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1、第五章磁路与变压器 第五章磁路与铁芯线圈电路 5 1 2磁场的基本物理量 电流 磁场 用磁力线描述 通过磁场中某一面积的磁力线的总数 单位 Wb B 矢量 其数值表示磁场的强弱 其方向表示磁场的方向 一 磁通 H 矢量 方向与B的方向相同 H的大小 只与产生该磁场的电流大小成正比 与介质的性质无关 B的大小 不仅与产生该磁场的电流大小有关 还与介质的性质有关 三 磁场强度H 单位 A m 四 磁导率 表征各种材料导磁能力的物理量 5 1 3磁性材料的磁性能 磁性材料主要是指由元素铁 钴 镍及其合金等材料 它们主要的磁性能如下 一 高导磁性 磁性材料的磁导率很大 r 1 可达102 105量级
2、分子电流和磁畴理论 分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流 分子电流将产生磁场 每个分子都相当于一个小磁铁 由于磁性物质分子的相互作用 使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性 这些小区域称为磁畴 磁性物质的磁化示意图 a 无外场 磁畴排列杂乱无章 b 在外场作用下 磁畴排列逐渐进入有序化 非磁性材料没有磁畴的结构 所以不具有磁化特性 磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的 当外磁场 或激励磁场的电流 增大到一定程度时 全部磁畴都会转向与外场方向一致 这时的磁感应强度将达到饱和值 磁化曲线 B0是真空情况下的磁感应强度 B是介质中的磁感应强度 磁性物质的 不是常数 与H也不存在正比关系
3、二 磁饱和性 在铁心线圈通有交变电流时 铁心将受到交变磁化 但当H减少为零时 B并未回到零值 出现剩磁Br 1 2 3 4 5 磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性 如图为磁性物质的滞回曲线 要使剩磁消失 通常需进行反向磁化 将B 0时的H值称为矫顽磁力Hc 见图中3和6所对应的点 6 三 磁滞性 根据磁滞回线的不同 大致分成三类 1 软磁材料 其矫顽磁力较小 磁滞回线较窄 铁心 2 永磁材料 其矫顽磁力较大 磁滞回线较宽 磁铁 3 矩磁材料 其剩磁大而矫顽磁力小 磁滞回线为矩形 记忆元件 磁性材料的分类 一 安培环路定律 全电流定律 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分 等于通过这个闭
4、合路径内电流的代数和 电流方向和磁场强度的方向符合右手定则 电流取正 否则取负 5 1 4磁路基本定律 在无分支的均匀磁路 磁路的材料和截面积相同 各处的磁场强度相等 中 安培环路定律可写成 磁路长度L 线圈匝数N HL 称为磁压降 总磁动势 在非均匀磁路 磁路的材料或截面积不同 或磁场强度不等 中 总磁动势等于各段磁压降之和 例 例 一均匀闭合铁心线圈 匝数为300 铁心中磁感应强度为0 9T 磁路的平均长度为45cm 试求 1 铁心材料为铸铁时线圈中的电流 2 铁心材料为硅钢片时线圈中的电流 解 先从磁化曲线中查出磁场强度的H值 然后再计算电流 1 H1 9000A m 2 H2 260A
5、 m 可见由于所用铁心材料不同 要得到相同的磁感应强度 则所需要的磁动势或励磁电流是不同的 因此 采用高磁导率的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低 对于均匀磁路 二 磁路的欧姆定律 磁路和电路的比较 一 磁路 电路 磁通 I N R E I 磁压降 磁动势 U 欧姆定律 磁阻 磁感应强度 安培环路定律 磁路 I N 欧姆定律 电阻 电流强度 克氏电压定律 磁路与电路的比较 二 电路 R E I 励磁电流 在磁路中用来产生磁通的电流 5 2铁心线圈电路 一 直流铁心线圈电路 直流磁路的特点 R为线圈的电阻 电路方程 一般情况下很小 二 交流磁路的分析 主磁通 漏磁通 假设 则 最大值 有效值 u
6、i 交流磁路的特点 2 铁损 1 铜损 磁滞损耗 由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗 可以证明 交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比 磁滞损耗要引起铁心发热 为了减小磁滞损耗 应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心 硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料 其磁滞损耗较小 磁滞损耗 涡流损耗 交流铁心的损耗 PCU I2R PFe Ph Pe 由涡流所产生的铁损称为涡流损耗 Pe 涡流 当线圈中通有交流电时 在铁心内要产生感应电动势和感应电流 这种感应电流称为涡流 它在垂直于磁通方向的平面内环流着 涡流损耗 为了减小涡流损耗 可采用由彼此绝缘且顺着磁场方向的硅钢
7、片叠成铁心 这样将涡流限制在较小的截面内流通 使涡流及其损耗大为减小 一般电机和变压器的铁心常采用厚度为0 35mm或0 5mm的硅钢片叠成 变压器功能 5 3变压器 单相变压器 5 3 1变压器的基本结构和工作原理 一 结构 工作过程 空载运行 原边接入电源 副边开路 接上交流电源 二 工作原理 方向符合右手定则 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 K为变比 原 副边电压关系 根据交流磁路的分析可得 时 变电压 负载运行 Z 副边带负载后对磁路的影响 在副边感应电势的作用下 副边线圈中有了电流i2 此电流在磁路中也会产生磁通 从而影响原边电流i1 但当外加电压 频率不变时 铁芯中主磁通的最大
8、值在变压器空载或有负载时基本不变 带负载后磁动势的平衡关系为 结论 原 副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高 空载励磁电流很小 可忽略 即 原 副边电流关系 变电流 变阻抗 原 副边阻抗关系 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 阻抗变换举例 扬声器上如何得到最大输出功率 求 负载上得到的功率 解 1 将负载直接接到信号源上 2 将负载通过变压器接到信号源上 输出功率为 结论 由此例可见加入变压器以后 输出功率提高了很多 原因是满足了电路中获得最大输出的条件 信号源内 外阻抗差不多相等 5 3 2变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系
9、即 U20 原边加额定电压 副边开路时 副边的输出电压 5 3 3变压器的效率 为减小涡流损失 铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成 当电流流入两个线圈 或流出 时 若产生的磁通方向相同 则两个流入端称为同极性端 同名端 或者说 当铁芯中磁通变化 增大或减小 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 同名端 5 3 4变压器绕组极性及连接方法 电器使用时两种电压 220V 110V 的切换 220V 联结2 3 110V 联结1 3 2 4 线圈的接法 220V 联结2 3 励磁 两种接法下线圈工作情况的分析 110V 联结1 3 2 4 220V 联结2 3 问题1 在1
10、10V情况下 如果只用一个绕组 N 行不行 答 不行 两绕组必须并绕 原边有两个相同绕组的电源变压器 220 110 使用中应注意的问题 问题2 如果两绕组的极性端接错 结果如何 结论 在极性不明确时 一定要先测定极性再通电 答 有可能烧毁变压器 方法一 交流法 同极性端的测定方法 若说明A与a或X与x为同极性端 测量 方法二 直流法 5 3 5三相变压器 三相变压器有三个原绕组和三个副绕组 其铁心有三个心柱 每相的原副绕组同心装在一个心柱上 其工作原理与单相变压器工作原理相同 三相绕组常用的联接方式有Y Y0和Y 两种 变压器的铭牌数据 额定电压变压器副边开路 空载 时 原 副边绕组允许的电压值 额定电流变压器满载运行时 原 副边绕组允许的电流值 额定容量传送功率的最大能力 一 自耦变压器 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 原 副边千万不能对调使用 以防变压器损坏 因为N变小时 磁通增大 电流会迅速增加 5 3 6特殊变压器 二 电流互感器 用低量程的电流表测大电流 被测电流 电流表读数 N2 N1 1 副边不能开路 以防产生高电压 2 为安全起见 铁心 副绕组的一端应接地 使用注意事项 三 电压互感器 用低量程的电压表测高电压 被测电压 电压表读数 N1 N2 第五章 结束
