第10章 磁路與變壓器

1、 第第1111章章 磁路與變壓器磁路與變壓器章前絮語(yǔ) 研究電與磁的科學(xué)成果對(duì)人類的生產(chǎn)和生活影響最大，1825 英國(guó) 約翰研制成功電磁鐵。1831 英國(guó) 法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1832 法國(guó) 必柯錫利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成發(fā)電機(jī)。1834 德國(guó) 赫里蒙制成馬達(dá)。1886 美國(guó) 威斯金豪斯使用變壓器作交流輸配電成功等等。 近代和現(xiàn)代應(yīng)用電磁感應(yīng)發(fā)明的電磁器具更是不勝枚舉。比如：電磁爐 。 磁路的基本物理量和基本定律，鐵磁物質(zhì)的磁路的基本物理量和基本定律，鐵磁物質(zhì)的磁化，磁路和磁路定律，變壓器好電磁鐵等。磁化，磁路和磁路定律，變壓器好電磁鐵等。本章教學(xué)內(nèi)容本章教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容: : 磁場(chǎng)的基

2、本物理量和磁路定律。 教學(xué)要求教學(xué)要求: : 深刻理解磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度等概念。 10-1 10-1 磁路磁路 10-1 10-1 磁路磁路 磁路：人為限定磁通通過(guò)的路徑。磁路：人為限定磁通通過(guò)的路徑。勵(lì)磁電流：用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流。勵(lì)磁電流：用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流。勵(lì)磁線圈：流過(guò)勵(lì)磁電流的線圈。勵(lì)磁線圈：流過(guò)勵(lì)磁電流的線圈。直流磁路：由直流勵(lì)磁的磁路。直流磁路：由直流勵(lì)磁的磁路。交流磁路：由交流勵(lì)磁的磁路。交流磁路：由交流勵(lì)磁的磁路。i1.1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度:描述磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物描述磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。理量。 大小：磁感應(yīng)線（即磁力線）

3、的疏密。方向：該點(diǎn)磁力線切線方向。定義國(guó)際制：特斯拉，簡(jiǎn)稱特（T） 或韋伯/米2（Wb/m2）電磁制：高斯（Gs）。兩者的關(guān)系是：1T=104Gs 。B的單位的單位二、磁場(chǎng)的基本物理量二、磁場(chǎng)的基本物理量l IFB2.2.磁通磁通 磁通磁通：磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面與垂直于磁場(chǎng)方向的面積積S的乘積的乘積。=BS定義的單位的單位國(guó)際制：韋伯（Wb）電磁制：麥克斯韋（Mx）兩者的關(guān)系是：1Wb=108Mx（亨亨/米）米）70104 真空中的磁導(dǎo)率 為常數(shù)0 一般物質(zhì)的磁導(dǎo)率 和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率r0r1r，則稱為磁性材料則稱為磁性材料1r，則稱為非磁性材

4、料則稱為非磁性材料3.3.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的一個(gè)物理量磁導(dǎo)率：表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的一個(gè)物理量。一些常見(jiàn)材料的一些常見(jiàn)材料的磁導(dǎo)率見(jiàn)磁導(dǎo)率見(jiàn)P31表表10-1。4.4.磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度:計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)引用的一個(gè)物理量計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)引用的一個(gè)物理量。 國(guó)際制：安/米（A/m）電磁制：奧斯特（Oe）兩者的關(guān)系是：1A/m=410-3OeH的單位的單位磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為 B=H 磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向與所在點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向一致，其大小只與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流以及這些電流分布有關(guān)，與磁介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 二、磁路定律二、磁路定律1 1磁通勢(shì)和磁阻磁通勢(shì)和磁阻磁通勢(shì)磁通勢(shì)F:

5、通過(guò)線圈的電流與線圈匝數(shù)的乘積通過(guò)線圈的電流與線圈匝數(shù)的乘積。 磁阻磁阻Rm:磁通通過(guò)磁路時(shí)所受到的阻礙作用。磁通通過(guò)磁路時(shí)所受到的阻礙作用。FIN定義 磁路中磁阻的大小與磁路的長(zhǎng)度成正比，與磁路的橫截面積成反比，還與磁路中所用的材料的磁導(dǎo)率有關(guān)。 SlRm2 2磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律 mFR 磁通勢(shì)F的單位為(A)，磁阻 的單位為(1H)，磁通的單位為(Wb) mR說(shuō)明：說(shuō)明：磁路的歐姆定律與電路的歐姆定律有很多相似之處，但分析與處理磁路比電路難得多。由于鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率 不是常數(shù)，因此磁路歐姆定律一般不能直接用來(lái)進(jìn)行磁路計(jì)算，只用于定性分析。3.3. 磁路的基爾霍夫定律磁路的基爾霍

6、夫定律（1 1）磁路的基爾霍夫第一定律）磁路的基爾霍夫第一定律=0 （2 2）磁路的基爾霍夫第二定律）磁路的基爾霍夫第二定律(Hl)=(IN) Um=Fm 穿過(guò)閉合面S的所有磁通的代數(shù)和等于零。 或磁通勢(shì)等于各段磁路的磁位差之和 附附:磁路和電路的基本量比較磁路和電路的基本量比較磁通磁通磁壓降磁壓降)(mUHl磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì)INF 電壓降電壓降U電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E電流電流I電電路路R+_EIU磁磁路路INSlRm磁阻磁阻SlR電阻電阻附附:磁路和電路的基本定律比較磁路和電路的基本定律比較mRFREI 歐姆定律歐姆定律基爾霍夫第基爾霍夫第1 1定律定律00IIRUSHlNI磁路磁路電路電路基爾霍夫第基

7、爾霍夫第2 2定律定律例例10-110-1 一空心線圈，形成環(huán)形閉合回路，其橫截面積為10 ，長(zhǎng)度為20cm，線圈匝數(shù)為660，線圈中的電流為5A，求線圈的磁阻、磁通勢(shì)、磁通。2cm28174020 101.6 1041010 10mlRHS解解: :3660 53.3 10FNIA3583.3 102.1 101.6 10mFWbR 例例10-210-2 某一無(wú)分支有氣隙的鐵心線圈磁路，若線圈兩端加以直流電壓，試分析氣隙變大時(shí)對(duì)磁路中的磁阻Rm,磁通和磁動(dòng)勢(shì)Fm的影響。 磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì)INF 解解: :為恒定值，與氣隙大小無(wú)關(guān)。磁阻磁阻Rm磁阻Rm隨氣隙變大而顯著增加。 mRF磁通隨磁阻Rm變

8、大而減小。 4700.17.96 10 A/m410BBH44m 7.96 100.151.2 10 AUHl例例10-310-3 一均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1T，媒介質(zhì)是空氣，與磁場(chǎng)方向平行的線段長(zhǎng)15cm，求這一線段上的磁位差。 解解: :例例10-4解解: :重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容: : 磁性材料的磁性能 磁性材料的應(yīng)用 教學(xué)要求教學(xué)要求: : 了解磁性材料的磁性能及應(yīng)用 10-2 磁性材料的磁性能及應(yīng)用磁性材料的磁性能及應(yīng)用 一、磁性材料的磁性能一、磁性材料的磁性能具有磁疇 被磁化 磁飽和 1.高導(dǎo)磁率高導(dǎo)磁率磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能2.磁飽和性磁飽和性3.磁滯性磁滯性二、磁化曲線

9、二、磁化曲線1起始磁化曲線起始磁化曲線鐵磁物質(zhì)的起始磁化鐵磁物質(zhì)的起始磁化曲線曲線(B-H)-H曲線曲線 非鐵磁物質(zhì)的非鐵磁物質(zhì)的B-H曲線曲線2磁滯回線磁滯回線剩磁剩磁Br矯頑力矯頑力HC3.3.基本磁化曲線基本磁化曲線 三、磁性材料的應(yīng)用三、磁性材料的應(yīng)用1 1軟磁材料軟磁材料 軟磁材料是指磁滯回線形狀狹窄的材料。 軟磁材料一般用于交流電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器、開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品的鐵心和各種電感元件（如濾波器、高頻變壓器、錄音錄相磁頭）的磁心。 2 2硬磁材料硬磁材料 硬磁材料是指磁滯回線形狀較寬的材料。 硬磁材料適宜制造永久磁鐵，被廣泛用于磁電式測(cè)量?jī)x表、揚(yáng)聲器、永磁發(fā)電機(jī)及電信裝置中。 3

10、 3矩磁材料矩磁材料 矩磁材料是指磁滯回線形狀如矩形的材料。其特點(diǎn)是，當(dāng)有很小的外磁場(chǎng)作用時(shí)，就能使之磁化，并達(dá)到飽和。去掉外磁場(chǎng)后，磁性仍然保持與飽和時(shí)一樣。 矩磁材料主要用于各種計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器磁心和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、雷達(dá)導(dǎo)航、宇宙航行及信息處理顯示等方面。小結(jié)：小結(jié)：1磁場(chǎng)的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B:描述磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向。磁通:磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積。磁導(dǎo)率:表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的強(qiáng)弱。真空的磁導(dǎo)率是0，其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率用表示，=r 0 ，非磁性物質(zhì)的r1，磁性物質(zhì)的r1 。B磁場(chǎng)強(qiáng)度H:計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)引用的一個(gè)物理量，H的大小由式H= 決定，但由于不是常數(shù)，所以鐵磁物質(zhì)的H

11、與B需查B-H曲線得到。磁通勢(shì)F:通過(guò)線圈的電流與線圈匝數(shù)的乘積。 磁阻Rm:磁通通過(guò)磁路時(shí)所受到的阻礙作用。2磁路定律磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律 mFR 3磁性材料的磁性能 由于磁性材料具有磁疇的結(jié)構(gòu)，所以其在外磁場(chǎng)的作用下可呈現(xiàn)磁性，即被磁化。磁路的基爾霍夫定律磁路的基爾霍夫定律 =0 (Hl)=(IN) 或磁化曲線有起始磁化曲線、磁滯回線和基本磁化曲線。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分三種類型： 軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料矩磁材料矩磁材料磁性材料具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。10-3 10-3 變壓器變壓器教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容： 變壓器教學(xué)要求：教學(xué)要求： 1.掌握電壓與磁通的有效

12、值關(guān)系。 2.理解變壓器的工作原理。 3.掌握變壓器變壓、變流及阻抗變換作用。 4.了解常用變壓器。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： 重點(diǎn)：重點(diǎn)：電壓與磁通的有效值關(guān)系。 難點(diǎn)：難點(diǎn)：變壓器的工作原理。 10-3 10-3 變壓器變壓器 變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備，變壓器的類型很多，按照用途分有：用于輸、配電的電力變壓器，用于測(cè)量技術(shù)的儀用互感器，用于電子整流電路的整流變壓器等，按照變換電能相數(shù)的不同，分為單相變壓器和三相變壓器。 一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)組成：鐵心的作用：構(gòu)成變壓器的磁路。鐵心 繞組 繞組的作用：形成變壓器的電路，以及產(chǎn)生磁場(chǎng)。變壓器按鐵心結(jié)構(gòu)分： 變壓器結(jié)構(gòu)

13、變壓器結(jié)構(gòu) 二、變壓器的工作原理二、變壓器的工作原理 變壓器利用電磁感應(yīng)的作用進(jìn)行繞組間的能量耦合，實(shí)現(xiàn)交流電能的傳送與轉(zhuǎn)換。 變壓器的原理圖變壓器的原理圖 u1i1(i1N1)i2(i2N2)212211eeee電磁感應(yīng)過(guò)程電磁感應(yīng)過(guò)程考慮線圈損耗r1、r2,根據(jù)KVL列出一、二次回路的電壓方程)()(11111eeiru22222eeiru（10-1310-13）1.1.電壓變換關(guān)系電壓變換關(guān)系方程10-13中，若忽略繞組的導(dǎo)線損耗和漏磁，得u1-e1 或11EUu2e2 或22EU設(shè)主磁通=msint推出同理U14.44fN1mU24.44fN2mnNNEEUU2121201得（10-1

14、810-18）2.2.電流變換關(guān)系電流變換關(guān)系由U1E1=4.44fNm可知， 當(dāng)f 、N一定，磁通m也基本不變，所以，變壓器有載和空載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)基本相等，即102211NiNiNi102211NININI或2211NiNi2211NINI或nNNII11221得（10-2110-21）例例10-510-5解解: :3.3.變壓器的變換阻抗作用變壓器的變換阻抗作用 由圖可得由圖可得 ， 111UZI222UZI221ZnZ 推出（10-2210-22）例例10-610-6解解: :由圖（a），電流為mAAARRUILSS18018. 0819236電壓源輸出的功率 揚(yáng)聲器獲得的功率 WWIUP

15、SUS48. 618. 036WWRIPLL2592. 0818. 022（2）用變壓器如圖（b）（c）實(shí)現(xiàn)匹配，電流為 mAAARRUISS75.9309375. 01921923611電壓源輸出的功率 WmWIUPSUS375. 375.93361揚(yáng)聲器獲得的功率 WWRIPL688. 119209375. 02121899. 481921LRRn根據(jù)式221ZnZ ，可得 比較（1）、（2）結(jié)果，電壓源輸出的功率由6.48W下降至3.375W；負(fù)載獲得的功率由0.2592W上升至1.688W。負(fù)載獲得的功率占電源輸出功率由4%上升50%。 阻抗匹配后揚(yáng)聲器增大功率6.5倍。 三、變壓器的

16、功率和額定值三、變壓器的功率和額定值1.1.變壓器的功率變壓器的功率 變壓器帶負(fù)載時(shí)11 11cosPU I輸出功率22 22cosPU I理想變壓器 P1=P2實(shí)際變壓器 有損耗的，損耗影響效率。輸入功率2.2.變壓器的損耗和效率變壓器的損耗和效率 (1)銅損 (2)鐵損 PCu=I2r PFe=Ph+Pe 磁滯損耗磁滯損耗 Ph=Kh f BmnV 渦流損耗渦流損耗 Pe=Ke f 2Bm2V 總的功率損耗FeCuPPP輸入功率12PPP變壓器的效率%100%1002212CuFePPPPPP 變壓器的功率損耗很小，因此效率很高，通常在95以上。在一般電力變壓器中，當(dāng)負(fù)載為額定負(fù)載的507

17、5時(shí)，效率達(dá)到最大值。 （10-33） 3.3.變壓器的主要額定值變壓器的主要額定值（3 3）額定容量）額定容量NS（4 4）工作頻率）工作頻率Nf（1 1）額定電壓）額定電壓NUNU1NU2（2 2）額定電流）額定電流NINI1NI22211NNNNNSUIUI單相變壓器 三相變壓器 221133NNNNNSUIUI三、常用變壓器三、常用變壓器1 1小型電源變壓器小型電源變壓器 小型電源變壓器廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和日常用電上，一般輸入220V的交流電，通過(guò)副繞組的多個(gè)引出抽頭，可得到3V、6V、12V、24V、36V等不同輸出電壓。如機(jī)床電路中，用到36V的安全電壓和12V的照明電壓。 2 2

18、自耦變壓器自耦變壓器 自耦變壓器是一種常用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是它只有一個(gè)繞組，二次繞組為一次繞組的一部分，在繞組上安了一個(gè)滑動(dòng)抽頭，使它的輸出電壓能連續(xù)均勻地調(diào)節(jié)，使用起來(lái)非常方便。 自耦變壓器的外形和結(jié)構(gòu)示意圖自耦變壓器的外形和結(jié)構(gòu)示意圖 3 3電流互感器電流互感器 電流互感器主要用來(lái)擴(kuò)大交流電流表的量程。使用電流互感器也是為了測(cè)量高壓電路的電流時(shí)，能夠把電流表與高壓電路隔開(kāi)，確保人身和設(shè)備的安全。 電流互感器的原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測(cè)電路負(fù)載串聯(lián)；副繞組線徑較細(xì)，匝數(shù)很多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。使用時(shí)副繞組電路不允

19、許開(kāi)路。 iknNNII1122121IkIi或 4 4電壓互感器電壓互感器 電壓互感器的一次繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測(cè)電路兩端；二次繞組匝數(shù)較少，與電壓表、電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)，用于將高電壓變換成低電壓。使用時(shí)，二次繞組不允許短路，二次繞組的一端和鐵殼應(yīng)可靠接地，以確保安全。 使用時(shí)，一次繞組接高壓電源上，二次繞組接低壓電壓表，用于將高電壓變換為低電壓。nNNUU2120121nUU 或5三相變壓器三相變壓器 三相變壓器用于電力傳輸系統(tǒng)，因此具有容量大、電壓高的特點(diǎn)。 三相變壓器的高壓繞組和低壓繞組都有星形和角形兩種接法。其中常用的三種 （1）Y/Y0接法（2）Y/接法 （3）

20、Y0/接法 例例10-710-7解解: :小結(jié)：小結(jié)：變壓器變壓器（1）變壓器的原理，電壓與磁通的關(guān)系： U=4.44fNm（2）變壓器的作用電壓變換、電流變換和阻抗變換關(guān)系。（3）常用變壓器 小型電源變壓器、自耦變壓器、電壓互感器、電流互感器、三相變壓器的原理應(yīng)用 nNNUU2121nNNII11221221ZnZ （4）變壓器的功率與損耗：2222cosPU I輸出功率FeCuPPP 損耗功率21100%PP 變壓器的效率 變壓器的額定值：額定容量、額定電壓、額定電流及額定頻率。11 11cosPU I 輸入功率12PPP 功率關(guān)系10-4 10-4 電磁鐵電磁鐵電磁鐵的幾種形式電磁鐵的幾種形式 電磁鐵一般由線圈、鐵心和銜鐵三部分構(gòu)成。電磁鐵的工作原理是：當(dāng)線圈中通