18、钢 是B铸铁的17倍。因=BS，如要得到相同的磁通，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。,B铸铁=0.05T、B硅钢=0.9T,结论：如果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。,查铸钢的磁化曲线，B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,例2:有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为 5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于 0.2cm。设线圈中通有 1A 的电流，如要得到 0.9T 的磁感应强度，试求线圈匝数。,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度，,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为

19、,对各段有,总磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。,结论：当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（设线圈匝数一定）。,7.3 交流铁心线圈电路,7.3.1 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。,7.4.2 电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,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：,设主磁通 则,有效值,由于

20、线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位T；S 是铁心截面积，单位m2。,7.4.3 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1.铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu=RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。,2.铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,（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

21、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。,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：,7.4 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和

22、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）,U I,P=I Rl,I S,概述,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：,1.变压器的分类：可按其用途、结构、相数、等来分类,变压器的类型和主要结构,变压器的磁路,变压器的电路,2.变压器的主要结构,2 变压器的基本工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,1.空载运行情况,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。,变压器的运行分析,有效值:,同 理：,主磁

23、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:,i2,-,+,e2,式中V20为变压器空载电压。,故有,2 负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁

24、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。,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V20为变压器空载电压。,故有,电

25、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V1、f 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。,或：,1.提供产生m的磁势,磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,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)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

26、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：,变压器的型号,3 变压器的运行特性,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,（1）变压器的额定值,额定电压 V1N、V2N 变压器二次侧开路（空载）时，一

27、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。,额定频率 我国为50赫兹,(2)变压器的运行特性,1）变压器的外特性,当一次侧电压 V1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 V2和输出电流 I2的关系，V2=f(I2)。,2）变压器的效率特性(),变压器的效率特性是指次侧外施电压和二次侧负载功率因数不变时，变压器的效率随负载电流变化的规律，即：,(1)变压器的电压变化率,1）变压器的外特性,V20：一次侧加额定电压、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，V2 变化不大），电压变化率约在5%

28、左右。,电压变化率：,（2）变压器的损耗与效率,为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。,变压器的损耗包括两部分：,铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。,涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感 应电流(涡流)造成的损耗。,铁损(PFe)：,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,例:有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：SN=100kVA,V1N=6000V,f=50Hz。V2N=V20=400V,绕组连接成。由试验测得:PFe=600 W，额定负载时的 PCu=2400W。试求(1)变压器的额定电流；(2)满载和半载时的效率。,解:,(1

29、)定电流,()满载和半载时的效率,4 三相变压器,（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,联结方式：,高压绕组接法,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:,（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：,特殊变压器,1.三绕组变压器,三绕组变压器有一个一次绕组和两个二次绕组，对应于三个绕组，有高压、中压和低压三种额定电压。如果高压是一次绕组，低压和中压是二次

30、绕组，则称为降压变压器。如果低压是一次绕组，中压和高压是二次绕组，称为升压变压器。我国主要生产 Y0/Y0/1211联结组的三相三绕组电力变压器。,三绕组变压器的一次绕组和两个二次绕组的电压比仍然为：,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：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,2.自耦变压器,二次侧不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,被测电压=电压表读数 N1/N2,3仪用互感器（1）电压互感器,实现用低量程的电

31、压表测量高电压,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,（2）电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,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(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。,4 变压器绕组的极性,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

32、 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(220/110)，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,+,方法一：交流法,把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在 AX 上加一低电压 vAX。,测量：,若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端.,(3)同极性端的测定方法,方法二：直流法,如果当 S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极

33、性端;,结论：,如果当 S 闭合时，电流表反偏，则 A-x 为同极性端。,7.5 电能与机械能的转换,7.5.1 能量守恒原理,能量守恒原理:在质量不变的物理系统内，能量总是守恒的，即能量既不能凭空产生，也不会凭空消失，只能改变其存在的形态。,发电机：从原动机输入机械能=磁场储能的增加+转换成热能的能量损耗+输送出电能到负载 电动机：从电源输入电能=磁场储能的增加+转换成热能的能量损耗+输送出机械能到负载,耦合磁场：用来耦合电系统和机械系统的气隙磁场 计入损耗后，发动机的能量平衡方程可以写成：输入的机械能减去机械损耗=磁场储能的增加加上铁心损耗+输出的电能加上电阻I2R损耗,磁场吸收的总能量（

34、包括磁场储能的增量和铁心损耗）的微分,变换为电形式的总能量（包括I2R损耗在内）的微分,输入电机中净机械能（已扣除机械损耗）的微分,7.5.2 耦合磁场是机电能量转换的枢纽,耦合磁场对电系统的反作用（电动机）或作用（发电机）表现在线圈感应电动势上，只有当线圈内产生有感应电动势时，电机才能从电系统吸收（电动机）或发出（发电机）电能。即：产生感应电动势是耦合磁场从电源输入电能（电动机）或从原动机输入机械能（发电机）的必要条件。,电磁功率表达式：,当多个绕组接到电系统时，电能的变化关系可以写成：,耦合磁场对机械系统的作用（电动机）或反作用（发电机）就表现在电磁转矩上，若磁场储能随着转子转角的变化而变

35、化时，转子上就受到电磁转矩的作用，只有当电机内部产生有电磁转矩时，电机才能向机械系统送出（电动机）或吸收（发电机）机械能。在恒速运行情况下，转子的动能没有变化，机械能变化的表达式为：,对于直流电机和三相相对稳定运行的交流电机，除了过渡过程外，气隙磁场的总储能在稳态运行中是不变的，即：（不计铁心损耗），于是，或：,作为耦合场的恒定气隙磁场，一方面从电系统中吸收电能，另一方面又把等量的磁场储能转换为机械能，或者相反，一方面从机械系统中吸收机械能，另一方面又把等量的磁场储能转换为电能。完成上述等量转换过程是通过电磁功率和电磁转矩来实现的。而电磁功率和电磁转矩都需要通过起耦合机、电两个系统的气隙磁场的

36、作用才能产生。因此，耦合磁场在机电能量转换过程中起着极其重要的枢纽作用。,7.6 工程应用：利用电磁铁制动起重机,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

37、气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。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

38、不同时为零，实现消除振动和噪音，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；,例1:如图是一拍合式交流电磁铁，其磁路尺寸为：c=4 cm,l=7cm。铁心由硅钢片叠成。铁心和衔铁的截面都是正方形

39、，每边长度 a=1 cm。励磁线圈电压为交流 220V。今要求衔铁在最大空气隙=1 cm（平均值）时须产生吸力 50 N，试计算线圈匝数和此时的电流值。计算时可忽略漏磁通，并认为铁心和衔铁的磁阻与空气隙相比可以不计。,解:,按已知吸力求,（空气隙中和铁心中的可认为相等）,故有,计算线圈匝数,求初始励磁电流,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。,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：,电磁铁在生产中主要应用原理：用电磁铁衔铁的动作带动其他机械

40、装置运动，产生机械连动，实现控制要求。,(1)原理如下：,当电磁铁的衔铁不动时，系统不产生机械运动，则耦合磁场将电源输入的电能全部转换为磁场的储能，于是：,若磁通量由0增加至，相应的线圈磁链为，则磁场储能应为：,(2)机电能量转换过程,线性磁路：,电磁铁的衔铁运动时，磁场储能的总变化量dWm的全微分为：,线性系统：,当系统受到外力作用时，在dt时间内电能的变化,由磁场储能的变化导致机械能发生变化，以保持系统新的能量平衡,当系统达到平衡时，外加与衔铁上的机械力应与大小相等，方向相反（不计机械摩擦），即当衔铁移动dx距离时，磁场克服外力所做的机械功dW应为：,即：,当衔铁受到外力发生微小位移引起磁场储能变化时，衔铁上将受到磁场力的作用，方向与外力相反，大小等于，的方向倾向于使线圈自感增大，如上图所示。,综上，在以磁场为耦合场的机电装置中，机电能量的转换过程大致为：当装置的可动部分发生位移时，气隙磁场将发生变化，由此引起气隙内的磁场储能的变化，同时，也引起线圈内磁链的变化。一方面，由位移引起的磁场储能变化将产生磁场力，并使部分磁场储能释放出来变化为机械能，另一方面，由于磁链变化引起的线圈内的感应电动势发生变化。为了使电系统内部平衡，必将从电源吸取电能，这样，通过耦合场的作用，从电源输入的电能将转换为机械能。在生产实践中，上述机电能量转换是可逆的。,