第六章 磁路及鐵心線圈電路

第6章磁路與鐵心線圈電路6.2交流鐵心線圈電路6.3變壓器6.1磁路及其分析方法6.1磁路及其分析方法磁路：磁通的路徑。交流接觸器的磁路+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B(磁通密度)6.1.1磁場的基本物理量與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通(磁力線)，表示磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向。磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同的磁場稱為均勻磁場。單位：1Gs=10-4T高斯(Gs)特[斯拉](T)1T=1Wb/m2矢量B與I的方向符合右手螺旋定則大小:方向:或磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通。2.磁通的單位：韋[伯](Wb)1Wb=1V?s(伏?秒)麥克斯韋Mx1Wb＝108Mx說明:如果不是均勻磁場，則取B的平均值。3.磁場強(qiáng)度H

--計(jì)算磁場時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系。4.磁導(dǎo)率

--表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量真空中的磁導(dǎo)率(0)為常數(shù)：的單位：亨/米(H/m)單位：安培/米(A/m)相對磁導(dǎo)率

r：稱為磁性材料稱為非磁性材料某種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率

0的比值稱為相對磁導(dǎo)率。B媒質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B0真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度r≈

1r?

11.高導(dǎo)磁性6.1.2磁性材料的磁性能

r>>1具有被強(qiáng)烈磁化的特性磁化前磁化后外磁場鐵磁材料的磁化磁疇磁性物質(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)、變壓器等的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線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。HBOB2.磁飽和性aboa段：B與H幾乎成正比地增加；ab段：B的增加緩慢下來；b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。B-H磁化曲線的特征：磁化曲線HB、OBB、與H的關(guān)系當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí)B與H不成比例，不是常數(shù)。因此，存在磁性物質(zhì)時(shí)，與I不成正比。BHO123456交變磁化時(shí)，B的變化滯后于H的變化的特性稱為磁滯性。磁滯回線將B=0時(shí)的H值稱為矯頑磁力Hc(見圖中3和6所對應(yīng)的點(diǎn))。H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br

(見圖中2和5所對應(yīng)的點(diǎn))。3.磁滯性鑄鐵、鑄鋼及硅鋼片的磁化曲線(1)軟磁材料矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(2)永磁材料矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(3)矩磁材料剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。HBHBHB磁性物質(zhì)的分類6.1.3磁路的分析方法電流方向和磁場強(qiáng)度的方向符合右螺旋定則，電流取正；否則取負(fù)。一、安培環(huán)路定律I1I2I3在磁場中，磁場強(qiáng)度沿任何閉合回路的線積分等于通過這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。在無分支的均勻磁路中(如鐵心線圈)：單位為安[培](A)NI：稱為磁通勢。一般用F表示。F＝NI其中：N為線圈的匝數(shù)；

l

是磁路(閉合回線)的平均長度；

H磁路鐵心的磁場強(qiáng)度。NIl二、磁路歐姆定律磁路的歐姆定律說明:F=NI為磁通勢S為磁路的截面積Rm為磁阻l為磁路的平均長度NIl歐姆定律磁阻磁路歐姆定律電阻磁路與電路的比較電路NI+–EIR磁通勢電動(dòng)勢磁通電流磁壓降電壓降磁路分析的特點(diǎn)(1)在處理電路時(shí)不涉及電場問題，在處理磁路時(shí)離不開磁場的概念；(2)在處理電路時(shí)一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時(shí)一般都要考慮漏磁通；(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于不是常數(shù)，其隨勵(lì)磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計(jì)算，只能用于定性分析；(4)在電路中，當(dāng)E=0時(shí)，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當(dāng)F=0時(shí)，不為零。2.若磁路不均勻(磁路是由不同材料或不同截面組成)

或NI＝H1l1＋H2l2＋＝(Hl)1.均勻磁路：Hl--磁壓降I0S0S11l1S12l2S2右圖所示繼電器的磁路就是由三段串聯(lián)：

預(yù)先給定鐵心中的磁通(磁感應(yīng)強(qiáng)度)，然后計(jì)算產(chǎn)生預(yù)定磁通所需要的磁通勢F=NI。三、磁路的計(jì)算I0S0S11l1S12l2S2FB0H0dB1S1S0B=f(H)0H0H1l1dB2S2B=f(H)H2l2H2l2H1l1(Hl)=NIIlS例6.1.1一均勻閉合鐵心線圈，匝數(shù)為300，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T，磁路的平均長度為45cm，試求：(1)鐵心材料為鑄鐵時(shí)線圈中的電流；(2)鐵心材料為硅鋼片時(shí)線圈中的電流。IlS解：先從磁化曲線中查出磁場強(qiáng)度的H值，然后再計(jì)算電流。(1)H1=9000A/m(2)H2=260A/m結(jié)論：如果要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可以降低線圈電流，減少用銅量。例6.1.2有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為15cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣氣隙，其長度等于0.2cm。設(shè)線圈中通有1A電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求線圈匝數(shù)。解：磁路的平均長度為查鑄鋼的磁化曲線，當(dāng)B＝0.9T時(shí)，H1＝500A／mH1l1＝500×(39.2-0.2)×10－2＝195A空氣隙中的磁場強(qiáng)度為H0＝B0／0＝0.9／(4×10－7)＝7.2×105A/m返回H0＝7.2×105×0.2×10-2＝1440A總磁通勢為NI＝(H

l)＝H1l1＋H0＝195＋1440＝1635Ａ線圈匝數(shù)為N＝NI／I＝1635磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，磁通勢幾乎都降在空氣隙上面。結(jié)論：當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須增大勵(lì)磁電流(設(shè)線圈匝數(shù)一定)。6.2交流鐵心線圈電路ΦσΦiN2.交流鐵心線圈鐵心線圈1.直流鐵心線圈6.2.1電磁關(guān)系鐵心線圈的交流電路u+-e+-eσ+-主磁通：

通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。L不是常數(shù)鐵心線圈是一個(gè)非線性的電感元件ΦσΦiNu+-e+-eσ+-0Φ、LiΦL電磁關(guān)系：6.2.2電壓與電流的關(guān)系據(jù)KVL有：當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：ΦσΦiNu+-e+-eσ+-設(shè)則式中：有效值：一般情況下：線圈的R、Xσ很小UR和Uσ與相比可以忽略因此，當(dāng)f、N一定時(shí)，Φm與U(或E)成正比；當(dāng)U、f、N一定時(shí)Φm將基本保持不變。6.2.3功率損耗鐵損銅損磁滯損耗渦流損耗功率損耗鐵心線圈交流電路的有功功率為：P=UIcos=I2R+△PFe返回所以，為了降低鐵損，鐵心一般采用磁滯回線狹小的硅鋼來制造，并且鐵心是由硅鋼片疊成的。+–ui6.3變壓器發(fā)電廠1.05萬伏輸電線11萬伏22萬伏……升壓變電站1萬伏降壓實(shí)驗(yàn)室380/220伏降壓儀器36伏降壓分類(按用途)：電源變壓器、控制變壓器、耦變壓器、儀用互感器等。6.3.1變壓器的工作原理組成閉合鐵心繞組N1N2原繞組(接電源)初級繞組、一次繞組副繞組(接負(fù)載)次級繞組、二次繞組u1+-u2+-變壓器符號(hào)+-+---變壓器的電路--變壓器的磁路Φσ1i1ΦN1i2|Z|N2Φσ2u1+-u2+-eσ2-+e2-+e1+-eσ1+-電磁關(guān)系：1.電壓變換原繞組：根據(jù)交流鐵心線圈電路的分析可得：副繞組：變壓器空載時(shí):I2=0E2=U20Φσ1i1ΦN1i2|Z|N2Φσ2u1+-u2+-eσ2-+e2-+e1+-eσ1+-結(jié)論：原、副繞組電壓比：改變匝數(shù)比，可得到不同的輸出電壓?？蛰d時(shí)副繞組的端電壓所謂副繞組的額定電壓是指原繞組加上額定電壓時(shí)副繞組的空載電壓。說明：變比在變壓器的名牌上注明，它表示原、副繞組的額定電壓之比。--變比2.電流變換U1、f不變時(shí)，Φm基本恒定不變。可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有空載：有載：---磁通勢平衡式空載磁勢有載磁勢一般情況下，I0(2~3)%I1N很小，可忽略。結(jié)論：額定容量：變壓器原、副繞組的電流與匝數(shù)成反比。單相變壓器三相變壓器相量式為：3.阻抗變換等效---阻抗匹配|Z|u1i1u2i2+-+-u1i1+-例6.3.1如下圖：交流信號(hào)源的電動(dòng)勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載電阻RL=8。(1)當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻為R0時(shí)，求匝數(shù)比和信號(hào)源輸出功率；(2)當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí)，信號(hào)源輸出多大功率？解：(1)變壓器的匝數(shù)比為RLR0+-(2)當(dāng)負(fù)載直接接在信號(hào)源時(shí)信號(hào)源輸出功率為結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。6.3.2變壓器的外特性當(dāng)電源電壓和負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，U2和I2的變化關(guān)系U2=f(I2)曲線稱為變壓器的外特性。一般變壓器中電壓變化率約為5%左右電壓變化率△U：U20I2NI20U26.3.3變壓器的損耗與效率變壓器的損耗包括兩部分：變壓器的效率h：1.繞組上的銅損2.鐵心中的鐵損一般95%，負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí)，最大。6.3.4特殊變壓器1.自耦變壓器負(fù)載N1N2++--使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓，實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。使用注意事項(xiàng)(1)原、副邊千萬不能對調(diào)使用，否則會(huì)燒壞。(2)應(yīng)先將滑動(dòng)頭旋至零位后再接通電源，然后調(diào)輸出電壓至所需值。用畢，再回零位。(3)公共端必須接中性線(零線)。否則，即使輸出電壓很低，人觸及輸出的任一端時(shí)，都有觸電的危險(xiǎn)。規(guī)定：安全變壓器一定要用雙繞組變壓器。2.電流互感器N2(匝數(shù)多)i1N1i2N2負(fù)載A~N1(匝數(shù)少)注意！(1)副邊不能斷開，以防產(chǎn)生高電壓；(2)鐵心、副繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過壓。被測電流=電流表讀數(shù)N2/N13.電壓互感器VRN1（匝數(shù)多）保險(xiǎn)絲N2（匝數(shù)少）~u(被測電壓)被測電壓=電壓表讀數(shù)N1/N2注意！(1)副邊不能短路，以防產(chǎn)生過流；(2)由于涉及到高壓，因此鐵心、副繞組的一端接地。6.3.5變壓器繞阻的極性同極性端（同名端）1324··“*”

或“·

”表示方法：當(dāng)電流流入兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入端稱為同極性端。當(dāng)鐵心中的磁通變化時(shí)，在兩