第六章鐵心線(xiàn)圈與變壓器

1、一、磁路的基本概念一、磁路的基本概念1. 磁磁 路路 磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）：磁感應(yīng)強(qiáng)度表示）：磁感應(yīng)強(qiáng)度表示磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱方向的物理量。磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱方向的物理量。 如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同，這樣的磁場(chǎng)稱(chēng)為均勻相等，方向相同，這樣的磁場(chǎng)稱(chēng)為均勻磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。2. 磁路的基本物理量磁路的基本物理量磁路就是磁力線(xiàn)或磁通集中通過(guò)的路徑。磁路就是磁力線(xiàn)或磁通集中通過(guò)的路徑。磁路是個(gè)閉合路徑。磁路是個(gè)閉合路徑。 磁通（磁通（）：磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直與垂直于磁場(chǎng)方向的面積于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，成為通的乘積，成為通過(guò)該面積的磁通。

2、磁通的單位是韋過(guò)該面積的磁通。磁通的單位是韋伯伯（wb）。）。 = BS 磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）：表示磁場(chǎng)中與磁鐵：表示磁場(chǎng)中與磁鐵材料無(wú)關(guān)的磁場(chǎng)大小和方向的物理量。材料無(wú)關(guān)的磁場(chǎng)大小和方向的物理量。磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安/ /米（米（A/m）。）。 H=B/磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T） 磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率（） ：是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁：是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，單位是亨能力的物理量，單位是亨/米米(H/m) 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 0 =410 7H/m 相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù) r=/0 若若 r = 1 說(shuō)明是非磁性材料，說(shuō)明是非磁性材料，。 若若

3、 r 1 說(shuō)明是磁鐵材料。說(shuō)明是磁鐵材料。二、磁性材料的磁性能二、磁性材料的磁性能1. 高導(dǎo)磁性高導(dǎo)磁性 磁性材料之所以具有高導(dǎo)磁性是磁性材料之所以具有高導(dǎo)磁性是因?yàn)閮?nèi)部具有磁疇結(jié)構(gòu)。因?yàn)閮?nèi)部具有磁疇結(jié)構(gòu)。磁疇磁疇：由于磁性材料的分子之間有由于磁性材料的分子之間有一種特殊的作用而使每一區(qū)域內(nèi)一種特殊的作用而使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁鐵都排列整齊，顯示磁的分子磁鐵都排列整齊，顯示磁性，這些區(qū)域稱(chēng)為磁疇。性，這些區(qū)域稱(chēng)為磁疇。磁疇：磁疇： 在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁疇任意排列，處于疇任意排列，處于無(wú)序狀態(tài)，對(duì)外不無(wú)序狀態(tài)，對(duì)外不顯磁性。顯磁性。 在有外磁場(chǎng)作用在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁場(chǎng)就順外磁時(shí)，磁場(chǎng)就順

4、外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，形成場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，形成一個(gè)很強(qiáng)的與外磁一個(gè)很強(qiáng)的與外磁場(chǎng)方向一致的磁化場(chǎng)方向一致的磁化磁場(chǎng)，磁鐵材料被磁場(chǎng)，磁鐵材料被磁化。磁化。2. 磁飽和性磁飽和性 磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增加而無(wú)限外磁場(chǎng)的增加而無(wú)限地增加，當(dāng)外磁場(chǎng)增地增加，當(dāng)外磁場(chǎng)增加到一定值時(shí)，全部加到一定值時(shí)，全部磁疇的方向都已與外磁疇的方向都已與外磁場(chǎng)的方向一致，這磁場(chǎng)的方向一致，這時(shí)磁化磁場(chǎng)不在增強(qiáng)，時(shí)磁化磁場(chǎng)不在增強(qiáng)，B達(dá)到最大值，這一特達(dá)到最大值，這一特性稱(chēng)為磁飽和性。性稱(chēng)為磁飽和性。HBOabc當(dāng)磁鐵材料在交當(dāng)磁鐵材料在交變磁場(chǎng)作用下，變磁場(chǎng)作用下，將受到交變磁化將受到交變磁化, ,曲線(xiàn)如圖

5、。曲線(xiàn)如圖。HB磁滯曲線(xiàn)磁滯曲線(xiàn)3. 磁滯性磁滯性可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)H 為零時(shí)，為零時(shí)， 滯后一些時(shí)間才能到滯后一些時(shí)間才能到零值，這段為磁鐵材零值，這段為磁鐵材料的磁滯性。料的磁滯性。 當(dāng)當(dāng)H到零時(shí)，鐵到零時(shí)，鐵磁材料在磁化時(shí)所磁材料在磁化時(shí)所獲得的磁性不能完獲得的磁性不能完全消失，還要保留全消失，還要保留一定的磁性，這種一定的磁性，這種磁性稱(chēng)為剩磁磁性稱(chēng)為剩磁Br 。 使使B=0的的H值，即值，即HC 稱(chēng)為矯頑磁力。稱(chēng)為矯頑磁力。BrHC軟磁材料：軟磁材料：具有較小的具有較小的Br 和和HC 磁滯磁滯回線(xiàn)較窄，它的導(dǎo)率很高，一般用回線(xiàn)較窄，它的導(dǎo)率很高，一般用來(lái)制作電極，變壓器等的磁心。來(lái)制

6、作電極，變壓器等的磁心。硬磁材料：硬磁材料：具有較大的具有較大的Br 和和HC 磁滯磁滯回線(xiàn)較寬，它們被磁化后，剩磁不回線(xiàn)較寬，它們被磁化后，剩磁不易消失，一般用來(lái)制造永久磁鐵。易消失，一般用來(lái)制造永久磁鐵。磁鐵材料按磁滯回線(xiàn)形狀不同分為兩類(lèi)：磁鐵材料按磁滯回線(xiàn)形狀不同分為兩類(lèi)： 全電流定律全電流定律 磁路歐姆定律磁路歐姆定律 在磁路中，磁場(chǎng)強(qiáng)度在磁路中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任何一閉合沿任何一閉合路徑的線(xiàn)積分，等于包圍在閉合回路內(nèi)各路徑的線(xiàn)積分，等于包圍在閉合回路內(nèi)各電流的代數(shù)和。電流的代數(shù)和。dLHlI 其中，凡是電流的方向與總積分路程其中，凡是電流的方向與總積分路程的方向符合右手定則的取正，反之取

7、負(fù)。的方向符合右手定則的取正，反之取負(fù)。一、全電流定律一、全電流定律 若材料單一，結(jié)構(gòu)均勻若材料單一，結(jié)構(gòu)均勻IxHS H L = I N 若材料、結(jié)構(gòu)分段均勻若材料、結(jié)構(gòu)分段均勻1nkkkH LIIN IHL1L2L3L4二、磁路歐姆定律二、磁路歐姆定律INEIR電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì) F=IN電流電流I磁通磁通電壓電壓U=E磁壓磁壓F=HL電阻電阻R=l /S r磁阻磁阻Rm=L / S電路歐姆定律電路歐姆定律 I =U/ R磁路歐姆定律磁路歐姆定律 =F/ RmRm=L/S 稱(chēng)為磁阻稱(chēng)為磁阻 磁通磁通與磁動(dòng)勢(shì)與磁動(dòng)勢(shì)F成正比，與磁阻成反成正比，與磁阻成反比，這就是磁路歐姆定律。比，這

8、就是磁路歐姆定律。注意：注意：由于磁鐵材料的磁導(dǎo)率由于磁鐵材料的磁導(dǎo)率不是常不是常數(shù)，所以數(shù)，所以Rm不是常數(shù)。所以磁路歐姆不是常數(shù)。所以磁路歐姆定律一般用于定性分析磁路，而不是定律一般用于定性分析磁路，而不是直接通用于計(jì)算磁路。磁路的定量計(jì)直接通用于計(jì)算磁路。磁路的定量計(jì)算要用全電流定律輔以物質(zhì)的磁化曲算要用全電流定律輔以物質(zhì)的磁化曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。例例1、在鐵心線(xiàn)圈中通直流電，在鐵心線(xiàn)圈中通直流電，N=1000匝，磁路平匝，磁路平均長(zhǎng)度均長(zhǎng)度L=30cm，截面積，截面積S=10cm2，工作點(diǎn)上相對(duì)，工作點(diǎn)上相對(duì)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率r=1137。與在鐵心中建立磁通。與在鐵心中建立磁通=0.001

9、Wb，電流電流I=？INSL解：解：40.001T1T1010BS 7r01A/m700A/m1137 4 10BBH 由由H L=I N27003010A0.21A1000I 例例2、均勻無(wú)分支磁路，均勻無(wú)分支磁路，S、L、N一定，若磁路中一定，若磁路中B保持不變，試分析用磁導(dǎo)率高的材料作鐵心時(shí)，保持不變，試分析用磁導(dǎo)率高的材料作鐵心時(shí)，所需激勵(lì)電流比用磁導(dǎo)率低的材料作鐵心時(shí)是增所需激勵(lì)電流比用磁導(dǎo)率低的材料作鐵心時(shí)是增加還是減少了？加還是減少了？解：解：S一定，一定，B 不變不變 =BS 不變不變磁阻磁阻Rm=L / S ， L、S不變不變 Rm與與成反比成反比磁路歐姆定律磁路歐姆定律 =

10、I N / Rm， Rm ， 當(dāng)鐵心線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流為直流時(shí)成當(dāng)鐵心線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流為直流時(shí)成為直流鐵心線(xiàn)圈，當(dāng)勵(lì)磁電流為交流時(shí)，為直流鐵心線(xiàn)圈，當(dāng)勵(lì)磁電流為交流時(shí)，就是交流鐵心線(xiàn)圈。交流鐵心線(xiàn)圈的電就是交流鐵心線(xiàn)圈。交流鐵心線(xiàn)圈的電磁關(guān)系是分析交流電機(jī)、變壓器等電器磁關(guān)系是分析交流電機(jī)、變壓器等電器的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。1. 各物理量之間的關(guān)系各物理量之間的關(guān)系一、交流鐵心線(xiàn)圈一、交流鐵心線(xiàn)圈電磁關(guān)系如下：電磁關(guān)系如下：ui (iN)iR ：主磁通：主磁通 漏磁通漏磁通iue eddeNt ddeNt Em =2 f N mE =Em / = 4.44 f NmU E = 4.44 f Nm2例、例、

11、已知日光燈鎮(zhèn)流器的鐵心由硅鋼片疊成，平已知日光燈鎮(zhèn)流器的鐵心由硅鋼片疊成，平均磁路長(zhǎng)度均磁路長(zhǎng)度L=20cm，截面積，截面積S=7cm2，N=1000匝，匝，接在工頻接在工頻f =50Hz交流電路中，測(cè)得線(xiàn)圈的電壓有交流電路中，測(cè)得線(xiàn)圈的電壓有效值為效值為192V。試求。試求: 1）主磁通）主磁通m；2）磁感應(yīng)強(qiáng)）磁感應(yīng)強(qiáng)度度Bm；3）勵(lì)磁電流）勵(lì)磁電流I 。解：解：把鎮(zhèn)流器相當(dāng)一個(gè)鐵心線(xiàn)圈，則：把鎮(zhèn)流器相當(dāng)一個(gè)鐵心線(xiàn)圈，則： U4.44f Nmm=U4.44f N =1924.44501000 Wb =8.6510- -4 WbBm= mS = 8.6510- -4710- -4 T=1.2

12、4T查硅鋼磁化曲線(xiàn)得：查硅鋼磁化曲線(xiàn)得：Hm=0.6103A/mm120A0.085A221000H LIN 鐵心線(xiàn)圈的功率損耗主要有兩部分：鐵心線(xiàn)圈的功率損耗主要有兩部分： 鐵心線(xiàn)圈電路的鐵損鐵心線(xiàn)圈電路的鐵損 磁滯損耗磁滯損耗Ph 鐵損鐵損 渦流損耗渦流損耗PePFe=Ph+Pe渦流損耗渦流損耗Pe : :磁鐵材料既導(dǎo)磁又導(dǎo)電，在交變磁鐵材料既導(dǎo)磁又導(dǎo)電，在交變磁通通過(guò)鐵心時(shí)，在線(xiàn)圈和鐵心中都有感應(yīng)磁通通過(guò)鐵心時(shí)，在線(xiàn)圈和鐵心中都有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，在磁鐵中會(huì)出現(xiàn)旋渦式的電流電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，在磁鐵中會(huì)出現(xiàn)旋渦式的電流稱(chēng)為渦流。渦流在鐵心中產(chǎn)生的能量損耗稱(chēng)稱(chēng)為渦流。渦流在鐵心中產(chǎn)生的能量損耗稱(chēng)為渦

13、流損耗。為渦流損耗。ic 為了減小渦流損耗，一方面采用電阻率較高的為了減小渦流損耗，一方面采用電阻率較高的鐵磁材料（如硅鋼）也可以減小渦流。鐵磁材料（如硅鋼）也可以減小渦流。 另一方面可以把整塊鐵心改成順著磁場(chǎng)方向彼另一方面可以把整塊鐵心改成順著磁場(chǎng)方向彼此絕緣的硅鋼片疊成。這樣就可以限制渦流在較此絕緣的硅鋼片疊成。這樣就可以限制渦流在較小的截面內(nèi)流過(guò)；小的截面內(nèi)流過(guò)；iic 交流鐵心線(xiàn)交流鐵心線(xiàn)圈的鐵心都選圈的鐵心都選用法。用法。0.5mm或或0.35mm 厚厚的彼此絕緣的的彼此絕緣的硅鋼片疊成。硅鋼片疊成。UIR IU二、二、 直流鐵心線(xiàn)圈直流鐵心線(xiàn)圈直流磁路的特點(diǎn)直流磁路的特點(diǎn): : U

14、恒定恒定I恒定恒定磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì) F=IN恒定恒定m()FR 磁通和磁阻成反比磁通和磁阻成反比（線(xiàn)圈中沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)）（線(xiàn)圈中沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)）( R 為線(xiàn)圈的電阻為線(xiàn)圈的電阻 ) 恒定的磁通在鐵心中沒(méi)有磁滯損恒定的磁通在鐵心中沒(méi)有磁滯損耗和渦流損耗。耗和渦流損耗。 PFe = 0 2. .直流勵(lì)磁電流的大小取決于線(xiàn)端直流勵(lì)磁電流的大小取決于線(xiàn)端 電壓和線(xiàn)圈電阻的大小，而與磁路的性電壓和線(xiàn)圈電阻的大小，而與磁路的性質(zhì)（材料種類(lèi)，幾何尺寸，有無(wú)氣隙及質(zhì)（材料種類(lèi)，幾何尺寸，有無(wú)氣隙及氣隙大小等）無(wú)關(guān)，而交流勵(lì)磁電流的氣隙大小等）無(wú)關(guān)，而交流勵(lì)磁電流的大小則主要由磁路的性質(zhì)決定。大小則主要由磁路的性質(zhì)決定

15、。 3. .交流磁路的磁通基本上由線(xiàn)圈電交流磁路的磁通基本上由線(xiàn)圈電 壓決定，與磁路的性質(zhì)無(wú)關(guān)，而在直壓決定，與磁路的性質(zhì)無(wú)關(guān)，而在直 流磁路中，在線(xiàn)圈端電壓一定時(shí)，磁通流磁路中，在線(xiàn)圈端電壓一定時(shí)，磁通的大小與磁路的磁阻有關(guān)。的大小與磁路的磁阻有關(guān)。4. 交流磁路中，在交變磁通的作用下，交流磁路中，在交變磁通的作用下，鐵心中有磁滯損耗和渦流損耗（鐵損），鐵心中有磁滯損耗和渦流損耗（鐵損），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不變而在直流磁路中，由于磁通是恒定不變的，所以無(wú)鐵損。的，所以無(wú)鐵損。 變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器的工作原理變壓器的工作原理 變壓器的外特性與額定值變壓器的外特性

16、與額定值 變壓器的極性變壓器的極性 變壓器是變壓器是 用來(lái)改變電壓大小的一種重用來(lái)改變電壓大小的一種重要的電器設(shè)備要的電器設(shè)備, ,它在電力和供電系統(tǒng)中它在電力和供電系統(tǒng)中占有很重要的地位占有很重要的地位, ,在電子技術(shù)也得到在電子技術(shù)也得到廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。變壓器用途變壓器用途1. 升壓送電升壓送電2. 降壓送電降壓送電3. 在電子線(xiàn)路中用作電在電子線(xiàn)路中用作電源變換、傳遞信號(hào)、阻源變換、傳遞信號(hào)、阻抗變換等抗變換等繞組鐵心鐵心繞組殼式殼式心式心式二、變壓器的工作原理二、變壓器的工作原理u2u1i 2i 1電磁關(guān)系如下：電磁關(guān)系如下：u1 i 1 (i 1N1)e1 = - - N1d

17、/dte2 = - - N2d /dti2 (i 2N2)2 e2 - - L2di2 /dt1e1 = - - L1di 1/dtN1N212e1 e1e2 e2u2u1i2i1N1N21e1e2U1 / U2 =N1/N2 =K所以有：所以有： U1 / U2 = E1 / E2 =N1/N22. .有載運(yùn)行和電流變換有載運(yùn)行和電流變換u2u1i2i1N1N212e1e2變壓器有載時(shí)與無(wú)載時(shí)一樣變壓器有載時(shí)與無(wú)載時(shí)一樣 U1 / U2 =N1/N2 =Ki1 N1 +i2 N2 = i0 N1由于由于 i0 很小，很小， 忽略不計(jì)：忽略不計(jì)：i1N1 - - i2N2I1N1 = I2N2

18、 所以一、二次側(cè)的電流有效值所以一、二次側(cè)的電流有效值的關(guān)系為：的關(guān)系為： I1/I2=N2/N1=1/K3. .阻抗變換阻抗變換i 1u1 Z z = U2 / U1 z= U1 / I1 = K U2 / ( I2 / K) = K2 U2 / I2z=K2z 改變改變K，即可改變，即可改變z實(shí)現(xiàn)阻抗變換。實(shí)現(xiàn)阻抗變換。Zu1i1i2u2U1 / U2 =N1/N2 =KI1/I2=N2/N1=1/Kz=K2z升壓升壓 K 1 z z降壓降壓 K z外特性曲線(xiàn)：外特性曲線(xiàn)： U20I2OU2 U20為空載電壓為空載電壓U=(U20- -U2)/U20100一般為一般為5左右左右cos(2)

19、 =1cos(2)1 同極性端又稱(chēng)同名端，是指鐵心中的磁同極性端又稱(chēng)同名端，是指鐵心中的磁通變化時(shí)，在該端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極通變化時(shí)，在該端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性相同，或電流從兩個(gè)線(xiàn)圈的同極性端流性相同，或電流從兩個(gè)線(xiàn)圈的同極性端流入時(shí)，產(chǎn)生的磁通方向相同，用入時(shí)，產(chǎn)生的磁通方向相同，用 或或表示，在使用變壓器時(shí)，必須知表示，在使用變壓器時(shí)，必須知道同名端以便正確聯(lián)接。道同名端以便正確聯(lián)接。123456781. 當(dāng)接到當(dāng)接到220的電源時(shí)，的電源時(shí)，應(yīng)將應(yīng)將2、3相聯(lián)，相聯(lián)，1、4與電源與電源兩個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)。兩個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)。 當(dāng)接當(dāng)接110電源時(shí)，應(yīng)電源時(shí)，應(yīng)將將1、3相聯(lián)相聯(lián)2、4相聯(lián)，兩線(xiàn)相

20、聯(lián)，兩線(xiàn)圈并聯(lián)接到圈并聯(lián)接到110電源上。電源上。2. 若要得到若要得到12的輸出時(shí)，應(yīng)將的輸出時(shí)，應(yīng)將6、8相聯(lián)，從相聯(lián)，從5、 7兩個(gè)端子輸出。兩個(gè)端子輸出。 若要得到若要得到6的輸出時(shí)，應(yīng)將的輸出時(shí)，應(yīng)將6、7相聯(lián)，從相聯(lián)，從5、 8兩個(gè)端子輸出。兩個(gè)端子輸出。解：解： 燈泡是一個(gè)純電阻的負(fù)載，功率因數(shù)為燈泡是一個(gè)純電阻的負(fù)載，功率因數(shù)為1， 所以：所以： P =U2I2 I2 =P/U2 =60/36 A=1.67A K =U1/U2=380/60=10.56 I1 =I2/K =(1.6736)/380 A=0.158A 燈泡的電阻燈泡的電阻 : R =U22/P = 362/ 60 =21.6例例1、有一變壓器，有一變壓器，U1 =380V，