第6章磁路与铁芯线圈电路概要

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1、1/42,电工技术,第六章 磁路与铁芯线圈电路,2/42,第六章 磁路与铁心线圈电路（4学时）,6.1 磁路及其分析方法 6.2 交流铁心线圈电路 6.3 变压器,3/42,关于磁路的一些基本概念,磁路：采用磁性材料制成的具有一定形状的导磁通路。 磁路与电路的比较： 电路：金属铜的电阻率：1.75 10-6cm，干燥空气的电阻率：1.015105cm ，铜的电导率是干燥空气的5.8 1010倍； 磁路：常用的导磁性能较好的材料，硅钢片相对真空的磁导率倍数：约10000倍。 两个倍数之间的倍率：5.8 106倍。 磁性材料有饱和特性，磁场强度达到一定程度后磁性材料的磁导率大大下降，甚至接近空气的

2、磁导率。 结论：磁场比电场更容易从磁路中泄露到周围的空气中。 注意：本书在研究磁路时将磁路近似为没有磁场泄漏的理想的线性磁路。,4/42,6.1 磁路及其分析方法,心式变压器,壳式变压器,5/42,变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。,能量转换,6/42,磁场的基本物理量,磁感应强度B（磁通密度） 表示磁场内某点磁场强弱与方向的物理量。 描述了磁场强弱及方向。 单位：特斯拉或高斯T,Gs ，1Gs=10-4T 其中：特斯拉是国际单位,磁通量 (简称：磁通) (垂直)穿过截面S的磁力线根数 在均匀磁场，且B 与S垂直时，有 单位：韦伯 Wb 根据电磁感应定律有：,7/42,磁场的基本

3、物理量,磁场强度H(这个H与磁场强度无关，请另起一个名称？） （H是电流强度与磁场强度之间的媒介量，名称：磁流强度) 一个由电流引起的磁场物理量。 单位：安每米A/m,磁导率 表示物质导磁能力的大小，单位：亨/米（H/m） 用于衡量导磁能力： 真空的磁导率 H/m,相对磁导率：相对于真空磁导率的倍数,8/42,磁性材料的磁性能,磁性材料：铁、钴、镍及其合金 高导磁性：具有很高的磁导率。 磁饱和性（非线性）：磁场强度达到一定程度后再增加，磁感应强度不再线性增加。 磁滞特性：磁场强度与磁感应强度不同步。 磁滞回线： 剩磁： H=0时B的值 矫顽力： B=0时H的值,9/42,磁性材料的分类,软磁材

4、料：矫顽力较小、磁滞回线较窄的材料。导磁性能好、交流磁损耗小：铸铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体。 永磁材料：矫顽力较大、磁滞回线较宽的材料。用于制造永久磁铁，碳钢、铁镍铝钴合金、稀土材料等。 矩磁材料：矫顽力较小、剩磁较大的材料。用于制造记忆元件，有镁锰铁氧体、铁镍合金等。 特别注意：本书只研究，没有饱和、没有磁滞损耗、通常忽略涡流损耗的的线性铁磁材料。,10/42,磁路的分析方法,安培环路定律：,简单磁路：,对于均匀磁路有：,磁通势定义：,磁压降定义（磁路欧姆定律）：,磁通势又称：磁动势,磁阻定义：,则：,磁压降又称：磁位差,11/42,电路与磁路的对照表,12/42,相比电路，磁路分析的特点,

5、1、由于导线相比周围的介质导电性能好得多，电流被束缚在导线中流动，而导磁材料通常比周围的介质导磁性能稍好，但饱和时两者接近，有时还需要有气隙，会有较多的磁场泄漏到周围介质中去，磁路分析较复杂。 2、磁性材料通常是非线性材料，磁路分析只能采用近似分析方法，难以精确计算。 3、磁性材料通常有剩磁，剩磁处理较为麻烦，造成计算与实际情况的差异。 4、磁路空间结构通常不是很规则，计算只能作近似处理。 5、不饱和磁路近似为线性磁路进行计算。,13/42,磁路的串联,串联磁路：,铁芯与气隙的串联磁路：,总磁阻：,磁回路：,磁动势：,磁通：,串联磁路截面积相同时 磁感应强度相同。,14/42,磁路的并联,并联

6、磁路：,两条并联磁路：,总磁阻：,磁回路：,磁动势：,磁流：,并联磁路磁路长度相同时 磁场强度相同。,15/42,直流铁心线圈电路,直流铁心线圈：具有一定电阻的导电线圈。,稳态时，线圈的电压与电流符合欧姆定律：,或,磁通方向与电流方向 之间的关系：右手定则,16/42,例1,环形铁心线圈，磁路平均长度39.2cm，磁路中含有一段长度为0.2cm的气隙，铁心磁导率0.0018H/m，线圈电流1A，磁感应强度0.9T，求线圈匝数N。,17/42,6.2 交流铁心线圈电路,电磁关系 交流铁心线圈：铁心磁通发生改变时会在线圈中产生感应电动势。 铁心线圈的磁通大部分经过铁心闭合称为主磁通，少部分通过周围

7、空气闭合称为漏磁通，主磁通与对应的电流呈非线性关系，电感也是非线性的；而漏磁通经过的介质为空气，电流与漏磁通呈线性关系，电感是线性的。实际上主磁通与漏磁通难以区分。 电感：,18/42,电动势、反电动势与感应电动势（补充）,1、显然电动势有狭义与广义双重含义； 2、狭义的电动势自然指的是正电动势； 3、广义的电动势当然是指正电动势、反电动势、感应电动势的总称； 4、正电动势：电源状态（参考方向为电源型关联关系）时的电动势； 5、反电动势：负载状态（参考方向为电阻型关联关系）时的电动势； 6、感应电动势：是指由于磁通或磁链变化而在线圈中感应出的电压。,19/42,感应电动势的方向,电磁线圈：电感

8、、铁芯线圈电路。 感应电动势：磁场变化时电磁线圈产生的电动势。 楞次定理：感应电动势方向是其产生的电流阻碍磁通变化的方向。该定理反映了磁通与感应电动势的方向关系。,当电动势的参考方向与感应电动产生电流趋势的方向呈电源型关联时，电动势与磁通的关系为：这时的感应电动势也称为感应电压。,当电动势的参考方向与感应电动产生电流趋势的方向呈电阻型关联时，电动势与磁通的关系为：,20/42,电压与电流的关系,铁心线圈：,电磁感应定律（感应电压）：,当电压为正弦时， 其它物理量也近似为正弦量。,当忽略电阻R时：,21/42,功率损耗,交流铁心线圈的损耗分为铜耗与铁耗，P=P铜+P铁。 铜耗：导致线圈发热，由线

9、圈的直流电阻产生的损耗。 铁耗：导致铁心发热，包括磁滞损耗、涡流损耗。 磁滞损耗：铁心材料磁滞产生的损耗，与磁滞回线的面积成正比，采用磁滞回线面积小的导磁材料或降低工作时的磁场强度以减少损耗。 涡流损耗：铁心材料中感应涡流产生的损耗，采用电阻率大的材料或将整块材料分割成小块（或片状）以减小损耗。 磁滞现象的利用：磁滞同步电机，启动特性好。 涡流现象的利用：涡流制动器，结构简单、成本低廉。 铁耗近似与磁感应强度的平方成正比。,22/42,等效电路,铁心线圈(注意参考方向)：,R0：铁耗等效电阻 X+X0：线圈感抗,23/42,例2,交流铁心线圈，电源电压220V，电流4A，功率表读数P=100W

10、，频率50Hz，线圈电阻与漏感忽略不计，求：铁心线圈的功率因数、铁心线圈的等效电阻与感抗。,24/42,例3,交流铁心线圈，电源电压220V，电流3.4A，功率表读数P=100W，线圈电阻2.4，求：铁心线圈的功率因数、铁耗等效电阻与线圈感抗。,25/42,6.3 变压器,心式变压器,壳式变压器,26/42,变压器的主要结构部件,副边： 负载侧 二次绕组,变压器铁心 磁路部分,原边： 电源侧 一次绕组,27/42,理想变压器（补充）,理想变压器：没有电阻、漏抗、损耗、无需励磁电流。,理想变压器：输入功率等于输出功率、电压与匝数成正比、电流与匝数成反比。,同极性端：又称同名端，是指变压器的两个绕

11、组感应出来的电动势极性相同的接线端。,理想变压器：不会产生或消耗无功或有功功率。,28/42,变压器各电磁量的参考方向,29/42,实际变压器的等效电路,忽略变压器的铁耗,30/42,变压器参考方向的设定规则,1、原边与副边绕组电流在磁路中产生磁通方向相反，主磁通以原边磁通的方向为正方向； 2、主磁通在原边与副边绕组同名端产生感应电动势的极性相同； 3、感应电动势（感应电压）参考方向标记采用电源型关联方式； 4、漏阻抗上的电压参考方向由电流参考方向依据电阻型关联的方式确定; 5、原边（电源侧，含漏阻抗）作为负载与电源电压的参考方向相同，副边（负载侧，漏阻抗视作负载）作为电源与负载电压的参考方向

12、相同。,31/42,工作原理,1、原边绕组与副边绕组的电流除产生少量的漏磁通外，所产生的主磁通相互匝链（耦合）。 2、漏磁通的变化在原副边中各自产生漏感电动势。 3、主磁通的变化在原边与副边中产生感应电动势。 4、原边电压与原边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压、铁耗等效电阻电压形成平衡关系； 5、副边电压与副边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压、铁耗等效电阻电压形成平衡关系。 6、为了简化计算，常常将铁耗等效电阻忽略，或合并到铜耗电阻中去。,32/42,电压变换,原边电压与原边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压形成平衡关系：,副边电压与副边的漏感电动势、主磁通感

13、应电动势及铜线电阻电压形成平衡关系：,原边绕组与副边绕组的电流除产生少量的漏磁通外，所产生的主磁通相互匝链（耦合）:,当原边电流在原边铜耗电阻与漏感上产生的电压较小时可忽略，以简化计算，则：,当副边电流较小时，副边漏阻抗上的电压较小可忽略，则：,33/42,电流变换,当电压较低导致感应电动势较低时，铁耗等效电阻上的电流较小，该电流通常忽略；则：,作为电流变换应用时，副边近似短路，原边电压很低，励磁电流很小，励磁电流可以忽略，则：,额定容量：副边绕组额定电压与额定电流的乘积，即：,34/42,例4,变压器U1为380V，N1为760匝，空载电压U20为127、U30为36V，求：N2、N3为多少

14、匝。,35/42,例5,变压器U1为380V，N1为760匝，空载电压U20为127V、U30为36V，接电阻性负载，I2为2.14A，I3为3A， 求：I1、P1、P2、P3。,36/42,阻抗变换（等效阻抗）,变压器除可以进行电压变换与电流变换外还可以进行阻抗变换，当副边外接阻抗器Z时，从原边观测有相应的阻抗Z，即：将变压器与副边阻抗等效为一个阻抗，则：,阻抗变换常用于阻抗匹配的而进行的变换。,37/42,例6,交流信号源E=120V，内阻R0=800，负载电阻RL=8； （1）当R1折算到原边R1等于R0时，求：变压器变比K、信号源输出功率；（2）负载直接与信号源连接，求：信号源输出功率

15、。,38/42,变压器的外特性,由于变压器存在铜耗电阻、漏抗，当负载电流增加时，变压器副边输出电压会略有下降，且由于变压器本身呈现较强的感性，当负载功率因数降低（感性）时，副边输出电压下降会更多些。 变压器的电压稳定性采用空载至额定负载的输出电压的变化率来表征。,39/42,变压器的损耗与效率,由于变压器存在铜耗、铁耗。 铜耗与负载大小有关：正比于电流平方； 而铁耗与负载大小基本无关（但与输入电压的大小有关）。 变压器的效率：,通常当负载率达到50%70%时，变压器的效率达到最大。,40/42,例7,三相变压器SN=100KVA，U1N=6000V，U2N=U20=400V，f=50Hz，PF

16、e=600W，PCu=2400W，绕组Y/Y0连接，求（1）变压器的额定电流；（2）满载与半载时的效率。,41/42,特殊变压器,自耦变压器：副边输出绕组原边共用的变压器。 自耦变压器原副边不隔离。 调压变压器通常采用自耦变压器。,电流互感器：变压器的另一种用途。 原边（匝数少）串入电路中，副边（匝数多）短路。 根据变压器的变流关系，短路电流较小。 电流互感器用于表征（测量）原边电流。,42/42,变压器的极性,原副边的同名端：原副边的同名端其电动势的极性相同，而非同名端极性相反（差180度）。 绕组的串联：同一个变压器两个绕组同名端与非同名端顺次同向串联，所产生的磁动势叠加，总匝数为两个绕组匝数之和，否则总匝数为两个绕组匝数之差。,43/42,本章习题,6.2.7、6.2.8 6.3.9 6.3.10、6.3.11,