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1、第7章磁路与铁心线圈电路 7 2磁性材料的磁性能 7 5变压器 7 1磁场的基本物理量 7 3磁路及其基本定律 7 4交流铁心线圈电路 2 了解变压器的基本结构 工作原理 运行特性和绕组的同极性端 理解变压器额定值的意义 3 掌握变压器电压 电流和阻抗变换作用 本章要求 第7章磁路与铁心线圈电路 1 理解磁场的基本物理量的意义 了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律 会分析交流铁心线圈电路 7 1磁场的基本物理量 7 1 1磁感应强度 磁感应强度B 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量 磁感应强度B的大小 磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则 磁感应强度B的单位 特斯拉 T 1
2、T 1Wb m2 均匀磁场 各点磁感应强度大小相等 方向相同的磁场 也称匀强磁场 7 1 2磁通 磁通 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数 说明 如果不是均匀磁场 则取B的平均值 在均匀磁场中 BS或B S 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通 故又称磁通密度 磁通 的单位 韦 伯 Wb 1Wb 1V s 7 1 3磁场强度 磁场强度H 介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率 之比 磁场强度H的单位 安培 米 A m 任意选定一个闭合回线的围绕方向 凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正 反之为负 式中 是磁场强度矢量沿任意闭合线 常取磁通
3、作为闭合回线 的线积分 I是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和 安培环路定律电流正负的规定 安培环路定律 全电流定律 安培环路定律将电流与磁场强度联系起来 在均匀磁场中Hl IN 线圈匝数与电流的乘积NI 称为磁通势 用字母F表示 则有F NI磁通由磁通势产生 磁通势的单位是安 培 式中 N线圈匝数 l磁通为闭合回线圆周长 H磁场强度 NI为线圈匝数与电流的乘积 真空的磁导率为常数 用 0表示 有 7 1 4磁导率 磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量 衡量物质的导磁能力 相对磁导率 r 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率 0的比值 磁导率 的单位 亨 米 H m 7 1 5物质的磁性 1 非磁性
4、物质 非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章 几乎不受外磁场的影响而互相抵消 不具有磁化特性 非磁性材料的磁导率都是常数 有 所以磁通 与产生此磁通的电流I成正比 呈线性关系 当磁场媒质是非磁性材料时 有 即B与H成正比 呈线性关系 由于 0 r 1 B 0H I 2 磁性物质 磁性物质内部形成许多小区域 其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐 显示磁性 称这些小区域为磁畴 在外磁场作用下 磁畴方向发生变化 使之与外磁场方向趋于一致 物质整体显示出磁性来 称为磁化 即磁性物质能被磁化 磁畴 外磁场 在没有外磁场作用的普通磁性物质中 各个磁畴排列杂乱无章 磁场互相抵消 整体对
5、外不显磁性 磁畴 7 2磁性材料的磁性能 7 2 1高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高 即 r 1 如坡莫合金 其 r可达2 105 磁性材料能被强烈的磁化 具有很高的导磁性能 磁性材料主要指铁 镍 钴及其合金等 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心 在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流 便可以产生较大的磁通和磁感应强度 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强 7 2 2磁饱和性 BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应
6、强度曲线 B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线 BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B H磁化曲线 BJ B a b 磁化曲线 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强 当外磁场增大到一定程度时 磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致 磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值 如图 B H磁化曲线的特征 Oa段 B与H几乎成正比地增加 ab段 B的增加缓慢下来 b点以后 B增加很少 达到饱和 有磁性物质存在时 B与H不成正比 磁性物质的磁导率 不是常数 随H而变 有磁性物质存在时 与I不成正比 磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要 其为非线性曲线 实
7、际中通过实验得出 磁化曲线 B和 与H的关系 7 2 3磁滞性 磁性材料在交变磁场中反复磁化 其B H关系曲线是一条回形闭合曲线 称为磁滞回线 磁滞性 磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质 磁滞回线 Br Hc 剩磁感应强度Br 剩磁 当线圈中电流减小到零 H 0 时 铁心中的磁感应强度 矫顽磁力Hc 使B 0所需的H值 磁性物质不同 其磁滞回线和磁化曲线也不同 按磁性物质的磁性能 磁性材料分为三种类型 1 软磁材料具有较小的矫顽磁力 磁滞回线较窄 一般用来制造电机 电器及变压器等的铁心 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金即铁氧体等 2 永磁材料具有较大的矫顽磁力 磁滞回线较宽 一
8、般用来制造永久磁铁 常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等 3 矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁 磁滞回线接近矩形 稳定性良好 在计算机和控制系统中用作记忆元件 开关元件和逻辑元件 常用的有镁锰铁氧体等 7 3磁路及其基本定律 7 3 1磁路的概念 在电机 变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心 铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多 磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路 磁通的闭合路径称为磁路 直流电机的磁路 交流接触器的磁路 式中 F NI为磁通势 由其产生磁通 Rm称为磁阻 表示磁路对磁通的阻碍用 2 磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为 磁通势为F 磁阻为Rm 则 此即磁路
9、的欧姆定律 7 3 2磁路的欧姆定律 3 磁路与电路的比较 7 4交流铁心线圈电路 7 4 1电磁关系 磁通势 主磁通 通过铁心闭合的磁通 漏磁通 经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通 线圈 铁心 i 铁心线圈的漏磁电感 与i不是线性关系 7 4 2电压电流关系 L 是漏磁电感 当u是正弦电压时 其它各电压 电流 电动势可视作正弦量 则电压 电流关系的相量式为 设主磁通则 有效值 由于线圈电阻R和感抗X 或漏磁通 较小 其电压降也较小 与主磁电动势E相比可忽略 故有 式中 Bm是铁心中磁感应强度的最大值 单位 T S是铁心截面积 单位 m2 7 4 3功率损耗 交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和
10、铁损两种 1 铜损 Pcu 在交流铁心线圈中 线圈电阻R上的功率损耗称铜损 用 Pcu表示 Pcu RI2 式中 R是线圈的电阻 I是线圈中电流的有效值 2 铁损 PFe 在交流铁心线圈中 处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损 用 PFe表示 铁损由磁滞和涡流产生 7 5变压器 变压器是一种常见的电气设备 在电力系统和电子线路中应用广泛 变压器的主要功能有 在能量传输过程中 当输送功率P UIcos 及负载功率因数cos 一定时 电能损耗小 节省金属材料 经济 7 5 1概述 U I P I Rl I S 变压器的结构 变压器的磁路 变压器的电路 变压器的结构 变压器的分类 7 5 2变压器
11、的工作原理 一次 二次绕组互不相连 能量的传递靠磁耦合 1 空载运行情况 1 电磁关系 一次侧接交流电源 二次侧开路 空载时 铁心中主磁通 是由一次绕组磁通势产生的 2 带负载运行情况 1 电磁关系 一次侧接交流电源 二次侧接负载 有载时 铁心中主磁通 是由一次 二次绕组磁通势共同产生的合成磁通 2 电压变换 设加正弦交流电压 有效值 同理 主磁通按正弦规律变化 设为则 1 一次 二次侧主磁通感应电动势 对二次侧 根据KVL 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 式中R2为二次绕组的电阻 X2 L 2为二次绕组的感抗 为二次绕组的端电压 变压器空载时 式中U20为变压器空载电压 故有 3 电流变
12、换 一次 二次侧电流关系 有载运行 可见 铁心中主磁通的最大值 m在变压器空载和有载时近似保持不变 即有 不论变压器空载还是有载 一次绕组上的阻抗压降均可忽略 故有 由上式 若U1 f不变 则 m基本不变 近于常数 空载 有载 或 结论 一次 二次侧电流与匝数成反比 或 1 提供产生 m的磁势 磁势平衡式 空载磁势 有载磁势 4 阻抗变换 由图可知 结论 变压器一次侧的等效阻抗模 为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍 1 变压器的匝数比应为 解 例1 如图 交流信号源的电动势E 120V 内阻R0 800 负载为扬声器 其等效电阻为RL 8 要求 1 当RL折算到原边的等效电阻时 求变压器的匝数比
13、和信号源输出的功率 2 当将负载直接与信号源联接时 信号源输出多大功率 信号源的输出功率 电子线路中 常利用阻抗匹配实现最大输出功率 结论 接入变压器以后 输出功率大大提高 原因 满足了最大功率输出的条件 2 将负载直接接到信号源上时 输出功率为 1 变压器的型号 5 变压器的铭牌和技术数据 2 额定值 额定电压U1N U2N变压器二次侧开路 空载 时 一次 二次侧绕组允许的电压值 额定电流I1N I2N变压器满载运行时 一次 二次侧绕组允许的电流值 额定容量SN传送功率的最大能力 容量SN 输出功率P2 一次侧输入功率P1 输出功率P2 注意 变压器几个功率的关系 单相 效率 变压器运行时的
14、功率取决于负载的性质 2 额定值 7 5 3变压器的外特性与效率 1 变压器的外特性 当一次侧电压U1和负载功率因数cos 2保持不变时 二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系U2 f I2 U20 一次侧加额定电压 二次侧开路时 二次侧的输出电压 一般供电系统希望要硬特性 随I2的变化 U2变化不大 电压变化率约在5 左右 电压变化率 2 变压器的效率 为减少涡流损耗 铁心一般由导磁钢片叠成 变压器的损耗包括两部分 铜损 PCu 绕组导线电阻的损耗 涡流损耗 交变磁通在铁心中产生的感应电流 涡流 造成的损耗 铁损 PFe 变压器的效率为 一般 95 负载为额定负载的 50 75 时 最大 输
15、出功率 输入功率 当电流流入 或流出 两个线圈时 若产生的磁通方向相同 则两个流入 或流出 端称为同极性端 1 同极性端 同名端 或者说 当铁心中磁通变化时 在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端 同极性端用 表示 增加 同极性端和绕组的绕向有关 7 5 4变压器绕组的极性 联接2 3 变压器原一次侧有两个额定电压为110V的绕组 2 线圈的接法 联接1 3 2 4 当电源电压为220V时 电源电压为110V时 如果两绕组的极性端接错 结果如何 结论 在同极性端不明确时 一定要先测定同极性端再通电 答 有可能烧毁变压器 方法一 交流法 把两个线圈的任意两端 X x 连接 然后在AX
16、上加一低电压uAX 测量 若说明A与x或X与a是同极性端 3 同极性端的测定方法 方法二 直流法 如果当S闭合时 电流表正偏 则A a为同极性端 结论 如果当S闭合时 电流表反偏 则A x为同极性端 使用时 改变滑动端的位置 便可得到不同的输出电压 实验室中用的调压器就是根据此原理制作的 注意 一次 二次侧千万不能对调使用 以防变压器损坏 因为N变小时 磁通增大 电流会迅速增加 7 5 5特殊变压器 1 自耦变压器 二次侧不能短路 以防产生过流 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现高压 使用注意事项 被测电压 电压表读数 N1 N2 2 电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压 被测电流 电流表读数 N2 N1 二次侧不能开路 以防产生高电压 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现过压 使用注意事项 3 电流互感器 实现用低量程的电流表测量大电流
