磁路與鐵心線圈電路、變壓器5

第7章磁路與鐵心線圈電路7.2磁性材料的磁性能7.5變壓器7.1磁場(chǎng)的基本物理量7.3磁路及其基本定律7.4交流鐵心線圈電路2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；3.掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用；本章要求：第7章磁路與鐵心線圈電路1.理解磁場(chǎng)的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識(shí)及磁路的基本定律，會(huì)分析交流鐵心線圈電路；7.1

磁場(chǎng)的基本物理量7.1.1

磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B:

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場(chǎng):

各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場(chǎng)，也稱勻強(qiáng)磁場(chǎng)。7.1.2

磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。在均勻磁場(chǎng)中=BS或

B=/S

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s7.1.3

磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H

：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)任意選定一個(gè)閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負(fù)。

式中：是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿任意閉合線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；I

是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI2安培環(huán)路定律將電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)系起來。

在均勻磁場(chǎng)中

Hl=IN線圈匝數(shù)與電流的乘積NI

，稱為磁通勢(shì)，用字母

F表示，則有

F=NI

磁通由磁通勢(shì)產(chǎn)生，磁通勢(shì)的單位是安[培]。式中：N

線圈匝數(shù)；

l磁通為閉合回線圓周長(zhǎng)；

H

磁場(chǎng)強(qiáng)度；

NI為線圈匝數(shù)與電流的乘積。真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：7.1.4

磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對(duì)磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）7.1.5物質(zhì)的磁性1.非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)分子電流的磁場(chǎng)方向雜亂無章，幾乎不受外磁場(chǎng)的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有：所以磁通與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)媒質(zhì)是非磁性材料時(shí)，有：即B與H成正比，呈線性關(guān)系。由于OHB0r

1B=0H()(I)2.磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場(chǎng)排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女牎Ｔ谕獯艌?chǎng)作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場(chǎng)方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場(chǎng)在沒有外磁場(chǎng)作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無章，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。磁疇7.2

磁性材料的磁性能7.2.1

高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。7.2.2

磁飽和性BJ

磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0

磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的B-H

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJB?a?b

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線性曲線，實(shí)際中通過實(shí)驗(yàn)得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系7.2.3

磁滯性磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。7.3磁路及其基本定律7.3.1磁路的概念在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路交流接觸器的磁路式中：F=NI

為磁通勢(shì)，由其產(chǎn)生磁通；

Rm

稱為磁阻，表示磁路對(duì)磁通的阻礙用

2.磁路的歐姆定律若某磁路的磁通為，磁通勢(shì)為F

，磁阻為Rm，則此即磁路的歐姆定律。7.3.2磁路的歐姆定律3.磁路與電路的比較磁路磁通勢(shì)F磁通磁阻電路電動(dòng)勢(shì)E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流INI+_EIR7.4

交流鐵心線圈電路7.4.1電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢(shì)）主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關(guān)系。7.4.2電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻

L是漏磁電感

當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢(shì)E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。7.4.3功率損耗交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1.銅損（Pcu）在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu

表示。Pcu

=RI2式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值。2.鐵損（PFe）在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+–ui7.5

變壓器

變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）7.5.1

概述UIP=I2RlIS變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號(hào)7.5.2

變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。(1)空載運(yùn)行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。(2)帶負(fù)載運(yùn)行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z2.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則(1)一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（匝比）K為變比對(duì)二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;

X2=L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。變壓器空載時(shí):+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有3.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)。空載：有載：+–|Z|+–+–+–一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。或：1.提供產(chǎn)生m的磁勢(shì)2.提供用于補(bǔ)償作用

的磁勢(shì)磁勢(shì)平衡式：空載磁勢(shì)有載磁勢(shì)4.阻抗變換由圖可知：結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。

+–+–+–(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號(hào)源R0RL+–R0+–+–解:例1:

如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí),信號(hào)源輸出多大功率？信號(hào)源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí)，輸出功率為：1）

變壓器的型號(hào)5.變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

2）

額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開路（空載）時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：容量SN

輸出功率P2

一次側(cè)輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)2)額定值7.5.3

變壓器的外特性與效率1.變壓器的外特性當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系U2=f(I2)。

U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時(shí)，二次側(cè)的輸出電壓。一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在5%左右。電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.

變壓器的效率()為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感

應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造

成的損耗。

鐵損(PFe)：變壓器的效率為一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí)，最大。輸出功率輸入功率當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出）端稱為同極性端。??AXax?AXax1.同極性端(同名端)或者說，當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。同極性端用“?”表示。增加+–+++–––同極性端和繞組的繞向有關(guān)。7.5.4

變壓器繞組的極性?聯(lián)接

2－3變壓器原一次側(cè)有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組：2.線圈的接法??1324??1324

聯(lián)接

1－3，2－4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+–+–電源電壓為110V時(shí)：

如果兩繞組的極性端接錯(cuò)，結(jié)果如何？結(jié)論：在同極性端不明確時(shí)，一定要先測(cè)定同極性端再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個(gè)線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應(yīng)電勢(shì)??1324’+–方法一：交流法把兩個(gè)線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX上加一低電壓