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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,.,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,5.1 磁路基础与磁路的基本定律,5.1.1 磁路的基本概念,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,.,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
2、、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，r1，可达102105量级。,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
3、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。,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
4、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
5、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/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
6、,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,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
7、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
8、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值在变压器空载或有负载时基本
9、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K 2 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
10、的外特性,副边输出电压和输出电流的关系。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
11、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110V 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
12、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,
