第7 磁路和變壓器201306

第7章磁路和變壓器§7.1磁路的基本物理量和基本性質(zhì)§7.2鐵磁材料§7.3磁路的概念及磁路的基本定律§7.4直流磁路計(jì)算§7.5交流磁路與交流鐵心線(xiàn)圈

_§7.6電磁鐵§7.7變壓器前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；3.掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用；4.了解三相電壓的變換方法；本章要求：5.了解電磁鐵的基本工作原理及其應(yīng)用知識(shí)。1.理解磁場(chǎng)的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識(shí)及磁路的基本定律，會(huì)分析計(jì)算交流鐵心線(xiàn)圈電路；前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出在很多電工設(shè)備（像變壓器、電機(jī)、電磁鐵電工測(cè)量?jī)x器等）中，不僅有電路的問(wèn)題，同時(shí)還有磁路的問(wèn)題。只有同時(shí)掌握了電路和磁路的基本理論，才能對(duì)以上電工設(shè)備進(jìn)行全面分析。本章結(jié)合磁路和鐵心線(xiàn)圈電路的分析，討論變壓器和電磁鐵的工作原理，作為應(yīng)用實(shí)例。磁路和電路往往是相關(guān)的，因此在這里要研究磁路和電路的關(guān)系以及磁和電的關(guān)系。在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱(chēng)為磁路。前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出§7.1磁路的基本物理量和基本性質(zhì)前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B（磁通密度）定義：表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

與勵(lì)磁電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:

特[斯拉](T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場(chǎng):

各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場(chǎng)，也稱(chēng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)。Ｆ＝ｑｖ×Ｂ2.磁通

在磁場(chǎng)內(nèi)穿過(guò)某一截面積S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量。說(shuō)明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。在均勻磁場(chǎng)中=BS

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過(guò)的磁通,故又稱(chēng)磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s由實(shí)驗(yàn)可測(cè)得：真空的磁導(dǎo)率為：3.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）因?yàn)樗且粋€(gè)常數(shù)，將其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它比較是很方便的。4.磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H

：是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量，通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)5.磁通連續(xù)性原理磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和分布狀態(tài)通常用閉合的反映各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁力線(xiàn)表示，如果在磁場(chǎng)中作任一閉合曲面，則穿過(guò)此曲面的磁通為零1.高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等?！?.2鐵磁材料1.高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線(xiàn)圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線(xiàn)圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。§7.2鐵磁材料磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng)。2.磁飽和性BJ

磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線(xiàn)；B0

磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線(xiàn)；B

BJ曲線(xiàn)和B0直線(xiàn)的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的B-H

磁化曲線(xiàn)。OHBB0BJB?a?b磁化曲線(xiàn)磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。

B-H

磁化曲線(xiàn)的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來(lái)；

b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJB?a?b

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線(xiàn)在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線(xiàn)性曲線(xiàn)，實(shí)際中通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。

OHB,B磁化曲線(xiàn)B和與H的關(guān)系1.磁導(dǎo)率高2.磁飽和現(xiàn)象前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出3.磁滯性磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線(xiàn)是一條回形閉合曲線(xiàn)，稱(chēng)為磁滯回線(xiàn)。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。磁滯回線(xiàn)OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線(xiàn)圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的；自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

3.磁滯性磁滯回線(xiàn)OHB????BrHc但剩磁也存在著有害的一面，例如，當(dāng)工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤(pán)有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線(xiàn)和磁化曲線(xiàn)也不同。磁滯現(xiàn)象前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)的磁化曲線(xiàn)a

鑄鐵

b

鑄鋼

c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類(lèi)型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線(xiàn)較窄。一般用來(lái)制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)硬磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線(xiàn)較寬。一般用來(lái)制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線(xiàn)接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等?！?.3磁路的概念及磁路的基本定律一、磁路的概念磁路——約束在鐵心所限定的范圍內(nèi)的磁通路徑。前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出二、磁路的基本定律

(1)安培環(huán)路定律磁通勢(shì)

(2)磁路歐姆定律均勻磁路：

磁阻前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出§7.4直流磁路計(jì)算直流磁路——直流電勵(lì)磁，外加電壓不變，電流不變，勵(lì)磁線(xiàn)圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。兩種磁路計(jì)算（1）已知磁路的結(jié)構(gòu)和磁路中的磁通，求產(chǎn)生磁通的磁通勢(shì)。（2）已知磁路的結(jié)構(gòu)和磁通勢(shì)，求磁路中的磁通。前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出（1）求各段磁路的平均長(zhǎng)度和截面積（2）通過(guò)磁通求磁感應(yīng)強(qiáng)度（3）根據(jù)B通過(guò)B—H曲線(xiàn)查H前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出（4）應(yīng)用安培環(huán)路定律求磁通勢(shì)前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出§7.5交流磁路與交流鐵心線(xiàn)圈一、磁通與電壓、電流的關(guān)系

KVL:

設(shè)結(jié)論：交流磁路中的磁通不受磁路變化的影響，只與電路參數(shù)有關(guān)。

前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出2功率損耗交流鐵心線(xiàn)圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1.銅損(Pcu)在交流鐵心線(xiàn)圈中,線(xiàn)圈電阻R上的功率損耗稱(chēng)銅損，用Pcu

表示。Pcu

=RI2式中：R是線(xiàn)圈的電阻；I是線(xiàn)圈中電流的有效值。2.鐵損(PFe)在交流鐵心線(xiàn)圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱(chēng)鐵損，用PFe

表示。它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+–ui（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱(chēng)為磁滯損耗(Ph

)

。磁滯損耗的大?。?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線(xiàn)的面積和磁場(chǎng)交變的頻率f。OHB

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線(xiàn)狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇值以減小鐵心飽和程度。(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，稱(chēng)為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率（通常由于硅鋼片）。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。鐵心線(xiàn)圈交流電路的有功功率為：三、交直流磁路的對(duì)比磁阻

磁通

磁通勢(shì)

磁路變化

直流磁路

由電路參數(shù)決定，不受磁路影響。

影響磁阻和磁通，不影響磁通勢(shì)和電流。交流磁路

由電路決參數(shù)定，基本不受磁路的影響。

影響磁阻、磁通勢(shì)和電流，不影響磁通。前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出§7.6電磁鐵電磁鐵的應(yīng)用：起重電磁鐵，控制和保護(hù)用的電磁鐵，電磁吸盤(pán)等。按勵(lì)磁電流分類(lèi)：一、直流電磁鐵直流電磁鐵的特點(diǎn)：（1）直流電磁鐵線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流，與銜鐵的運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)關(guān)，即與氣隙δ大小無(wú)關(guān)。（2）電磁吸力與銜鐵的運(yùn)動(dòng)行程有關(guān)。（3）直流電磁鐵動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠，適于動(dòng)作頻繁的機(jī)構(gòu)。前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出特點(diǎn)：（1）交流電磁鐵是用交流電勵(lì)磁，磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ是隨時(shí)間變化的函數(shù)。（2）當(dāng)勵(lì)磁電壓為定值時(shí)，Ｂ基本不變，與行程無(wú)關(guān)。（3）勵(lì)磁電流與運(yùn)動(dòng)行程有關(guān)。（4）電磁力是角頻率的函數(shù)。

前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出二、交流電磁鐵

變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線(xiàn)路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線(xiàn)路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：在能量傳輸過(guò)程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）UIP=I2RlIS§7.7變壓器電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：發(fā)電廠10.5kV輸電線(xiàn)220kV升壓儀器36V降壓…實(shí)驗(yàn)室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓?jiǎn)蜗嘧儔浩?–+–Z變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的分類(lèi)電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號(hào)7.3.2

變壓器的工作原理一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。單相變壓器+–+–Z一次繞組N1二次繞組N2鐵心

電壓變換前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出一、工作原理（一）空載運(yùn)行忽略漏磁通和線(xiàn)圈電阻壓降電磁感應(yīng)定律設(shè)—變壓比（二）帶載運(yùn)行—變流比忽略漏磁通和線(xiàn)圈電阻壓降前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出（三）變換阻抗

前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出應(yīng)用變壓器阻抗變換作用，可以實(shí)現(xiàn)電路阻抗匹配。二、運(yùn)行特性

1.外特性和電壓調(diào)整率

2.損耗和效率銅損耗鐵損耗前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出三、變壓器繞組的同極性端前一頁(yè)后一頁(yè)節(jié)目錄退出1、3或2、4為同極性端，用“·”表示，同極性端也稱(chēng)為同名端。1、6也為同極性端繞組極性連接錯(cuò)近似于短路：

繞組極性連接正確：前一頁(yè)后