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1、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
2、 wb/m2,磁场中某点的B 与该点的磁导率的比值。,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,无量纲,真空导磁系数,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,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,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
3、,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,线圈N 匝,I,N,磁通,导磁系 数,截面积S,根据,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,N1,I2,N2,1.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：,或,磁压降的代数和等于磁动势的代数和,#,8-1
4、,H（I）,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：,磁阻Rm 的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,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
5、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。,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。祥见教材P149,#,第二节,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,#,电磁铁应用？,直流电磁铁的特点,8-2,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,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。,（因磁动势 NI 不
6、变，磁阻Rm B，所以吸力F）,电流恒定，无感应电动势产生。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,#,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
7、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,交流铁心线圈,大部分经铁心闭合,产生e,e,主磁通,少部分经空气闭合,产生eL,漏磁通,eL,u,线圈电阻上压降为 iR,根据KVL得：,或,电压平衡方程式,#,#,8-3,二、电压平衡方程式,有效值,或,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。,注意,8-3,三、交流电磁铁,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
8、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：,吸力,#,8-3,三、交流电磁铁,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P156,1.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,电流恒定，无感应电动势产生。无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心3.吸合
9、后，励磁电流不变，F,#,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。,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
10、压器任载运行？,什么是变压器空载运行？,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,I0,U1,U20,此时的变压器相当 于交流铁心线圈,变比,空载运行的结论：,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,变压器任载运行,U1,I1,U2,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：,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）I0,2.用来补偿I2N2（负载分量I2）,又称去磁,一般 I0 很小，小型变压器只有2 3%，大的不过10%，,当
11、略去I0N1 后有：,变电流作用,任载运行结论：,变电流作用,任载后，电压比是否还等于变比 k?,变电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边 Z2,原边Z1,变阻抗作用,或,8-4,二、变压器的工作原理,空载运行结论：,任载运行结论：,变电流作用,变电压作用,变阻抗作用,或,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
12、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：,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,曲线,为变压器的外特性。,变压器外特性,电压调整率,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
13、,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,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,软磁材料,硬磁材料,#,返回,返回,返回,返回,箱式变压器-简称：箱变,
