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1、第3章 磁路与变压器,3.1 磁路和磁路的基本物理量,3.2 铁磁材料的性质和用途,3.3 磁路的欧姆定律,3.4 直流和交流电磁铁,3.5 电磁感应现象及自感和互感,3.6 变压器,3.1 磁路和磁路的基本物理量,3.1.1 磁路,在电器、电机中采用铁磁材料，不但可以用较小的励磁电流获得较大的磁通，而且可使磁通集中地通过一定的闭合路径。所谓磁路，是指主要由铁磁材料构成而为磁通集中通过的闭合回路，磁路中的铁磁材料称为铁心。,3.1.2 磁路的基本物理量,1磁感应强度B,2磁通,磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右
2、手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,均匀磁场中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(Wb)。,3磁场强度H,磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（Am）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。,4磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率,3.2 铁磁材料的性质和用途,3.2.1 铁磁材料的性质,1高导磁性,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
3、显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,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。,铁磁材料能够在外磁场作用下磁化，使得磁场大为增强，因此其磁导率高。 非磁性物质内部没有磁畴结构，在外磁场作用下不会产生磁化，故磁导率低。 工程上利用铁磁性材料的高导磁性，在电机、变压器及其他许多电工设备的线圈中放入铁心，于是在线圈中送入不大的励磁电流，便可产生足够的磁场。,2. 磁饱和性,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。,BJ,
4、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； bc段：H很强 ，B增加很少，达到饱和。,O,H,B,B0,BJ,B,a,b,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
5、关系,c,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H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 反向磁场强度。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,3. 磁滞性,3.2.2 铁磁材料的分类和用途,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： （1）硬磁材料 硬磁材料的特点是需要较强的外磁场的作用，才能使其磁化，而且不易退磁，剩磁较强。其典型材料有钴钢、碳钢等。因其剩磁强，不易退磁，常
6、用于制造各种形状的永久磁铁。 (2)软磁材料 软磁材料的特点是磁导率很大，而剩磁很小，易被磁化也易去磁。典型的软磁材料有硅钢片、铸铁、坡莫合金等。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。 (3)矩磁材料 矩磁材料的特点是在很弱的外磁场作用下就能被磁化，并达到磁饱和。当撤掉外磁场后，磁性仍然保持与磁饱和状态相同。矩磁材料主要用于制造计算机中存储元件的环形磁心。,3.3 磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为IN ，磁阻为Rm，则,此即磁路的欧姆定律。,假设磁路是由均匀的铁磁材料构成，它的平均长度为L，横截面积为S，磁导率为 ；可以证明，该磁路的磁阻为,如果磁路中有一段长为,的空气隙，其横截面
7、积也是S，那么这段空气隙的磁阻为,则,无分支磁路的总磁阻为,这时磁路的欧姆定律具有下列形式：,式中，IN磁动势；,空气隙的磁阻；,磁路磁阻,3.4 直流和交流电磁铁,电磁铁由三部分组成：线圈、铁心和衔铁，如图所示。,电磁铁的主要技术数据有： （1）额定行程 ：指刚起动时衔铁和铁心之间的距离。,（2）额定吸引力 ：指衔铁处在额定行程时衔铁受到的吸力。,（3）额定电压 ：指电磁铁线圈上规定应施加的电压值。,3.4.1 直流电磁铁,电磁铁的吸力F与空气隙的 关系，即,电磁铁的励磁电流I与空气隙的关系，即,称为电磁铁的工作特性，它可由实验得出，如图所示。,由图可知，直流电磁铁线圈励磁电流I的大小与衔铁
8、的运动过程无关，即与,的大小无关。,3.4.2 交流电磁铁,当交流继电器的线圈1（即交流电磁铁的线圈）通过交变电流时，虽然电流的方向经常改变，但铁心2中的磁通方向以及两个磁极也随之改变，因此磁极之间始终能互相吸引。于是衔铁3被吸下，带动绝缘杆4，使触头6闭合，接通另一电路。反之，当线圈断电时，在弹簧5的作用下，触头分断，切断另一电路。,交流电磁铁两磁极间的吸力F与两极间磁感应强度B的平方成正比。当磁感应强度等于零时，极间的吸力基本上也等于零（因为铁心选用软磁材料，剩磁很小），当磁感应强度为最大值时，吸力也为最大。由此可见，吸力在零和最大值之间脉动，如图所示。,3.5 电磁感应现象及自感和互感,
9、3.5.1 磁场中运动导体的电磁感应,如图（a）所示，设磁感应强度为B，当长度为l 的直导体以大小为v的线速度切割磁感线时， l中产生的感应电动势公式为,感应电动势的方向由负极指向正极。E、B和v的关系可用图（b）所示右手定则确定，即伸平右手，拇指与其余四指垂直，让磁线穿过掌心，大拇指指向运动的方向，则四指的指向即为导体内感应电动势方向。,（a）,（b）,3.5.2 线圈中磁场变化时的电磁感应,法拉第通过实验发现线圈中感应电动势的大小与下列因素有关： （1）在一定的时间内，与线圈交链的磁通的变化量越大，感应电动势越大； （2）在磁通变化量一定的条件下，这种变化所经历的时间越短感应电动势越大；
10、（3）在其它条件不变的情况下，线圈的匝数越多感应电动势越大。 感应电动势公式为,式中， 磁通，单位：韦伯（Wb）,t 时间，单位：秒（S）,e 电动势，单位：伏（V）,电动势的方向,式中的负号说明e的方向是阻碍磁通变化的，称为楞次定律。,（1）磁通方向和线圈绕向如图所示，当磁通 增加时， 电动势方向由A指向B。,3.5.3 自感,由于线圈本身电流的变化而产生的电磁感应叫做“自感应”，简称 “自感” 。由自感现象产生的电动势叫做“自感电动势”，用 表示。,式中，L 电感，单位：亨利，简称亨（H）,对空心线圈而言，其磁通链和电流之比是一常数，即,自感电动势公式为,3.5.4 互感,在两个有磁交链（
11、耦合）的线圈中，互感磁链与产生此磁链的电流的比 值，叫做这两个线圈的互感系数，简称互感，用符号M表示，单位为（H）。,3.6 变压器,3.6.1 变压器的用途、种类和结构,一、变压器的用途,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,二、变压器的种类,三、变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,3.6.2 变压器的的工作原理,1.变压原理,原绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁电动势e1 ，漏磁电动势e
12、1；副绕组匝数为N2 ，电压u2 ，电流i2 ，主磁电动势e2 ，漏磁电动势e2 。,空载运行：,原绕组接交流电源，副绕组开路。,原副绕组同受主磁通作用，所以在两个绕组中产生的感应电动势,原、副绕组上产生的感应电动势的有效值为,忽略电阻R1和漏抗X1的电压，则：,k称为变压器的变比。,变压器空载时:,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,2.变流原理,有载运行,使原绕组接通电源，副绕组接通负载。,可得，,叫做变压器的变流比，这说明变压器具有变流作用。,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。,+,+,4. 变压器的的损耗和效率,（1）
13、输入功率,（2）输出功率,（3）变压器的损耗,（4）额定容量,（5）变压器的效率,3.6.3 几种常用的变压器,一、三相电力变压器,车间变电所的三相变压器多采用 联接，其优点是低压侧可以构成三 相四线制供电系统，提供380V线电压和220V相电压。,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。,二.自耦变压器,电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。,1.电压互
14、感器,使用注意事项：,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。,三仪用互感器,2电流互感器,原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。,使用注意事项：,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。,四、电焊变压器,具有磁分路的电焊变压器原理如图所示，一次和二次绕组的两个铁心柱组的漏阻抗减小，电焊变压器的工作电流增大；当可调铁心移入时，一、二次绕组的漏磁通径分路闭合，使漏抗增大，焊接电流迅速减小。,通过改变分接头的连接进行电流的粗调，通过改变可调铁心的位置可以进行焊接电流的细调，这样使焊接变压器具有不同的下降外特性，且焊接电流的调节范围很大。,
