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1、第七章 磁路与变压器第一节 学习指导一、 学习目的和要求1.掌握磁场的基本物理量2.掌握磁性材料及其性能3.掌握磁路及其基本定律，4.理解铁心线圈电路中的电磁关系、电压电流关系以及功率与能量问题，特别要掌握这一关系式5.了解交流铁心线圈电路6.了解变压器工作原理，掌握变压器的额定参数，阻抗变换公式7.了解电磁铁二、内容简介1.磁场的基本物理量（见表7-1）表7-1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量物理意义公式单位磁感应强度B表征磁场中某点的磁性强弱和方向的矢量方向符合右螺旋定则特（斯拉）（T）1T=1Wb/磁通穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数，磁力线是闭合曲线，磁通是连续的韦伯（），1（
2、伏秒）=（麦克斯韦）磁场强度H将电流与磁场强度联系起来安培环路定律A/m（安培/米）磁导率表征磁场中媒质特性真空中，任意媒质中称为相对磁导亨/米（H/m）2.磁性材料及其性能（见表7-2）（1）磁性材料铁、镍、钴及其合金；磁性材料分为：软磁材料（小，回线面积小，用于交流电机和变压器等）；硬磁材料（大，回线面积也大，用作永久磁铁）；矩磁材料（大，小，回线面积小，用作计算机和控制系统中的记忆元件、开关元件等）表7-2 磁性材料及其性能简介应用高导磁性外磁场的磁力线穿过磁性物质时，因物质被磁化而使磁场大大增强，磁力线集中于磁性物质中穿过，如电流穿过导体一样，磁性物质亦能导磁，具有很高的导磁性有强烈被
3、磁化的特性将具有高导磁性的材料作成铁心，可以在铁心的绕线上通入微小的电流，便可产生较大的磁场磁饱和性由于几乎所有磁畴区的方向均已偏转到与外加磁场方向一致了，附加磁场不再增长所致。这种现象称为磁饱和磁滞性对于磁性材料的铁心就被交变磁场反复磁化剩磁大的材料可做永久磁铁（2）磁化曲线：磁化过程中B和H的关系曲线（图7-1-1所示）。图7-1-1磁化曲线 图7-1-2磁滞回线 非磁性物质的磁化曲线，是一条直线。 磁性物质的磁化曲线； 附加磁场曲线； 磁导率的变化曲线。（3）磁滞性：当线圈中通交流电时，对于磁性材料的铁心就被交变磁场反复磁化，在一个周期内BH曲线形成闭合回线，称为磁滞回线。如图7-1-2
4、所示。工程上所用的磁化曲线称为平均磁化曲线，它是由不同大小的交变电流形成的磁滞回线的顶点（）所连成的曲线。图7-1-3中示出了几种磁性材料的磁化曲线。图7-1-3 几种磁性材料磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片3.磁路及其基本定律（1）磁路：由于磁性物质具有高导磁性，可用来构成磁力线的集中通路，称为磁路。（2）磁路欧姆定律：根据可得 磁路欧姆定律其中 磁阻磁通势为磁路平均长度，为磁路截面积。（3）磁路的计算：图7-1-4分段均匀磁路对图7-1-4所示分段均匀磁路有 或 称为基尔霍夫第二定律。将代入，有 或 式中不是常数，因此公式并不能用于计算磁路，只可做定性分析用。（4）磁路的分析：分为两类。第一类
5、是指已知要求的磁通求所需磁通势；第二类是指已知磁通势求所能产生的磁通量。由于磁路是非线性的（曲线非线性），“第二类分析”只能借助“第一类分析”用猜试法进行。“第一类分析”步骤可简述如下：已知，由（查曲线）得出；由（查曲线）得出；由； 对交流磁路则可按幅值进行分析，即：已知查曲线为叠片系数。4.交流铁心线圈电路（见表7-3）表7-3 交流铁心线圈交流铁心线圈电路电磁关系 电压电流关系功率关系铜耗：，即线圈电阻功率损失。铁损： 铁心线圈交流电路的有功功率：5.变压器工作原理，掌握变压器的额定参数，阻抗变换公式。图7-1-5变压器的空载运行（1）变压器的空载运行如图7-1-5所示。 而（2）变压器的
6、负载运行如图7-1-6所示.图7-1-6变压器的负载运行（3）阻抗变换（4）变压器的额定值额定值是正确使用变压器的依据，在额定状态下运行，可保证变压器长期安全有效的工作。 额定容量：指变压器的视在功率。对三相变压器指三相容量之和。单位伏安（VA）千伏安（KVA） 额定电压：指线值，单位伏（V）千伏（kV），指电源加到原绕组上的电压，是副方开路即空载运行时副绕组的端电压。 额定电流：由和计算出来的电流，即为额定电流对单相变压器： 对三相变压器： 额定频率fN：我国规定标准工业用电频率为50赫（HZ）有些国家采用60赫。此外，额定工作状态下变压器的效率、温升等数据均属于额定值。6.电磁铁（1）直流
7、电磁铁式中：:直流电磁铁的吸力，单位为牛顿（N）；：为空气隙中的磁感应强度，单位为特（T）；:空气隙截面积；单位为平方米（m2）；：真空磁导率；直流电磁铁的电流值决定于外加电压和电阻，励磁的磁动式是横定的，随着衔铁的吸合，空气隙变小，磁阻减小，吸力增大。（2）交流电磁铁交流电磁铁的励磁电流为交流，磁通是交变。设则吸力为（7-4-1）式中是吸力的最大值。我们在计算时只考虑吸力的平均值（3）直流电磁铁与交流电磁铁特点的比较（见表7-4）表7-4 直流电磁铁与交流电磁铁特点线圈会过热, 可能烧坏 线圈不会过热 吸合不好时 有轻微振动 无振动 吸合后 吸力基本不变, 电流减小 电流不变, 吸力逐渐加大
8、 吸合过程 由硅钢片制成, 有短路环 由整块软钢制成, 无短路环 铁芯结构交流电磁铁 直流电磁铁 内 容 三、典型例题分析例7-1有一交流铁心线圈，接在的正弦电源上，在铁心中得到磁通的最大值 =Wb，现在此铁心上再绕一个线圈，其匝数为，当此线圈开路时，求其两端电压。解：V例7-2如图7-1-7所示变压器，已知=，=，原副边匝数比为，=V，试:（1）标出同名端；（2）求=？图7-1-7例7-2图解：（1）1、4 （2、3）为同名端（2） 又 解得： A例7-3如图把电阻的扬声器接于输出变压器的副边，设输出变压器的原绕组为匝、副绕组为匝。试求：（1）扬声器的等效阻抗；（2）将变压器原边接上电压为1
9、0V，内阻为=的信号源时，输送到扬声器的功率是多少？（3）直接把扬声器接到信号源时输送到扬声器的功率是多少？图7-1-8例7-3图解：（1）变压器的变比 扬声器的等效阻抗 （2） A ， A mW （3）直接接到信号源 A， mW例7-4图7-1-9所示的变压器有两个相同的原绕组，每个绕组的额定电压为V,副绕组的额定电压为V，问:（1）当电源电压为V及V时，原绕组的四个接线端应如何连接？在这两种情况下，副绕组的端电压是否改变？（2）如果把接线端和相连，而把和接到V电源上，试分析这时将会发生什么情况？图7-1-9例7-4图解：（1）电源电压为220V（110V）时，原绕组2、3（1、3，2、4）
10、端连接，1、4（1、2）端接电源，每个线圈电流不变，不变。所以是一样的，副绕组端电压不变。（2）2、4相联，1和3接220V电源时，原边电流会很大烧坏原线圈，而副绕组无电压输出。例7-5有一直流电磁铁，其磁路由铁心、衔铁和气隙三部分构成。铁心的材料是硅钢片，衔铁的材料是铸钢。各部分的尺寸见图（以厘米计），今需要在空气隙中产生磁通0.06Wb，而已知线圈匝数为2500，试求线圈中必须通入的电流，并计算电磁铁的吸力。解：（1）气隙 （2）衔铁 查磁化曲线表得 （3）铁心 查磁化曲线表得 线圈中电流： 电磁铁吸力：第二节 习题详解7-1什么叫磁路？为什么磁路必须由铁磁材料构成?答：磁通所通过的路径称
11、为磁路；铁磁材料具有汇聚磁通、使铁心内部的磁场增强的作用。7-2请介绍一下磁性材料的磁性能答：磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金。性能如下：1.高导磁性：外磁场的磁力线穿过磁性物质时，因物质被磁化而使磁场大大增强，磁力线集中于磁性物质中穿过，如电流穿过导体一样，磁性物质亦能导磁，具有很高的导磁性有强烈被磁化的特性，这就是磁性材料的高导磁性。将具有高导磁性的材料作成铁心，可以在铁心的绕线上通入微小的电流，便可产生较大的磁场。2.磁饱和性3.磁滞性：当线圈中通交流电时，对于磁性材料的铁心就被交变磁场反复磁化，在一个周期内BH曲线形成闭合回线，称为磁滞回线磁滞回线的形成是由于磁畴区偏转方向时遇到摩擦
12、阻力所致，因此磁滞回线的面积反映了克服摩擦阻力所消耗的功率，称为磁滞功率损失，它使磁性材料内部发热。根据磁滞回线的形状，磁性材料又分为软磁材料（小，回线面积小，用于交流电机和变压器等），硬磁材料（大，回线面积也大，用作永久磁铁），矩磁材料（大，小，回线面积小，用作计算机和控制系统中的记忆元件、开关元件等）。7-3请比较磁路与电路的区别和联系。答：1.磁路与电路的比较（见表7-5）表7-5 磁路与电路的比较磁路电路1 物理量磁动势 磁通量 磁阻 磁导 磁导率 电动势E=IR电流I电阻R电导G电导率2 基本定律欧姆定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律 欧姆定律I=基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律2
13、.电路与磁路的区别：（1）电路中有电流就有功率损耗。磁路中恒定磁通下没有功率损耗；（2）电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝缘体，除在铁心的磁通外，空气中也有漏磁通；（3）电阻为常数，磁阻为变量；（4）对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路饱和时为非线形不能应用叠加原理。（5）磁路与电路仅是数学形式上的类似，而本质是不同的。7-4有一铁心线圈，试分析铁心中的磁感应强度、线圈中的电流和铜损RI2，在下列几种情况下如何变化：（1）直流励磁铁心截面积加倍，线圈的电阻和匝数以及电源电压保持不变；（2）交流励磁铁心截面积加倍，线圈的电阻和匝数以及电源电压保持不变；（3）交流励磁频率和电源电压的大小减半。答：（1）由于电源电压和线圈电阻不变，所以电流I 不变，铜损R I 2 不变。磁感应强度B 不变，因为在IN=Hl中与S 无关，H 不变，由B-H 曲线可查知Bm 不变；（2） 在交流励磁的情
