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1、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 6.4 电磁铁,返回,第6章 磁路与铁心线圈电路,本章要求：,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；,4.了解三相电压的变换方法；,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，会分析计算交流铁心线圈电路；,磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率等几个物理量表示。,一、磁感应强度,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁 感线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向。,B的单位：特斯拉（T） 1T1
2、04Gs 的单位：韦伯,矢量,6.1.1 磁场的基本物理量,6.1 磁路及其分析方法,三、磁场强度,磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和磁导率之比。,H的单位：安米 的单位：亨米,矢量,电流方向和磁场强度的方向 符合右螺旋定则，电流取正； 否则取负。,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,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.即,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，如环形线圈，安培环路定律可写成：,其中,l x2 x是半径为x的圆周长 Hx是半径 x 处的磁场强度 FNI即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势 单位为安培（A
3、）,四、磁导率 磁导率 是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量 物质导磁能力的物理量。,真空中的磁导率为常数,一般材料的磁导率 和真空磁导率 0 的比值，称为 该物质的相对磁导率 r,或,返回,五、 物质的磁性,1. 非磁性物质,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 = 0 H,( ),( 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
4、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，整体对外不显磁性。,磁 畴,讨论,磁场内某一点的磁场强度H与有关吗？,由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与 无关,磁性材料的磁性能： 高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,一、高导磁性 指磁性材料的磁导率很高， r1，使其具有 被强烈磁化的特性。 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，
5、 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。,6.1.2 磁性材料的磁性能,二、磁饱和性 当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性 材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致， 磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。,注,当有磁性物质存在时 B与H不成比例，与I也不成比例。,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎成正比地增加； a
6、b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，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B和与H的关系,三、磁滞性 当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化） 时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化， 当H已减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞 后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,磁滞回线,剩磁：当线圈中电流减到零 （H0），铁心在磁化时所 获的磁性还未完全消失，这 时铁心中所保留的磁感应
7、强 度称为剩磁感应强度Br。 矫顽磁力：Hc,几种常见磁性物质的磁化曲线,根据磁性能，磁性材料又可分为三种： 软磁材料：磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等 永磁材料：磁滞回线宽。常用做永久磁铁 矩磁材料：磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件,返回,一、磁路的概念,6.1.3 磁路的分析方法,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,二、磁路的欧姆定律,对于环形线圈,磁路的 欧姆定律,说明,F=NI为磁通势 Rm为磁阻 l为磁路的平均长度
8、S为磁路的截面积,磁路与电路对照,磁路,电路,磁通势F,电动势E,磁通,电流I,磁感应强度B,电流密度J,磁阻Rm,电阻R,磁路分析的特点,(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁 心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的
9、 磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通 所需的磁通势FNI。 计算均匀磁路要用磁场强度H，即NIHL， 如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组 成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成 NIH1 L1H2 L2（H L）,如：由三段串联而成的 继电器磁路,解,（1） H19000A/m, I1 H1 L/N=9000*0.45/300=13.5A,（2） H2260A/m I2 H2 L/N=260*0.45/300=0.39A,若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低,结论,解,磁路的平均长度为 L（1015）2） 39.2cm 查
10、铸钢的磁化曲线，当B0.9T 时， H1500Am 于是 H1L1500*(39.2-0.2)*0.01=195A 空气隙中的磁场强度为 H0B0 00.9（4 *107）7.2*105A/m,H07.2 *105 *0.2 *10-21440A 总磁通势为 NI（H L）H1 L1H0 19514401635A 线圈匝数为 NNII1635,若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心 材料，可使线圈的用铜量大为降低 当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到 相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数 一定）,结论,返回,小结,1. 磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率； 磁性材料的磁性
11、能：高导磁性、磁饱和性、磁滞性,3.NIH1 L1H2 L2（H L）,2.磁路的欧姆定律,6.2 交流铁心线圈电路,一、电磁关系,二、功率损耗 I=U/R 铜损PCu =I2R,直流铁心线圈,U-I(NI)- 恒定 |_ 漏磁,交流铁心线圈电路,一、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。, 和 L 与 i 的关系,注,励磁电流 i 与 之间线性 关系 i 与 之间不存在线性关系,二、电压电流关系,设主磁通 则,铁心中磁感应 强度的最大值,铁心截面积,有效值,最大值,三、功
12、率损耗,1.铜损PCu：线圈电阻R上的功率损耗。,返回,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,Pcu = RI2,2.铁损PFe：铁心在交变磁通的作用下，由磁滞和 涡流产生的功率损耗。 包括磁滞损耗Ph 和涡流损耗Pe。,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损
13、耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,6.3 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 =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I Rl,I S,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,变压器的结构,变压器的磁路,变
14、压器的电路,变压器的分类,变压器的结构,广东东莞荔湾站SFPSZ-180000/220壳式变压器,一、变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,利用两个线圈匝数的比例关系来改变电压的大小,(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,根据K
15、VL：,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,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=L2 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,三相电压的变换,1) 三相变压器的结构,高压绕组： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组： a-x b-
16、y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方式,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,3. 电流变换,(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。,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K 2 倍。,（1）匝数比为
