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1、4.1 铁芯线圈、磁路,第4章 磁路和变压器,4.2 变压器的基本结构和工作原理,4.3 实用中的常见变压器,学习目的与要点,电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。因为很多电工设备与磁路都有关系，如电力系统中广泛应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测量仪表等。 为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及应用，首先在理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有关，与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联，因此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。 通过本章学习，要求理解磁场的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流铁心线圈电路；熟悉变压器的结构组成及其绕组极性测定的方法。掌握变压器的工
2、作原理(包括变压、变流和阻抗变换作用)；了解磁路及其基本定律、电磁铁、特殊变压器等。,4.1 铁芯线圈、磁路,工程应用实际中，大量的电气设备都含有线圈和铁心。当绕在铁芯上的线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路，磁路又会影响线圈的电路。因此，电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,常用电气设备铁芯示意图中红色虚线表示磁路中的工作主磁通的路径；紫色虚线表示通过空气闭合的极少部分漏磁通。,1. 磁路的基本物理量,磁通,线圈通电后使铁芯磁化，形成铁芯磁路。,通过磁路横截面的磁力线总量称为磁通，用“”来表示。单位是韦伯Wb。,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，即：,
3、磁通是标量。其大小反映了与磁场相垂直的某个截面上的磁场强弱情况。磁通的国际单位制中还有较小的单位称为麦克斯韦Mx，韦伯和麦克斯韦之间的换算关系为：,1Wb=108Mx,(1)磁通,(2)磁感应强度,磁感应强度是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。用大写字母“B”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁场中该点小磁针N极的指向。匀强磁场中，B的大小可用载流导体在磁场中所受到的电磁力来定义。即：,上式中，电磁力F的单位是牛顿N、电流的单位是安培A、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影)单位是米m时，磁感应强度B的单位是特斯拉T。,由=BS可知，匀强磁场中某截面S上B值越大，穿过该截面上的磁力线总
4、量越多。因此，磁感应强度也常称为磁通密度。磁感应强度的国际单位制中还有较小的单位高斯Gs，特斯拉和高斯之间的换算关系为：,1T=104Gs,磁导率是反映自然界物质导磁能力的物理量，用希腊字母“”表示 。物质的种类很多，且导磁能力也各不相同，为了有效地区别它们各自的导磁能力，我们引入一个参照标准真空的磁导率0:,自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比，可得到不同的比值，我们把这个比值称为相对磁导率，用“r”表示，即：,显然，相对磁导率无量纲，其值越大，表明该类物质的导磁性能越好；反之，导磁性能越差。,(3) 磁导率,根据相对磁导率r值的不同，自然界的物质大致可分为两大类：,(1)非磁性物质
5、,如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。,如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁，其相对磁导率r200400；铸钢的相对磁导率r5002200；硅钢的r700010000；坡莫合金的r20000200000。显然，铁磁物质的磁导率不是常量，而是一个范围，即随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率大大于1。,(2)铁磁性物质,(4)磁场强度,磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量，用大写字母“H”表示。H也是矢量，
6、H的方向也是置于磁场中该点小磁针N极的指向。,磁场强度和磁感应强度有何区别和联系？,磁感应强度是描述磁路介质的磁场某点强弱和方向的物理量，与介质的导磁率有关；磁场强度是描述电流的磁场强弱,和方向的物理量，与介质的导磁率无关。它们之间的联系为：,磁场强度H的单位有安每米和安每厘米，二者之间的换算关系为：,1A/m=10-2A/cm,2. 磁路欧姆定律,交流铁芯线圈磁路通常由硅钢片叠压制成，导磁率很高。当套在铁芯上的线圈通电后，铁芯迅速被磁化，成为一个人为集中的强磁场。,磁路部分,电路部分,交流铁芯线圈示意图,电流通过N匝线圈所形成的磁动势用Fm=NI表示，磁路对,磁通所呈现的阻碍作用用磁阻Rm表
7、示，磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可表述为：,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律中的磁阻Rm与磁导率有关，因此对铁芯磁路来讲是一个变量，定量计算很复杂，因此没有电路欧姆定律应用得那么广泛，通常只用来定性分析磁路的情况。,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。,通常情况下，铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，其磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构磁畴。这些磁畴相当于一个个小磁铁。,磁畴是怎么形成的？,显然，磁畴是由分子电流产生的。,
8、(1)高导磁性,有外磁场作用时,磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。,3. 铁磁物质的磁性能,磁滞回线中H为零时B并不为零 的现象说明铁磁材料具有剩磁性。,B,c,b,a,起始磁化曲线,oa段是线性段,ab段是上升段,bc段是磁化曲线的膝部,C点以后是饱和段,起始磁化曲线反映了什么？,起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。,磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性。,铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。,（2）铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性,软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易
9、去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。,软磁材料,4、铁磁材料的分类和用途,铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：,硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。,硬磁材料,矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。,矩磁材料,软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。,硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。,5. 铁芯损耗,根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备的烧损。,在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。,涡流对电
10、气设备有何影响？,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,(1)磁滞损耗,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗使铁芯发热。,(2)涡流损耗,主磁通原理告诉我们:只要外加电压有效值及电源频率不变，铁芯中工作主磁通最大值m也将维持不变。,6. 主磁通原理,对交流铁芯线圈而言，设工作主磁通为：,可得：,交变磁通穿过线圈时，在线圈中感应电压，其值为：,主磁通原理,例,分析,某含有气隙的铁芯线圈，线圈两端加有效值为U的交流电压，当气隙增大时，铁芯中的主磁通是增大还是减小？线圈中的电流如何变化？
11、,气隙增大时，铁芯磁路中的磁阻增加，但由于电源电压效值为U和频率f 并无改变，根据主磁通原理可知，铁芯磁路中的工作主磁通并不发生改变。根据磁路欧姆定律：,磁通不变，则上式中的比值也应不变。因此，当磁阻Rm增大时，线圈中通过的电流必定增大。,例,分析,一个交流电磁铁，因出现机械故障，造成通电后衔铁不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析其原因。,电磁铁线圈中的额定电流是根据吸合后的电流限值设定的。当通电后不能吸合时，由于铁芯和衔铁之间存有一定的气隙，造成铁芯磁路中的磁阻大大增加。民主磁通原理可知，此时铁芯磁路中的工作主磁通并不发生改变。若要满足磁路欧姆定律：,就必须增大线圈中的电流，而且气隙虽小，但磁阻
12、远大于铁芯中的磁阻，此时线圈电流将是额定电流的许多倍，从而造成线圈烧毁。,你能说出根据导磁性能的不同自然界中物质的分类吗？,你会做吗？,您能很快说出磁场几个物理量的单位吗？能否说出B和H的区别和联系？,检验学习结果,根据工程上用途的不同？铁磁性材料可分为几类？能否说出它们的特点和用途？,1. 变压器的基本结构,4.2 变压器的基本结构和工作原理,N1,N2,用硅钢片叠压制成 的变压器铁芯。,与电源相接的 一次侧绕组。,与负载相接的 二次侧绕组。,变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。,2. 变压器的工作原理,N1,N2,(1)变压器的空
13、载运行与变换电压原理,交变的磁通穿过N1和N2时，分别在两个线圈中感应电压：,计算它们的比值：,有：,显然，改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1时为降压变压器；k1时为升压变压器。,变压比， 简称变比,(2)变压器的有载运行与变换电流原理,变压器负载运行时，一次侧电流由i0变为i1，二次侧产生负载电流i2，而电压u20相应变为u2。,变压器负载运行时，二次侧电流i2产生副边磁动势I2N2，该磁动势对I0N1起削弱作用。,根据主磁通原理，只要电源电压和频率不变，铁芯中的工作主磁通的数值将维持不变。因此，原边电流i0 相应增大为i1，原边磁动势也增大为I1N1，增大的部分恰好与二次侧磁动势
14、相平衡。此时的磁动势方程式为：,磁动势平衡方程式告诉我们：变压器二次侧电流i2的大小是由负载决定的，但二次侧的能量来源于一次侧，两侧电路并没有直接的电的联系，而是通过磁耦合把能量从原边传递到副边。,由上式可得：,变压器铁芯的导磁率很高，因此满足工作主磁通需要的磁动势I0N1很小，和I1N1相比可忽略不计，所以磁动势平衡方程式又可改为：,变压器在能量传递的过程中损耗很小，因此一次侧和二次侧的容量近似相等，有：,变流比ce,能量传递过程中，变压器在变换电压的同时也变换了电流。,(3)变压器的阻抗变换作用,设变压器副边所接负载为|ZL|，原边等效输入阻抗为|Z1|，则有：,将变压器的变压比公式和变流
15、比公式代入上式得：,上式告诉我们：只要改变变压器的匝数比，即可获得合适的二次侧对一次侧的反射阻抗|Z1|。式中k2称为负载阻抗折算到一次侧时的变换系数。,已知某收音机输出变压器的原边匝数为600，副边匝数为30，原边原来接有16的扬声器。现因故要改接成4扬声器，问输出变压器的匝数N2应改为多少？,例,解,收音机电路中，输出变压器所起的作用是：让扬声器阻抗与晶体管的输出端阻抗匹配，以使负荷上获得最大功率，从而驱动喇叭振动发出声音。,收音机原阻抗变换系数为：,反射阻抗：,改换成4扬声器后：,设交流信号源电压U=100V，内阻R0=800，负载RL=8。 (1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率
16、？ (2)经变压器阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？此 时变压器变比是多少？,例,解,负载直接与信号源相接时，负载上获得的功率为：,阻抗匹配时，负载折算到原绕组的反射阻抗等于800。因此负载上获得的最大功率为：,变压器的变比为：,变压器输出电压u2随负载电流 i2变化的关系称为它的外特性，即：,cos(-2)=0.8超前,cos2=1,cos2=0.8滞后,3. 变压器的外特性,u2f（i2）,外特性可用右图所示曲线描述。,(1)负载为纯电阻性质时，cos=1，输出电压u2随负载电 流i2的增加略有下降；,结论,负载的功率因数对变压器的外特性影响很大。,(2)负载为感性时，u2随i2的增加下降的程度加大；,(3) 负载为容性时，输出特性曲线呈上翘状态，说明u2随 i2的增加反而加大。,变压器外特性变化的程度，可以用电压调整率U%来表示。电压调整率定义为：变压器由空载到额定I2N满载时，副边输出电压u2的变化程度。,4. 电压
