磁路與鐵磁性材料

1、關于磁路和鐵磁性材料第一張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 磁路的基礎知識 電流流過的路徑是電路，同樣，磁通經過的路徑叫做磁路。如圖6-1所示，繞在鐵芯上的線圈產生的磁通在鐵芯中流動。 （a） （b） 圖6-1磁路第二張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于鐵磁性材料具有較高的磁導率，導磁性能好，所以通常利用鐵磁性材料做鐵芯，以使磁通盡可能地集中在鐵芯中。但是，空間內仍可能存在磁通，也就是存在漏磁現象。我們把集中在鐵芯內的大部分磁通稱為主磁通，不在鐵芯內的極小部分磁通稱為漏磁通。由此可見，磁路中的磁通是由主磁通和漏磁通構成的。 通電線圈的電流是產生磁通的原因，電流越大，磁

2、場越強，磁通也越大。通電線圈的每一匝都要產生磁通，所有磁通合在一起構成了磁路中的磁通。線圈的匝數越多，磁通也就越大。磁通與線圈中的電流強度和線圈的匝數有密切關系。通電線圈中的電流與線圈匝數的乘積被定義為磁動勢（也稱磁通勢），即： Em=NI （6-1）第三張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電路中往往存在電阻，它對電流起到阻礙作用。磁路中同樣存在一個阻礙磁通的物理量，即磁阻。與導體的電阻相似，磁路中磁阻Rm與磁路的長度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，與構成磁路的材料的磁導率成反比，可利用下面的公式描述： Rm=l/S （6-2） 若磁導率以H/m的單位，長度l和截面積分別以m和m2

3、為單位，則磁阻的單位為1/亨（H-1）第四張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 磁路的相關定律 一、磁路的歐姆定律 電路中存在歐姆定律，磁路中也存在歐姆定律，即通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比。 =Em/Rm （6-3） 與電路相比，磁路中的磁動勢相當于電路中的電動勢，磁阻相當于電阻，而磁通相當于電流。需要注意的是，磁路與電路在本質上不相同。電路斷開時，電動勢依然存在，但磁路卻總是閉合的。第五張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、磁路的基爾霍夫定律 1.磁路的KCL 由于磁力線是閉合曲線，所以磁力線從一個區(qū)域的某處穿進去，必然會從另一個區(qū)域穿出來，并且穿入封閉區(qū)

4、域的磁力線數目一定等于穿出該區(qū)域的磁力線數目。也就是說，在磁路中，進入某一節(jié)點的磁通一定等于離開該節(jié)點的磁通，或者說成：磁路中某一節(jié)點上的磁通的代數和恒等于零，這便是磁路的基爾霍夫第一定律（KCL）。第六張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.磁路的KVL將式（6-1）、（6-2）代入式（6-3），可得/S=NI/l。由于磁通與磁感應強度B、磁路橫截面積的關系是 =BS，所以B=NI/l，也可利用磁場強度H描述成NI=Hl，即磁路中磁場強度H與磁路的平均長度l的乘積在數值上等于磁動勢NI，這是磁路的全電流定律。H與l的乘積稱為磁位差。第七張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果構

5、成磁路的材料不同，磁路可以分成n段，那么： NI=H1l1+H2l2+Hnln 式中，l1+l2+ln是磁路的總長。進一步，如果磁通是由m個具有不同匝數的通電線圈產生的，那么： N1I1+N2I2+NmIm=H1l1+H2l2+Hnln （6-4） 在磁路的任一回路中，各段磁位差的代數和等于各磁動勢的代數和，這便是磁路的基爾霍夫第二定律（KVL）。第八張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 線圈的互感 一、互感現象 在自然界中，除了自感現象外，還存在另一種特殊的電磁感應現象，即互感現象。當一個線圈中的電流發(fā)生變化，使另一個線圈中產生感應電動勢的現象叫互感現象。 互感現象可利用圖6-2

6、所示的電路來說明。圖6-2中，線圈L1與線圈L2靠得很近，L2接有檢流計G，用于檢驗 L2內是否有電流。當開關S閉合的瞬間， L1內的電流I從無到有， L1中產生變化的磁通1。 1的一部分磁通12穿過L2，根據電磁感應定律， L2內將產生感應電動勢，由于L2與檢流計G串聯構成了閉合的回路，因而L2內有電流流過，G的指針發(fā)生偏轉。但是，S閉合一段時間后，由于I恒定不變， L2內不再感生電動勢，G的指針便回到零位。第九張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖6-2 互感現象 由互感產生的感應電動勢稱為互感電動勢?；ジ须妱觿莸拇笮≌扔诖┻^本線圈的磁通的變化率。當L1中的磁通完全穿過L2時，互

7、感電動勢最大；當L1和L2垂直時， L1中的磁通完全不穿過L2，此時的互感電動勢最小?；ジ须妱觿莸姆较蛉杂美愦味膳卸ǎ锤袘娏鳟a生的磁場總是阻礙原來磁場的變化。 互感現象如果利用恰當，能夠給人們帶來許多益處，例如電源變壓器、電流互感器、電壓互感器等都利用了互感現象；如果利用不當，它也會給我們的生活帶來不便，例如有線電話常由于兩路電路間的互感而串音，無線電設備也常由于互感現象造成相互干擾。第十張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、耦合系數對于兩個線圈，我們把一個線圈通有1A的電流時，在另一個線圈中產生的磁通（也稱互感磁鏈）叫做互感系數，簡稱互感?；ジ械膰H單位與自感的相同，也是亨利（

8、H）?；ジ械拇笮∪Q于兩個耦合線圈的幾何尺寸、匝數、相對位置和周圍磁介質。如果磁介質為非鐵磁性材料，互感則為常數。線圈中的互感電動勢，與互感系數和另一個線圈中電流的變化率的乘積成正比。圖6-2中的兩個線圈，它們除了互感以外，每個線圈還有自感。兩線圈間的互感系數M和各自的自感系數L1、L2之間的關系為：第十一張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月k稱為兩線圈的耦合系數，它反映了兩個線圈之間的耦合程度。由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以0k1。k=0表明兩個線圈不產生互感磁通；k=1表明兩個線圈耦合得最緊，互感磁通也最大，這時又叫做全耦合。第十二張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、

9、同名端在工程中，兩個或兩個以上的有磁耦合的線圈，常常需要知道了互感電動勢的極性，才能選擇正確的連接方式?；ジ须妱觿莸臉O性不但與原磁通及其變化方向有關，還與線圈的繞向有關。盡管可以利用楞次定律來判斷互感電動勢的極性，但這并不方便，實際中常利用標記同名端的方式來說明互感電動勢的極性。如圖6-3（a）所示，兩個線圈L1、L2繞在同一個鐵芯上。假設L1中通有隨時間逐漸增大的電流i，電流i產生的磁通1也隨時間的增加而增大。根據電磁感應定律，鐵芯中的磁通1在增大的過程中，L1中將產生自感電動勢，L2中將產生互感電動勢，它們都會阻礙1的增大。根據安培右手定則可以判斷L1、L2的感應電動勢的極性如圖所示。其中

10、，端點1和3的極性相同，端點2和4的極性相同。如果改變L1中電流的方向，仍讓其隨時間逐漸增大，那么L1、L2的感應電動勢的極性如圖6-3（b）所示。第十三張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 顯然，端點1和3的極性仍相同，端點2和4的極性也相同。這說明，如果兩個線圈按圖6-3的形式繞在同一個鐵芯上，那么不管電流的方向如何改變，大小如何改變，感應電動勢在端點1和3上的極性始終保持相同，在端點2和4上的極性也始終相同。我們把這種在同一磁通作用下，感應電動勢極性相同的端點稱為同名端，感應電動勢極性相反的端點稱為異名端。同名端利用“”表示。工程中通常只標出一對同名端，如圖6-4所示。第十四張，P

11、PT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 （a） （b） 圖6-3互感線圈的同名端 圖6-4同名端的標記第十五張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 變 壓 器 變壓器是利用互感原理工作的一種電磁裝置。在電力系統(tǒng)中，變壓器常用于將某一數值的交流電壓或電流，變換成另一數值的交流電壓或電流。除了可以變換電壓電流之外，變壓器常用于變換阻抗和改變相位。變壓器的種類很多，有輸電和配電使用的電力變壓器，實驗用的整流變壓器，電解用的整流變壓器，電子技術中使用的輸入和輸出變壓器等。盡管不同類型的變壓器在結構上各有特點，并具有不同的功能，但它們的基本結構和工作原理是類似的。第十六張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作

12、于2022年6月 一、變壓器的基本結構 變壓器由鐵芯、繞組和一些附件構成，其中鐵芯和繞組是其最主要的組成部分。變壓器的鐵芯是磁路的通道。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，變壓器鐵芯常用磁導率較高的、相互絕緣的硅鋼片疊裝而成，鋼片的厚度約為0.350.5 mm。也有的變壓器采用鐵氧體或其他磁性材料作鐵芯。按鐵芯的結構可將變壓器分成芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在鐵芯柱上；殼式變壓器的繞組被鐵芯所圍繞。大型的變壓器多采用芯式結構，小型的變壓器多采用殼式結構。第十七張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 變壓器的繞組是電流的通道，通常由具有良好絕緣性質的漆包線繞在線圈框架上構成。大型變壓器的繞組也

13、使用紗包線和絲包線繞制。變壓器的繞組分為一次繞組（或稱初級繞組、原邊線圈）和二次繞組（或稱次級繞組、副邊線圈），其中一次繞組與電源相連，二次繞組與負載相連。變壓器的繞組和鐵芯之間、繞組與繞組之間以及繞組的每一匝之間都要保持良好的絕緣性，否則很容易燒壞。第十八張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 變壓器的附件有很多，例如屏蔽裝置，冷卻裝置等。為了使變壓器不受外界電磁場的干擾，常利用鐵殼或鋁殼將其罩起來，在一次繞組和二次繞組之間也常加一層金屬靜電屏蔽層。變壓器在正常工作時還需及時散熱，否則容易發(fā)生事故。變壓器的冷卻方式主要有油冷和自冷兩種。小型變壓器多采用自冷式，即靠空氣的流動自然散熱；大型

14、變壓器多采用油冷式，即把變壓器的鐵芯和繞組全部浸在油箱中。變壓器在電路中的符號如圖6-7所示。第十九張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 （a） （b） 圖6-7變壓器的符號第二十張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、變壓器的工作原理1.變換電壓理想的變壓器模型如圖6-8所示。讓一次繞組與交流電壓源相連，二次繞組不接任何負載，這時變壓器處于空載運行狀態(tài)，一次繞組上的電流i0為空載電流。磁動勢i0N1在鐵芯磁路中產生交變的磁通。與一次和二次繞組交鏈，使得一次繞組和二次繞組上分別感應出電動勢e1和e2。如果=msin2ft，f是交流電壓源的頻率，那么e1和e2的有效值E1、E2分別為

15、:于是: E1/E2=N1/N2第二十一張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于變壓器的空載電流非常小，由一次繞組內阻形成的電壓可以忽略不計，因而一次繞組上的感應電壓E1的有效值與交流電壓源的有效值U1近似相等。另外，由于二次繞組未接負載，其感應電壓的有效值E2就等于其端電壓的有效值U2。因此: U1/U2E1/E2=N1/N2=K（6-8）上式表明，變壓器空載時，兩繞組的電壓之比近似等于匝數之比。這個比值K稱為變壓比，簡稱變比。K1的變壓器稱為降壓變壓器，K1的變壓器稱為升壓變壓器。 圖6-8變壓器的空載運行第二十二張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.變換電流 如果在圖6

16、-8所示的變壓器的二次繞組上接負載Z，那么變壓器由空載運行變?yōu)橛休d運行，如圖6-9所示。變壓器處于有載運行狀態(tài)時，二次繞組上將產生電流i2。對于理想變壓器，根據能量守恒定律，一次繞組從電源獲取的能量應等于二次繞組上負載消耗的能量，即變壓器從電源獲取的功率P1應等于它的輸出功率P2。根據交流電路的功率計算公式可知,P1=U1I1cos1，P2=U2I2cos2，式中，U1和U2分別為交流電壓源電壓的有效值和負載電壓的有效值，I1和I2分別為一次繞組內和二次繞組內電流的有效值，cos1和cos2分別為一次繞組電路和二次繞組電路的功率因數。由于1與2通常相差較小，在工程中可近似認為它們是相等的，因而

17、U1I1U2I2，即： （6-9）第二十三張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖6-9 變壓器的有載運行 可見，變壓器在有載狀態(tài)下工作時，一次繞組和二次繞組中的電流跟兩個繞組的匝數成反比，可以通過改變變壓器的匝數比來改變電流。電流互感器就是根據這一原理制成的。 3.變換阻抗在電子電路中，常利用變壓器將負載電阻變成與信號源的內阻相等，以使負載獲得最大功率。此時稱為阻抗匹配。上式表明，如果在變壓器的二次側接上負載|Z2|，那么相當于使電源接上大小為|Z1|=K2|Z2|的阻抗。 第二十四張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、變壓器的銘牌 變壓器的銘牌上面標有變壓器的型號、額定值等

18、技術指標。通過查看變壓器的銘牌，我們能夠初步了解變壓器的結構和特點。 變壓器的型號上標有變壓器的結構特點、額定容量（單位是kVA）和高壓側的電壓等級（單位是kV），如圖6-10所示。電力變壓器型號中常用符號的含義見表6-2。 圖6-10變壓器的型號表6-2變壓器型號中常用符號的含義（見書126頁）第二十五張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 鐵磁性材料的基礎知識 一、鐵磁性物質的磁化 當把一根鐵棒插入通有電流的線圈時，可以發(fā)現鐵棒能夠吸引鐵屑，這是由于鐵棒被磁化的緣故。所謂磁化是指使原來沒有磁性的物質具有磁性的過程。只有鐵磁性物質能夠被磁化，非鐵磁性物質不能被磁化。 鐵磁性物質能夠

19、被磁化的主要原因是其內部存在大量的磁性小區(qū)域，即磁疇。在無外磁場作用時，鐵磁物質中磁疇的排列雜亂無章，磁性相互抵消，物質對外界并不顯磁性。但是，在外磁場作用下，磁疇將沿著磁場的方向排列，從而產生附加磁場，如圖6-11所示。附加磁場與外磁場疊加在一起，使得總磁場增強。有些鐵磁性物質在去掉外磁場后對外仍顯磁性，于是它們變成了永久磁鐵。第二十六張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 （a） （b） 圖6-11鐵磁性物質的磁疇第二十七張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、磁化曲線 鐵磁性物質在外磁場作用下，其內部將產生磁場。表征鐵磁性物質內磁感應強度B隨外磁場強度H變化的曲線，稱為磁化曲

20、線，也稱為B-H曲線。如果鐵磁性物質從完全無磁的狀態(tài)進行磁化所得到的磁化曲線稱為起始磁化曲線。磁化曲線是非線性的。起始磁化曲線應經過坐標原點，如圖6-12所示。 圖6-12鐵磁性物質的磁化曲線第二十八張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在磁化曲線起始的Oa段，曲線上升緩慢，這是由于鐵磁物質內部磁疇的慣性造成的，這個階段稱為起始磁化階段。隨著H的增大，B也增大，磁化曲線中ab段的變化接近于直線，這是由于大量的磁疇在外磁場作用下沿著磁場的方向排列，附加磁場增強。然后，在bc段，隨著H的增大，B也增大，但增大的速度變慢，這是由于鐵磁性物質內部只剩下了少數的磁疇。最后，在cd段，由于鐵磁性物質

21、幾乎全部被磁化，繼續(xù)增大H，B幾乎沒有變化，即B達到了飽和值。不同的鐵磁性物質具有不同的磁化曲線。第二十九張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、磁滯回線 上面介紹的磁化曲線只反映了鐵磁性物質在外磁場由零逐漸增強時的磁化過程。但是，在實際使用中，許多鐵磁性材料往往工作在大小和方向交替變化的磁場中，這時由于鐵磁性物質具有滯后效應和粘滯性，使得B的值不僅與相應的H有關，還與物質之前的磁化狀態(tài)有關。 實驗表明，如果B達到飽和值后，逐漸減小H，這時B并不是沿著圖6-12中的磁化曲線減小，而是沿著另一條曲線下降，如圖6-13所示的de段。當H減小至零時，B的值不是零，而是Br，Br稱為剩磁。 圖6-13磁滯回線第三十張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 為了消除剩磁，必須施加反向的磁場。當反向磁場由零增大到Hc時，B的值為零。Hc稱為矯頑力，它反映了鐵磁性物質保持剩磁的能力。繼續(xù)增大反向磁場，B的值將從零變?yōu)樨撝?，即B的方向發(fā)生改變，鐵磁性物質被反向磁化。反向磁化使B達到飽和值后，減小反向磁場，磁化曲線將沿gk段變化，在k點處H為零。繼續(xù)增大正向磁場，磁化曲線將沿khd變化。從磁化的整個過程可以看出，B的變化總是落后于H的變化，這種現象稱為磁滯現象。磁化過程所形成的閉合的、對稱于原點的曲線defgkhd，稱為磁滯回線。第三十一張，PPT共三十五頁，創(chuàng)作于2022