第7章磁路与课件

返回返回第7章 磁路与变压器磁路与变压器7.1 7.1 磁路中的基本物理量磁路中的基本物理量7.2 7.2 铁铁磁材料磁材料7.3 7.3 磁路的基本定律磁路的基本定律7.4 7.4 铁心线圈铁心线圈7.5 7.5 变压器变压器返回返回目目 录录7.1 磁路中的基本物理量磁路中的基本物理量磁感应强度磁感应强度磁通磁通磁场强度磁场强度磁导率等磁导率等磁场的特性可用以下个物理量表示磁场的特性可用以下个物理量表示:与与磁场方向相垂直磁场方向相垂直的单位面积上通过的的单位面积上通过的磁通磁通（磁（磁力线），可表示磁场内某点的力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向磁场强弱和方向。B的的单位单位：特：特斯拉斯拉（T）1T104Gs 的单位：韦伯的单位：韦伯矢量矢量1 1、磁感应强度、磁感应强度如如 磁场内各点的磁感应强度的磁场内各点的磁感应强度的大小相等大小相等，方向相同方向相同，这样的磁场则称为这样的磁场则称为均匀磁场均匀磁场。磁感应强度磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积S的的乘积乘积，称为称为通过该面积通过该面积的的磁通磁通。BS 的单位：的单位：伏伏 秒，通称为韦秒，通称为韦 伯伯 Wb 或麦克斯韦或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx 2 2、磁通、磁通 磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为是计算磁场所用的物理量，其大小为磁磁感应强度感应强度和和导磁率导磁率之之比比。H的单位：安米的单位：安米 的单位：亨米的单位：亨米矢量矢量3 3、磁场强度、磁场强度 磁导率磁导率 是一个用来表示是一个用来表示磁场媒质磁性磁场媒质磁性和衡量和衡量物质物质导磁能力导磁能力的物理量的物理量。4 4、磁导率、磁导率真空中的磁导率为常数真空中的磁导率为常数讨论讨论 由上两式可知，磁场内某一点的由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、只与电流大小、线圈匝数线圈匝数及及该点的几何位置该点的几何位置有关，有关，而与而与 无关无关磁场内某一点的磁场强度磁场内某一点的磁场强度H H与与 有关吗？有关吗？一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空磁导率和真空磁导率 0 0 的比值，称为的比值，称为该物质的相对磁导率该物质的相对磁导率 r r 或或返回返回相对磁导率相对磁导率7.2 7.2 铁磁材料铁磁材料7.2.1 铁磁性材料的特性铁磁性材料的特性7.2.2 铁磁材料分类铁磁材料分类7.2.1 铁磁性材料的特性铁磁性材料的特性高导磁性高导磁性磁饱和性磁饱和性磁滞性磁滞性非线性非线性1、高导磁性、高导磁性 指磁性材料的磁导率很高，指磁性材料的磁导率很高，r r11，使其具有使其具有被强烈磁化被强烈磁化的特性。的特性。2、磁饱和性、磁饱和性 当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性当外磁场（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，材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁化磁场的磁感应强度磁感应强度B BJ J达到饱和值达到饱和值。高导磁性和磁饱和性高导磁性和磁饱和性磁化曲线磁化曲线注注当有磁性物质存在当有磁性物质存在时时B与与H不成比例，不成比例，与与I也不成比例也不成比例。磁化曲线磁化曲线3 3、磁滞性、磁滞性当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）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，时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B B随随H H而变化，而变化，当当H H已减到零值时，但已减到零值时，但B B未回到零，这种磁感应强度滞未回到零，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。后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。剩磁：剩磁：当线圈中当线圈中电流减到电流减到零零（H0），），铁心在磁化时所铁心在磁化时所获的磁性还获的磁性还未未完全消失，这完全消失，这时铁心中所时铁心中所保留保留的磁感应强的磁感应强度称为剩磁感应强度度称为剩磁感应强度Br返回返回磁滞回线磁滞回线7.2.2 7.2.2 铁磁材料分类铁磁材料分类软磁材料软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）磁心等）硬磁材料硬磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）铁）矩磁材料矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。记忆元件）。7.3 7.3 磁路及其基本定律磁路及其基本定律7.3.1 7.3.1 磁路磁路7.3.2 安培环路定律安培环路定律i 线圈线圈通入电流通入电流后，产生磁通，分后，产生磁通，分主磁通主磁通 和和漏磁通漏磁通 S。线圈线圈铁心铁心7.3.1 7.3.1 磁路磁路7.3.2 安培环路定律（全电流定律）：安培环路定律（全电流定律）：磁场中磁场中任何闭合回路任何闭合回路磁场强度的磁场强度的线积分线积分,等于等于通通过这个闭合路径内过这个闭合路径内电流的代数和电流的代数和.即即I1I2I3 电流方向和磁场强度的方电流方向和磁场强度的方向符合向符合右手定则右手定则，电流取，电流取正正；否则否则取取负负。当磁路的材料和截面积相同，当磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等时，如各处的磁场强度相等时，如环形线圈，安培环路定律可环形线圈，安培环路定律可写成：写成：无分支的均匀磁路的无分支的均匀磁路的安培环路定律安培环路定律其中其中FNI 即线圈匝数与电流的乘积，称即线圈匝数与电流的乘积，称磁势磁势 单位为安单位为安 培培（A）对于环形线圈对于环形线圈磁路的磁路的欧姆定律欧姆定律说明说明F=NI为磁通势为磁通势 Rm为磁阻为磁阻l为磁路的平均长度为磁路的平均长度 S为磁路的截面为磁路的截面积积7.3.3 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律磁路磁路电路电路磁通势磁通势F电动势电动势E磁通磁通 电流电流I磁感应强度磁感应强度B电流密度电流密度J磁阻磁阻Rm电阻电阻R磁路与电路对照磁路与电路对照7.4 7.4 铁心线圈电路铁心线圈电路直流铁心线圈直流铁心线圈交流铁心线圈交流铁心线圈IU7.4.1 直流铁心线圈直流铁心线圈直流磁路的特点直流磁路的特点:直流磁路和电路中的恒压源类似直流磁路和电路中的恒压源类似直流电路中直流电路中 E 固定固定I 随随 R 变化变化随随 变化变化 直流磁路中直流磁路中 F 固定固定 一定一定一定一定磁动势磁动势 F=IN 一定一定磁通和磁阻成反比磁通和磁阻成反比（线圈中没有反电动势）（线圈中没有反电动势）（R 为线圈的电阻）为线圈的电阻）磁路的计算磁路的计算 在计算电机、电器等的磁路时，要在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心预先给定铁心中中的的磁通磁通（或磁感应强度），而后按照所给的（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需的磁通势FNI。计算均匀磁路要用磁场强度计算均匀磁路要用磁场强度H，即即NIHl，如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组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。成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成。NIH1 l1H2 l2（H l）如如：由三段串联而成的由三段串联而成的 继电器磁路继电器磁路解解磁路的平均长度为磁路的平均长度为 l（1015）2）39.2cm查铸钢的磁化曲线查铸钢的磁化曲线，当当B0.9T 时时，H1500Am于是于是 H1 l1195A空气隙中的磁场强度为空气隙中的磁场强度为 H0B0 00.9（4 107）7.2 105A/m有一环形铁心线圈，其内径为有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为外径为15cm，铁铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于0.2cm0.2cm。设线圈中通有设线圈中通有1A1A电流，如要得到电流，如要得到0.9T0.9T的磁感应的磁感应强度，试求强度，试求线圈匝数线圈匝数。例题例题7.17.1H0 7.2 105 0.2 10-21440A总磁势为总磁势为 NI（H l）H1 l1H0 19514401635线圈匝数为线圈匝数为 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，可使线圈的心材料，可使线圈的用铜量用铜量大为大为降低。降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等得到相等的磁通的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁用铁量量大为大为降低降低 当磁路中含有空气隙时，由于其当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大磁阻较大，要得要得到相等的磁感应强度到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（必须增大励磁电流（线圈匝数线圈匝数一定）一定）结论结论返回返回电路方程：电路方程：一般情况下一般情况下 很小很小交流激励交流激励 线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势7.4.2 7.4.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路ui的感应电势的感应电势 和和 产生产生一、电压、电流和磁通的关系一、电压、电流和磁通的关系假设假设则则最大值最大值有效值有效值ui电与磁电与磁的关系的关系ui 结论结论:交流磁路中磁阻交流磁路中磁阻 对电流的影响对电流的影响电磁铁吸合过程的分析：电磁铁吸合过程的分析：在吸合过程中若外加电压在吸合过程中若外加电压不变不变,则则 基本不变。基本不变。iu电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大）大大 起动电流大起动电流大 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小）小小 电流小电流小 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。注意：注意：(U不变，不变，I不变）不变）(I 随随 Rm 变化）变化）（U不变时，不变时，基本不变基本不变）直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路磁路磁路小结小结（随随Rm变化）变化）7.4.3 7.4.3 功率损耗功率损耗铜损铜损 Pcu：线圈电阻线圈电阻R上的功率损耗。上的功率损耗。铁损铁损 Pfe：在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流 产生的功率损耗。包括磁滞损耗产生的功率损耗。包括磁滞损耗 Ph 和涡流损耗和涡流损耗 Pe。返回返回作业作业:P190 7.1减少损耗的方法减少损耗的方法:1.选择合适的材选择合适的材料料 2.用叠片用叠片 见见P176变压器功能：变压器功能：电压变换：电压变换：电力系统电力系统 阻抗变换：阻抗变换：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器）电流变换：电流变换：电流互感器电流互感器 7.5 变压器 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压降压实验室实验室380/220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压单相变压器单相变压器铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组7.5.1.变压器的结构：变压器的结构：变压器符号：变压器符号：工作过程：工作过程：空载运行空载运行：原边接入电源，副边开路。：原边接入电源，副边开路。接上接上交流电源交流电源 原边电流原边电流 i1等等 于励于励 磁电流磁电流 i10 产生感应电动势产生感应电动势7.5.2.工作原理工作原理 i10 产生磁通产生磁通（交变）（交变）（方向符合右手定则）方向符合右手定则）原侧：原侧：副侧：副侧：原、副边电压关系原、副边电压关系（变电压）（变电压）结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为为变比变比根据交流磁路的分析根据交流磁路的分析可得：可得：时时负载运行负载运行Z磁动势的平衡关系为：磁动势的平衡关系为：原侧：原侧：副侧：副侧：道理同前可得：道理同前可得：结论：原、副边电流与匝数成反比结论：原、副边电流与匝数成反比 由于空载励磁电流由于空载励磁电流 很小，可忽略很小，可忽略。即：。即：原、副边电流关系原、副边电流关系（变电流）（变电流）（变阻抗）（变阻抗）原、副边阻抗关系原、副边阻抗关系从原边等效：从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。变比的平方。阻抗变换举例：阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率扬声器上如何得到最大输出功率RsRL信号源信号源设：设：信号电压的有效值信号电压的有效值:U1=50V;信号内阻：信号内阻：Rs=100 ;负载为扬声器，其等负载为扬声器，其等 效电阻：效电阻：RL=8。求：负载上得到的功率求：负载上得到的功率解：解：（1）将负载直接接到信号源上）将负载直接接到信号源上，得到的输出功，得到的输出功 率为：率为：Rs（2）将负载通过变压器接到信号源上。）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：输出功率为：设变比设变比 则：则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗相等）。件（信号源内、外阻抗相等）。7.5.3 7.5.3 变压器的外特性与额定值变压器的外特性与额定值副边输出电压和输出电流的关系。即：副边输出电压和输出电流的关系。即：U2I2U20U20：原边加额定电压、原边加额定电压、副边开路时，副边的输副边开路时，副边的输出电压。出电压。一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，的变化，U2 变化不多）变化不多）1.变压器的外特性变压器的外特性%=%电压调整率：电压调整率：额定电压额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。许的电压值。额定电流额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。额定容量额定容量 传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。（理想）理想）2.2.变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 原边输入功率原边输入功率 P1 输出功率输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系注意：变压器几个功率的关系效率效率负载功负载功率因数率因数容量：容量：原边输入功率：原边输入功率：输出功率：输出功率：7.5.4 7.5.4 变压器的损耗与效率变压器的损耗与效率()变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：铜损铜损(PCu)：绕组导线电阻所致。绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流），的感应电流（涡流），造成的损失。造成的损失。铁损铁损()：PFe 当电流流入两个线圈当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方或流出）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。产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端同极性端(同名端同名端)AXax*7.5.5 7.5.5 变压器绕组极性及其测定变压器绕组极性及其测定AXax*电器使用时两种电压（电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：的切换：220V：联结联结 2 3110V：联结联结 1 3，2 4线圈的接法线圈的接法1324*AXax若若 说明说明 A 与与 a 或或 X 与与 x 为同为同 极性端。极性端。把两个线圈的任意两端把两个线圈的任意两端(X-x)连连接接,然后在然后在 AX 上加一小电压上加一小电压 u。测量：测量：若若 说明说明 A 与与 x 或或 X 与与 a 是同是同 极性端极性端；结论：结论：方法一：交流法方法一：交流法同极性端的测定方法同极性端的测定方法1.已知绕向：根据定义（见前页图）已知绕向：根据定义（见前页图）2.不知绕向：不知绕向：方法二：直流法方法二：直流法mA表表+_AXaxK+-*AXax+_K因因K闭合时闭合时 增加。增加。感应电动势的方向，感应电动势的方向，阻止阻止 的增加。的增加。如果当如果当 K 闭合时，闭合时，mA 表正表正偏，则偏，则 Aa 为同极性端为同极性端;如果当如果当 K 闭合时，闭合时，mA 表反表反偏，则偏，则 Ax 为同极性端为同极性端结论：结论：1.1.自耦变压器自耦变压器ABP六、其它类型的变压器六、其它类型的变压器 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的使用时，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输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，注意：原、副边千万不能对调使用，以以防变压器损坏。因为防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会变小时，磁通增大，电流会迅速增加。迅速增加。2.2.电压互感器：用低量程的电压表测高电压电压互感器：用低量程的电压表测高电压1.副边不能短路，以副边不能短路，以 防产生过流；防产生过流；2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损时，在副边绝缘损时，在副边 出现高压。出现高压。使用注意：使用注意：VR N1（匝数多匝数多）保险丝保险丝 N2（匝数少匝数少）u（被测电压）（被测电压）电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N23.3.电流互感器：用低量程的电流表测大电流电流互感器：用低量程的电流表测大电流（被测电流）被测电流）N1（匝数少匝数少）N2（匝数多匝数多）ARi1i2电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N11.副边不能开路，以副边不能开路，以 防产生高电压；防产生高电压；2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端一端 接地，以防在接地，以防在 绝缘损坏时，在副绝缘损坏时，在副 边出现过压。边出现过压。使用注意事项：使用注意事项：F线圈线圈铁心铁心衔铁衔铁电磁铁电磁铁是利用通电的铁心是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位机械零件、工件于固定位置的一种电器。置的一种电器。电磁铁吸合过程的分析电磁铁吸合过程的分析：在在吸合吸合过程中若外加电压不变，过程中若外加电压不变，则则 基本不变基本不变电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大）大大 起动电流大起动电流大 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小）小小 电流小电流小7.6 7.6 电磁铁电磁铁 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。把线圈烧坏。注意：注意：电磁铁的吸力电磁铁的吸力气隙截气隙截面积面积气隙气隙磁感应磁感应强度强度交流电磁铁中磁场是交变的，设交流电磁铁中磁场是交变的，设交流电磁铁交流电磁铁：铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在铁心由硅钢片叠成，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。感和感抗增大，因而电流逐渐减小。直流电磁铁直流电磁铁：铁心用整块软钢制成铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。圈电阻有关，不因气隙大小而变。则吸力为：则吸力为：平均值为：平均值为：返回返回结 束第第 7 7 章章返回返回