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1、第第5章章 磁路及变压器磁路及变压器5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识 5.1.1磁路的概念磁路的概念电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过线圈时，
2、电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁线圈时，电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁通称为主磁通，用字母通称为主磁通，用字母表示表示;小部分沿铁芯以外空间闭合的小部分沿铁芯以外空间闭合的磁通称为漏磁通，用磁通称为漏磁通，用表示，由于漏磁通很小，在工程中常表示，由于漏磁通很小，在工程中常略去不计。略去不计。下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识主磁通通过的闭合路径称为磁路，用以产生磁场的电流称为主磁通通过的闭合路径称为磁路，用以产生磁场的电流称为励磁电流。如励磁电流。如图图5-1所示为几种电气设备的磁路，图所示为几种电气设备的磁路，图5-1(a)所示是电磁铁的磁路，磁路中有很
3、短的空气隙所示是电磁铁的磁路，磁路中有很短的空气隙;图图5-1(b)所示是变压器的一种磁路，它由同一种磁性材料组成，所示是变压器的一种磁路，它由同一种磁性材料组成，且各段截面积基本相等，这种磁路称为均匀磁路且各段截面积基本相等，这种磁路称为均匀磁路;图图5-1(c)所示是直流电机的磁路，磁路中也有空气隙，且磁路的磁性所示是直流电机的磁路，磁路中也有空气隙，且磁路的磁性材料不一定相同。材料不一定相同。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.1.2磁路的主要物理量磁路的主要物理量1.磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量，它是表示磁场内某
4、点磁场强弱及方向的物理量，它是一个矢量。是一个矢量。磁感应强度的单位是特斯拉磁感应强度的单位是特斯拉(T)，简称特。，简称特。1 T=1 Wb/m2 (5-1)若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀磁场。磁场。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识2.磁通磁通均匀磁场中，磁通中等于磁感应强度均匀磁场中，磁通中等于磁感应强度B与垂直方向的面积与垂直方向的面积S的的乘积，即乘积，即故故B又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，可又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，可取取B的平均值。磁通的平均值。磁
5、通的单位是韦伯的单位是韦伯(Wb)，简称韦。，简称韦。1Wb=1Vs（伏（伏秒）秒）上一页 下一页返回（5-2）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识3.磁导率磁导率磁导率磁导率是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米米(H/m)。由实验测出真空的磁导率为。由实验测出真空的磁导率为0=410-7H/m 在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率，而是用，而是用与真空磁导率与真空磁导率0的比值的比值r表示，即表示，即r称为相对磁导率。称为相对磁导率。上一页 下一页返回（5-3）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识4.
6、磁场强度磁场强度由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，为了简化计算，引入磁场强度为了简化计算，引入磁场强度H这一辅助物理量。磁场强度这一辅助物理量。磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质的磁导率无关。磁场强度的单位是安的磁导率无关。磁场强度的单位是安/米米(A/m)。磁场强度磁场强度H与磁感应强度与磁感应强度B之间的关系为之间的关系为上一页 下一页返回（5-4）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.1.3磁路基本定律磁路基本定律1.安培环路定律安培环路定
7、律安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其内容是内容是:磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。号，反之取负号。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识在电工技术中，常常遇到如在电工技术中，常常遇到如图图5-1(b)所示的情况，即闭合所示的情况，即闭合回路上各点
8、的磁场强度回路上各点的磁场强度H相等且其方向与闭合回路的切线方相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则安培环路定律可简化为向一致，则安培环路定律可简化为 I=Hl式中，式中，l为回路为回路(磁路磁路)长度长度.由于电流由于电流I和闭合回路绕行方向符和闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则，线圈有合右手螺旋定则，线圈有N匝，电流就穿过回路匝，电流就穿过回路N次。次。因此因此 I=NI=F所以所以 Hl=NI=F （5-5）式中，式中，F称为磁动势，单位是安（称为磁动势，单位是安（A）。）。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律在如在如图图5-1(b)中，
9、磁通中，磁通为为式中，式中，称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量，它与磁路的材料及几何尺寸有关。的物理量，它与磁路的材料及几何尺寸有关。式式(5-6)与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧姆定律。因为磁性材料的磁阻姆定律。因为磁性材料的磁阻Rm不为常数，因此式不为常数，因此式(5-6)只只能作定性分析，不能作定量计算。能作定性分析，不能作定量计算。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识 3.电磁感应定律电磁感应定律 当流过线圈的电流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，当流过线圈的电
10、流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，并在线圈中出现感应电流，这表明线圈中感应了电动势。电并在线圈中出现感应电流，这表明线圈中感应了电动势。电磁感应定律指出，感应电动势为磁感应定律指出，感应电动势为式中，式中，N为线圈匝数。感应电动势的方向由为线圈匝数。感应电动势的方向由 的符号与感的符号与感应电动势的参考方向比较而定。应电动势的参考方向比较而定。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识当当 ，即穿过线圈的磁通增加时，即穿过线圈的磁通增加时，e0,这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电流这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电流产生的磁场要阻止原来磁场的减少。产生的
11、磁场要阻止原来磁场的减少。上一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加正弦交流电压。正弦交流电压。5.2.1线圈感应电动势与磁通的关系线圈感应电动势与磁通的关系交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流是
12、变化的，变化的电流会产生变势。而交流铁芯线圈的电流是变化的，变化的电流会产生变化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流关系也与磁路情况有关。关系也与磁路情况有关。下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈设线圈电压设线圈电压u、电流、电流i、磁通、磁通及感应电动势及感应电动势e的参考方向如的参考方向如图图5-2所示，有所示，有式中，式中，N为线圈匝数。为线圈匝数。在上式中，若设磁通为正弦量在上式中，若设磁通为正弦量=msint，则有，则有上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈可见，磁通可见，磁通为正弦量，感应电动势为正
13、弦量，感应电动势e也是正弦量，且感应电也是正弦量，且感应电动势动势e的相位比磁通的相位比磁通的相位滞后的相位滞后90，并且感应电动势的有，并且感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为效值与主磁通的最大值关系为上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈在图在图5-2中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有从上式中可见，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电从上式中可见
14、，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电压压u的相位比磁通中的相位超前的相位比磁通中的相位超前900,即在铁芯线圈两端加上即在铁芯线圈两端加上正弦交流电压正弦交流电压u，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中，以，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中，以及感应电动势及感应电动势e，且均为同频率的正弦量，并且电压及感应电，且均为同频率的正弦量，并且电压及感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为动势的有效值与主磁通的最大值关系为上式表明，在忽略线圈电阻上式表明，在忽略线圈电阻R及漏磁通及漏磁通的条件下，当线圈的条件下，当线圈匝数匝数N及电源频率及电源频率f一定时，主磁通的最大值一定时，主磁通的最大值m由
15、励磁线圈由励磁线圈的外加电压有效值的外加电压有效值U确定，与铁芯的材料及尺寸无关。确定，与铁芯的材料及尺寸无关。上一页 下一页返回（5-28）5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈5.2.2 交流铁芯线圈的功率损耗交流铁芯线圈的功率损耗交流铁芯线圈的损耗包括铜损交流铁芯线圈的损耗包括铜损 PCu，和铁损，和铁损 PFe两部分。两部分。铜损铜损 PCu是线圈电阻是线圈电阻R上的有功功率损耗，是由线圈导线发上的有功功率损耗，是由线圈导线发热引起的。铜损的值为热引起的。铜损的值为 PCu=I2R式中，式中，I是线圈电流，是线圈电流，R是线圈电阻。是线圈电阻。铁损铁损 PFe是处于交变磁化下的铁芯中的有功功
16、率损耗，主要是处于交变磁化下的铁芯中的有功功率损耗，主要是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称为是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称为磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势，是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势，也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电动势使铁芯产生也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电动势使铁芯产生涡旋状的感应电流，称为涡流，如涡旋状的感应电流，称为涡流，如图图5-3(a)所示。所示。涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电阻率，在钢中渗透硅即保持了良好的导磁性，
