CH磁路与铁心线圈学习教案

会计学1CH磁路与铁心线圈磁路与铁心线圈1. 安培环路定律（全电流律）：安培环路定律（全电流律）： 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分, ,等于通过等于通过这个闭合路径内电流的代数和。这个闭合路径内电流的代数和。二、二、 磁路及其基本定律磁路及其基本定律 在非均匀磁路在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。总磁动势等于各段磁压降之和。第1页/共45页对于均匀磁路对于均匀磁路磁路中的磁路中的欧姆定律欧姆定律2. 磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律：则：则： mRLSNIFINSL注：注：由于磁性材料由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。分析，不做定量计算。slRm令：令：Rm 称为磁阻称为磁阻第2页/共45页磁路和电路的比较磁路和电路的比较：磁路磁路电路电路磁动势磁动势 F磁通磁通 磁感应强度磁感应强度B磁阻磁阻 R= l / S电动势电动势E 电流电流 I电流密度电流密度 J电阻电阻 R= l / SNI +EIR返回返回第3页/共45页铁心线圈分为两种：铁心线圈分为两种：直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U U下下，线圈电流，线圈电流I I只与线圈的只与线圈的R R有关，有关，P P也只与也只与I I2 2R R有关有关，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。 交流铁心线圈通交流来励磁交流铁心线圈通交流来励磁 （如交流电机、变压器及各种交流电器如交流电机、变压器及各种交流电器 的的线圈）。其电压、电流等关系与直流线圈）。其电压、电流等关系与直流 不同，下面我们就来讨论之。不同，下面我们就来讨论之。返回返回6-2 交流铁心线圈电路第4页/共45页ueeiN返返回回第5页/共45页ueeiN 式中式中NN=L=Li i中的中的 L L为常数，称为漏电感，而为常数，称为漏电感，而i i与与不存在线性关系，即不存在线性关系，即 L L不是常数。不是常数。0、LiL第6页/共45页ueeiN据据KVLKVL有：有：dtdiLdtdNe 由于由于R R和和L L很小很小 ，UUR R和和U U与与U U/ /相比可忽略相比可忽略当当tUum sin伏为正弦时，伏为正弦时，e的变化也为同频率的正弦量，用相量表示的变化也为同频率的正弦量，用相量表示第7页/共45页设设 则则 式中：式中：返回返回当当tUum sin伏为正弦时，伏为正弦时，的变化也为同频率的正弦量的变化也为同频率的正弦量第8页/共45页有效值为：有效值为：B Bm m为铁心中磁感应强度的最大值。为铁心中磁感应强度的最大值。S S为铁心面积为铁心面积所以：所以：SfNBfNUmm44. 444. 4 返回返回EU又因为：又因为：第9页/共45页2 2铁损铁损1 1铜损铜损 磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：返回返回第10页/共45页 磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。硅钢硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。较小。 返回返回 磁滞损耗磁滞损耗第11页/共45页 涡流损耗涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗Pei 当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为涡流涡流，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。它在垂直于磁通方向的平面内环流着。返回返回第12页/共45页返回返回第13页/共45页返回返回n器外，变压器还用来耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。第14页/共45页漏磁通的所谓主磁通分析法。即我们要学的分析方法，一般电机学中采用此方法。变压器返回返回第15页/共45页1 1、闭合铁心、闭合铁心2 2、绕组、绕组u1N1N2u2 为了便于分析，我们将高压绕组和低压绕组分为了便于分析，我们将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与别画在两边。与电源相联电源相联的称为的称为原绕组原绕组（或称初级绕或称初级绕组、一次绕组组、一次绕组）；）； 与与负载负载相联的称为相联的称为副绕组副绕组（或称或称次级绕组、二次绕组次级绕组、二次绕组）。原、副绕组的匝数分别为）。原、副绕组的匝数分别为N N1 1和和N N2 2。 返返回回下面我们就来讨论变压器的工作原理。下面我们就来讨论变压器的工作原理。第16页/共45页u11e1e1i1N1u2e2e2i2|Z|Z|N2当原绕组接上电压u1时，原绕组中便有电流i1通过。原绕组的磁动势i1N1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流i2通过。副绕组的磁动势i2N2也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用表示。主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e1和e2。此外，原、副绕组的磁动势还分别产生漏磁通1和2（仅与本绕组相链），从而在各自的绕组中分别产生漏磁电动势e1和e2.返回返回2第17页/共45页u1e1e1i1N1u2e2e2i2|Z|Z|N2如用相量表示可得：如用相量表示可得：返回返回第18页/共45页式中：式中：和和分别为原绕组的电阻和感抗分别为原绕组的电阻和感抗由于原绕组的电阻和感抗较小，因而它们两端的电压降也由于原绕组的电阻和感抗较小，因而它们两端的电压降也较小，与主磁电动势比较起来，较小，与主磁电动势比较起来，可以忽略不计可以忽略不计。于是。于是电动势的有效值为电动势的有效值为返回返回第19页/共45页同理可得同理可得如用相量表示可得：如用相量表示可得：式中：式中：和和分别为副绕组的电阻和感抗分别为副绕组的电阻和感抗为副绕组的端电压为副绕组的端电压电动势的有效值为电动势的有效值为返回返回第20页/共45页在变压器空载时，在变压器空载时，I I2 2=0=0，E E2 2=U=U2020式中式中U U2020为空载时副绕组的端电压为空载时副绕组的端电压原、副绕组的电压之比为原、副绕组的电压之比为式中，式中，K K称为变压器的变比，亦即原、副绕组的称为变压器的变比，亦即原、副绕组的匝数比。可见，当电源电压一定时，只要改变匝匝数比。可见，当电源电压一定时，只要改变匝数比，就可以得出不同的输出电压。数比，就可以得出不同的输出电压。返回返回第21页/共45页返回返回电压变换第22页/共45页由由m111fN44.4EU 可见，当电源电压可见，当电源电压U U1 1和和频率频率f f不变时，不变时，E E1 1和和m m也都近于常数。就是说，铁心中也都近于常数。就是说，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒恒定定的。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合的。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（成磁动势（i i1 1N N1 1+ i+ i2 2N N2 2）应该和空载时产生主磁通的原绕）应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势组的磁动势i i0 0N N1 1差不多相等，即：差不多相等，即：i i1 1N N1 1+ i+ i2 2N N2 2 i i0 0N N1 1如用相量表示可得：如用相量表示可得：返回返回第23页/共45页变压器的空载电流是励磁用的。由于铁心的磁导率高，变压器的空载电流是励磁用的。由于铁心的磁导率高，空空载电流是很小的载电流是很小的。它的有效值在原绕组额定电流的。它的有效值在原绕组额定电流的10%10%以内。因此常可忽略。即：以内。因此常可忽略。即：额定容量：额定容量：它是视在功率（单位是伏安），与输出功率不同。它是视在功率（单位是伏安），与输出功率不同。返回返回第24页/共45页上面讲过变压器能起上面讲过变压器能起变换电压变换电压和和变换电流变换电流的作用。此外它的作用。此外它还有还有变换负载阻抗变换负载阻抗的作用，以实现的作用，以实现“匹配匹配”。|Z|u1i1u2i2u1i1|Z/|在前图中，负载阻抗在前图中，负载阻抗|Z|接在变压器的副边，而后图中接在变压器的副边，而后图中的虚线框部分可以用一个阻抗的虚线框部分可以用一个阻抗|Z/|来等效代替。两者的来等效代替。两者的关系可通过下面计算得出。关系可通过下面计算得出。返回返回第25页/共45页根据根据KNNEEUU212121K1NNII1221可得出可得出匝数比不同，负载阻抗匝数比不同，负载阻抗|Z|折算到原边的等效阻抗折算到原边的等效阻抗|Z/|也不同也不同。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。返回返回第26页/共45页例：已知例：已知E=120V，R0=800， RL=8。（。（1）当）当RL折算到原边的等效折算到原边的等效电阻电阻R/L=R0时，求变压器时，求变压器的匝数比和信号源输出的的匝数比和信号源输出的功率；功率；（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？大功率？解：解：（1）变压器的匝数比为）变压器的匝数比为RLIER0返回返回第27页/共45页（2）当负载直接接在信号源时，）当负载直接接在信号源时，返回返回第28页/共45页 当电源电压不变时，随着副绕组电流的增加，原当电源电压不变时，随着副绕组电流的增加，原副绕组上的电压降便增加，从而使副绕组的端电压发副绕组上的电压降便增加，从而使副绕组的端电压发生变动。当电源电压和负载功率因数为常数时，生变动。当电源电压和负载功率因数为常数时，U2和和I2的变化关系称为变压器的外特性。如图所示。的变化关系称为变压器的外特性。如图所示。0 U2 I2U20I2N 通常希望电压通常希望电压U2的变动的变动愈小愈好。从空载到额定愈小愈好。从空载到额定负载，副绕组电压的变化负载，副绕组电压的变化程度用电压变化率程度用电压变化率U表表示，示，在一般变压器中在一般变压器中电压变化率约为电压变化率约为5%左右。左右。返回返回第29页/共45页和交流铁心线圈一样，变压器的功率损耗包括铁心中的和交流铁心线圈一样，变压器的功率损耗包括铁心中的铁损铁损和和铜损铜损两部分。两部分。铁损的大小与铁心内磁感应强度的铁损的大小与铁心内磁感应强度的最大值最大值Bm有关有关，与，与负载的大小负载的大小无关无关，而铜损则与负载的，而铜损则与负载的大小有关大小有关。变压器的效率：变压器的效率：式中，式中，P2为变压器的输出功率，为变压器的输出功率， P1为输入功率为输入功率返回返回第30页/共45页1、自耦变压器、自耦变压器1I1U2I2U负载负载N1N2返回返回第31页/共45页i1N1i2N2负载负载A返回返回1. 副边副边不能断开不能断开，以防，以防产生高电压产生高电压；2. 铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的一端接地一端接地，以防在绝缘，以防在绝缘损坏时，在副边出现过损坏时，在副边出现过压。压。注意！注意！第32页/共45页1、同极性端、同极性端所谓同极性端就是当电流从两个线圈的同极性端流入所谓同极性端就是当电流从两个线圈的同极性端流入（或流出）时，产生的磁通的方向相同；或者说，当（或流出）时，产生的磁通的方向相同；或者说，当磁通变化（增大或减小）时，在同极性端感应电动势磁通变化（增大或减小）时，在同极性端感应电动势的极性也相同。的极性也相同。例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的同极例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的同极性端。性端。abcd返回返回第33页/共45页 例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的同极性端。同极性端。*abcdef*2、线圈的等效电路、线圈的等效电路返返回回第34页/共45页3、变压器绕组的联接、变压器绕组的联接110V110V110V220V返回返回第35页/共45页4、变压器绕组极性的测定、变压器绕组极性的测定（a）交流法）交流法1234V用交流法测定绕组极性的用交流法测定绕组极性的电路如图所示电路如图所示其中其中1-2为一个绕组，为一个绕组，3-4为另一个绕组，为另一个绕组，将两个绕组的任意两端联接在一起（如将两个绕组的任意两端联接在一起（如2和和4）；）；在其中一个绕组（如在其中一个绕组（如1-2）两端加一个较低的电压。）两端加一个较低的电压。用电压表分别测量用电压表分别测量U13、U12、U34。如果。如果U13是两绕组电压之是两绕组电压之差，则差，则1和和3是同极性端是同极性端。如果。如果U13是两绕组电压之和，则是两绕组电压之和，则1和和3是异极性端，是异极性端， 1和和4是同极性端。是同极性端。返回返回第36页/共45页1234mA（b）直流法）直流法S+-用直流法测定绕组极性的电路如图所示。用直流法测定绕组极性的电路如图所示。当开关当开关S闭合瞬间，如果毫安计的指针正向偏转，闭合瞬间，如果毫安计的指针正向偏转，则则1和和3是同极性端是同极性端；反向偏转时，则；反向偏转时，则1和和3是异极性是异极性端，端，1和和4是同极性端是同极性端。返回返回第37页/共45页返返回回 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某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。种机械零件、工件于固定位置的一种电器。一、简介一、简介第38页/共45页FF123123二、构成部分二、构成部分线圈线圈1铁心铁心2衔铁衔铁3电磁铁的基本结构如图所示电磁铁的基本结构如图所示返返回回第39页/共45页三、电磁吸力三、电磁吸力 电磁铁线圈通电后，铁心吸引衔铁的力，称为电磁铁线圈通电后，铁心吸引衔铁的力，称为电电磁吸力磁吸力。电磁吸力的大小，是由。电磁吸力的大小，是由电能转换为机械能电能转换为机械能的的平衡关系得出的。在此给出结果。平衡关系得出的。在此给出结果。1 1直流电磁吸力直流电磁吸力（牛顿）（牛顿）式中：式中：B B0 0：为气隙中的磁感应强度：为气隙中的磁感应强度 S S0 0：气隙有效截面积：气隙有效截面积直流电磁铁的特征：直流电磁铁的特征： （1 1）F F的大小不变；的大小不变； （2 2）无磁滞损耗和涡流损耗，铁心由用整块软）无磁滞损耗和涡流损耗，铁心由用整块软钢制成；钢制成； （3 3）励磁电流仅与线圈电阻有关，与气隙大小无）励磁电流仅与线圈电阻有关，与气隙大小无关。关。当气隙减小时，励磁电流不变。当气隙减小时，励磁电流不变。返回返回第40页/共45页 2 2交流电磁吸力交流电磁吸力设气隙中设气隙中则吸力为则吸力为吸力的最大值吸力的最大值 式中式中计算时只考虑吸力的平均值计算时只考虑吸力的平均值 （牛顿）（牛顿）返回返回第41页/共45页返返回回第42页/共45页0 0t tf fF F返回返回12i i第43页/共45页作业：作业：P P197197 P P198198第44页/共45页