三、磁路与变压器讲解

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1、单元三 变压器与继电器 任务3 继电器及汽车喇叭电路中的应用 任务2 变压器 任务1 电磁学基本常识 任务任务1 1 电磁学基本常识电磁学基本常识 实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁芯。线 圈通电后铁芯就构成磁路，磁路又影响电路。因此电 工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。 电流的磁场 直导线电流的磁场 线圈 电流的磁场 右手螺 旋定 则 大拇指方向表示导线电 流方向 四指回转方向表示磁感 线方向 四指回转方向表示线圈 电流方向 大拇指方向表示线圈内 部磁感线方向 i i 回顾 1、磁场的基本物理量 3.1 磁性材料 1)磁感应强度B 磁感应强度是表示磁场内某点磁场强弱(磁力线的 多少)

2、和磁场方向(磁力线的方向)的物理量。它是 一个矢量。 式中，F电磁力， l表示导体的长度; I通过磁体的电流 磁感应强度B的单位是特斯拉(T)， 方向可用右手螺旋定律确定。 2）磁通 均匀均匀磁场中磁通磁通 等于磁感应强度B与垂直于 磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯韦伯(Wb)。 磁通反映了磁导体某个范围内磁力线的多少。 磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。 3 3） 磁场强度磁场强度 H H H 是表征电流的磁场强弱和方向的物理量 。 H 是一个矢量，其方向 B 与相同。 H 与 B 的区别： (1) H I，与介质的性质无关。 (2) B 与电流的大小和介质的性 质均有关。 单位：安/

3、米（A / m）。 4 4） 磁导率磁导率 是用来表示磁场介质导磁能力的物理量。 B H = （H / m） 真空中的磁导率： 0 = 4107 H / m 铁心在交变磁场中反 复磁化的过程中，会 有饱和、剩磁、磁滞 现象。通过实验测定 某种铁磁性物质的磁 滞回线如下页。 i u B H O 初始磁化曲线 铁心线圈中通过 交变电流时，H 的大小和方向都 会改变，B随H的 变化而变化的曲 线称为磁化曲线 。 磁滞回线中H为零 时B并不为零 的 现象说明铁磁材 料具有剩磁性剩磁性。 B H 0 c b a 起始磁化曲线起始磁化曲线 oa段是线性段线性段 ab段是上升段上升段 bc段是磁化曲线的膝部

4、膝部 C点以后是饱和段饱和段 起始磁化 曲线反映 了什么？ 铁磁材料反复磁化一周 所构成的曲线称为磁滞磁滞 回线回线。 起始磁化曲线和磁滞回线起始磁化曲线和磁滞回线 磁滞回线中B的变化总 是落后于H的变化说明 铁磁材料具有磁滞磁滞性 ； 起始磁化曲线的ab段反映了铁 磁材料的高导磁性高导磁性；c点以后 说明铁磁材料具有磁饱和性磁饱和性。 铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会 改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，B的变化 总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞性磁滞性；当H减为 零时B并不为零，说明磁性物质具有剩磁性。 磁导率可达102104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小 ，在线圈中通

5、入较小的电流即可获得较大的磁通。 B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时， B不能继续增强。 高导磁性 磁滞性和剩磁性 磁饱和性 铁磁性材料具有铁磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性和剩磁性高导磁性、磁饱和性、磁滞性和剩磁性。 具有 磁导率极高、磁化后只有正、负两个饱和状态特点 的铁磁材料。矩磁材料适用于制作各类存储器记忆元件 的磁芯。 具有 磁导率不太高、但一经磁化、能保留很大的剩磁且 不易去磁 特点的铁磁材料。硬磁材料适用于制作各种人 造磁体。 具有 磁导率很高、易磁化、易去磁 特点的铁磁材料。软 磁材料适用于制作各种电机电器的铁芯。（ 小 ，回线面积小 ） 3） 铁磁材料的分类和

6、用途 铁磁材料根据工程上用途的不同可分为三大类 （1 1）软磁材料）软磁材料 （2 2）硬磁材料）硬磁材料 （3 3）矩磁材料）矩磁材料 铁磁材料内部往往 有相邻的几百个分子电 流圈流向一致，因此在 这些极小的区域内就形 成了一个个天然的磁性 区域磁畴磁畴。 铁磁材料内部的 磁畴排列杂乱无章杂乱无章， 磁性相互抵消磁性相互抵消，因此 对外不显示磁性。 铁磁材料之所以具有高导磁 性，是因为在它们的内部具有一 种特殊的物质结构磁畴磁畴。 显然，磁畴是由分子电流产生的。显然，磁畴是由分子电流产生的。 磁畴因受外磁 场作用而顺着外磁 场的方向发生归顺 性重新排列，在内 部形成一个很强的 附加磁场附加磁

7、场。 （a a）无外磁场情况）无外磁场情况 （b b）有外磁场情况）有外磁场情况 铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁 场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相 互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗。 4 4）磁滞损耗磁滞损耗 3、电磁铁 线圈和铁芯构成一个电磁铁 。 带有铁芯的通电线圈可增强磁场的作用。 电磁铁的常见结构形式 励磁 线圈 铁心 衔铁 励磁 线圈 衔铁 铁心 铁心 励磁 线圈 衔铁 衔铁 铁心 励磁 线圈 电磁铁可分为线圈、铁芯及衔铁三部分。 当励磁线圈通入电流时，便产生磁场，铁芯和衔铁都被磁化 ，衔铁受到电磁力的作用而被吸向铁芯，衔铁的动作可使其 他机械

8、装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随着消 失，衔铁被释放。 3. 2电磁感应及自感、互感 运动的电荷周围总是存在有电场和磁场。这 三者(运动电荷、电场和磁场)是一件事物的不同 方向，是统一的一个整体。现在就要讨论这三者 另一种相互关联的现象，叫电磁感应。 1)感应电动势的方向 作切割磁力线运动的导体， 其产生感应电动势的方向可 用右手定则来确定。 1.直导体中的感应电动势 判断感应电动势方向时要把导体 看成一个电源，在导体内部，感 应电动势方向由负极指向正极。 感应电流方向与感应电动势方向 相同。当直导体没有形成闭合回 路时，导体中只产生感应电动势 ，不产生感应电流。 平伸右手，拇指与四

9、指垂直， 让磁感线垂直穿过手心，拇指 指向运动方向，四指所指方向 就是感应电动势的方向(或是 感应电流方向)。 注意 右手定则 实验证明:在均匀磁场中，做切割 磁力线运动的直导体，其感应电 动势e的大小 2)感应电动势的大小 B-磁感应强度 l-导体的有效长度 v-导体的运动速度 -导体运动方向与磁感 线方向之间的夹角 例： 如图所示，受外力作用的直导体 AB，在匀强磁场中以v=20 m/s 的速度做匀速直线运动。设B=1 T，导体有效长度l=0.5m，导体 电阻Ro = 1 ，负载电阻R = 9 。试求导体AB中的感应电动势 e和电流I。 解:用右手定则确定的电动势。的方向为由下指向上 电流

10、方向与e相同，大小为: I=e/(R0+R)=10/(1+9)=1A 其大小为 e=BIvsina=1*0.5*20*1=10V 当线圈中的磁通量要增加 时，感应电流产生的磁通 方向与原磁通方向相反;若 线圈中原来的磁通量减少 ，则感应电流产生的磁通 方向与原来磁通方向一致 。 2.线圈中的感应电动势 1)感应电动势的方向 线圈中的磁通量发生变化时，线圈就会产生感应电动势。感 应电动势的方向由楞次定律和右手螺旋定则来判定。 楞次定律实验原理图 感应电流产生的磁通总是企 图阻碍原磁通的变化。 线圈中感应电动势的大小与线圈磁通量的变化率 d/dt和线圈匝数N成正比。 2)电磁感应定律 法拉第电磁感

11、应定律 由通入线圈的电流变化而产生感应电动势的现象叫 自感现象，由自感现象产生的感应电动势叫自感电 动势。显然，自感现象属于电磁感应现象。 3.自感 1)自感现象 定义线圈中的磁通量与产生该磁通的电流的比 值为自感系数，又称电感，用符号L表示，单 位是亨利(H)，即 2)自感系数 自感电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求得，即 3)自感电动势 4.互感 互感现象是指一个线圈中的电流变化 而使另一个线圈产生感应电动势的现 象。 互感现象产生的电动势称为互 感电动势，也用符号e表示。 那么正弦交流电在交流铁芯中，电源电压u -e1 则电源电压的有效值为 此公式是交流发电机设置电压调节器的理论依据

12、任务任务2 2 变压器变压器 Tr N1 i10 u1 A X N2 |ZL|u20 S a x x 由硅钢片叠 压制成的变 压器铁心磁 路。 变压器 一次侧 绕组 （原边） 变压器 二次侧 绕组 （副边） 变压器图 形符号 变压器是一种能变换电压、变换电流、变换阻抗 的“静止”电气设备。变压器在传递电能的过程中频率不 变。 1. 变压器的基本结构 2 2变压器的工作原理变压器的工作原理 （1 1）变压器的空载运行与变换电压作用）变压器的空载运行与变换电压作用 N1 i10 u1 A X N2 |ZL|u20 S a x x 变压器的一次侧接电源一次侧接电源，二次侧二次侧 开路开路，这种运行状

13、态称为空载空载。 变压器空载时原边电流 i i10 10很小 很小， 在铁心磁路中产生按正弦规律变 化的磁通，当穿过过两线线圈时时 ，分别别感应电压应电压 ： 变压器原、副边电压 与感应电压的关系为： 变压器原、副边电压 与感应电压的关系为： 其中k 称为变压器的变比 。显然：变压器通过改变通过改变 原、副边的匝数即可变换原、副边的匝数即可变换 电压电压。 （2）变压器的负载运行与变换电流作用变压器的负载运行与变换电流作用 变压器的一次侧接电源，二 次侧与负载接通，这种运行状态称 为负载运行。 根据能量守恒定律，变压器 输出功率加上损耗功率与从电网 中获得功率相等。 变压器在能量传递的 过程中

14、损耗甚小，因此： 因此： 其中1/k 称为变压器 的变流比。显然：变 压器在改变电压的同 时也改变了电流，即 变压器还可以变换电 流。 N 1 i1 u 1 A X N2 |ZL | u2 S a x i2 P1=P2+P损耗 已知某收音机 输出变压器的原边匝数 为600,副边匝数为30,原 接有16的扬扬声器，现现 要改接成4 扬扬声器， 求N2应应改为为多少？ （3）变压器的变换阻抗作用变压器的变换阻抗作用 变压器的副边所接负载为|ZL|， 原边输入阻抗为Z1时，有： 把变压比和变流比公式代入 可得： 变压器的阻抗变换作用常 用于电子电路中。 例如： N 1 i1 u 1 A X N2 |

15、ZL | u2 S a x i2 4 变压器的功率和效率 变压器的功率消耗等于输入功率 和输 出功率 之差。 PL=P1-P2 1)变压器的功率 2)变压器的效率 变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比 3 电压的变化率 电压空载时次级端电压U2N和有载时次级端电压U2之差与 U2N的百分比。 电压的变化率越小，为负载供电的电压越稳定。 例 有一变压器初级电压为2200V，次级电压为 220V，在接纯电阻性负载时，测得次级电流 为10A，变压器的效率为95%。试求它的损 耗功率，初级功率和初级电流。 解：次级负载功率 初级功率 损耗功率 初级电流 三相电力变压器三相电力变压器 讯号式温度计 吸湿计 储油柜 安全气道 油表 气体继电器 高压套管 低压套管 分接开关 油箱 铁芯 绕组 放油阀门 电力系统一般均采用三相制供电，所以电力变压器均属 于三相变压器。变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成。 铁芯是它的磁路部分，绕组是它的电路部分。 继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热 ）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动 控制器件。 任务3 继电器及汽车