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1、电 工 技 术,哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院基础教学部,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（磁力线），可表示
2、磁场内某点的磁场强弱和方向。,B的单位：特斯拉（T） 1T104Gs的单位：韦伯,矢量,6.1.1 磁场的基本物理量,二、磁通 磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通。,如 磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，这样的磁场则称为均匀磁场。,BS,的单位：伏秒，通称为韦伯 Wb 或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx,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导磁率之比。,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手定则，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
3、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）,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
4、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
5、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，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
6、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； 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
7、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：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
8、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 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；
9、,(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/mI2 H2 L/N=260*0.45/300=
10、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
11、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,上次课的主要内容,1. 磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率； 磁性材料的磁性能：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
12、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、功率损耗,1.铜损PCu：线圈电阻R上的功率损耗。,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
13、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
14、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,
