《電工基礎(chǔ)》教案29、30 鐵芯線圈與變壓器 磁路的基礎(chǔ)知識(shí)、鐵芯線圈電路

《電工基礎(chǔ)》教學(xué)方案教師：序號(hào)：29授課時(shí)間授課班級(jí)上課地點(diǎn)教學(xué)項(xiàng)目（任務(wù)）名稱磁路的基礎(chǔ)知識(shí)課時(shí)數(shù)2教學(xué)內(nèi)容主要知識(shí)點(diǎn)了解磁路的基本物理量和基本定律；了解鐵磁性材料的磁性能重點(diǎn)、難點(diǎn)理解磁損耗概念教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力使學(xué)生掌握磁路基本概念、理解磁路物理量的意義方法能力掌握磁路歐姆定律和磁化曲線的分析方法社會(huì)能力團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，分析并解決問(wèn)題的能力學(xué)生情況分析授課對(duì)象一般為電子信息工程技術(shù)專業(yè)普專大一新生教學(xué)環(huán)境要求教室、實(shí)訓(xùn)室教學(xué)方法教學(xué)做一體化教學(xué)手段多媒體演示結(jié)合實(shí)物展示，學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配(min)任務(wù)描述與課程導(dǎo)入在變壓器、電機(jī)及各種電磁元件中常用鐵磁物質(zhì)做成一定形狀的鐵心，由于鐵心的導(dǎo)磁系數(shù)比周圍其它物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)高很多，因此磁通差不多全部通過(guò)鐵芯而形成一個(gè)閉合回路,這部分磁通稱為主磁通，所經(jīng)過(guò)的路徑叫磁路，如圖所示。另外還有很少一部分經(jīng)過(guò)空氣而形成閉合路徑，這部分磁通叫漏磁通。介紹磁路在生產(chǎn)中的主要應(yīng)用，讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)磁路基本知識(shí)，課堂提問(wèn)還要哪些地方用到磁場(chǎng)10知識(shí)準(zhǔn)備一、磁路的基本物理量1、磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）：表征磁場(chǎng)中某點(diǎn)強(qiáng)弱和方向的物理量。單位：特斯拉（T）高斯（Gs）1T=104Gs磁通（Φ）：表征與磁場(chǎng)相垂直的某個(gè)截面上磁力線的分布情況。均勻磁場(chǎng)中，單位：韋伯（Wb）麥克斯韋（Mx）1Wb=108Mx3、磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）：表征電流的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向。單位：安/米（A/m）4、磁導(dǎo)率（μ）：表征自然界物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。單位：亨利/米（H/m）真空磁導(dǎo)率：相對(duì)磁導(dǎo)率：二、鐵磁材料的磁性能鐵磁性材料具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性和剩磁性。鐵磁性材料具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性和剩磁性。1、高導(dǎo)磁性：磁導(dǎo)率可達(dá)102~104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。2、磁飽和性：B不會(huì)隨H的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng)，H增大到一定值時(shí)，B不能繼續(xù)增強(qiáng)。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題25知識(shí)準(zhǔn)備3、磁滯性和剩磁性：鐵心線圈中通過(guò)交變電流時(shí)H的大小和方向都會(huì)改變，鐵心在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化的過(guò)程中，B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯性；當(dāng)H減為零時(shí)B并不為零，這種現(xiàn)象稱為剩磁性。三、鐵磁材料的類型1、軟磁材料：磁導(dǎo)率高，磁滯特性不明顯，矯頑力和剩磁都小，磁滯回線較窄，磁滯損耗小。適用于制作各種電機(jī)電器的鐵心。2、硬磁材料：剩磁和矯頑力均較大，磁滯性明顯，磁滯回線較寬。適用于制作各種人造磁體。3、矩磁材料：只要受較小的外磁場(chǎng)作用就能磁化到飽和，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉，磁性仍保持，磁滯回線幾乎成矩形。適用于制作各類存儲(chǔ)器記憶元件的磁芯。四、磁路的歐姆定律如下圖所示是最簡(jiǎn)單的磁路，設(shè)一鐵心上繞有N匝線圈，鐵心的平均長(zhǎng)度為，截面積為S，鐵心材料的磁導(dǎo)率為μ。當(dāng)線圈通以電流I后，將建立起磁場(chǎng)，鐵心中有磁通Φ通過(guò)。假定不考慮漏磁，則沿整個(gè)磁路的Φ相同，則從上式可以看出，NI愈大則Φ愈大，愈大則Φ愈小，NI可理解為是產(chǎn)生磁通的源，故稱為磁動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)F表示，它的單位是安·匝（A·匝）。對(duì)通過(guò)磁路的磁通有阻礙作用，故稱為磁阻，用Rm表示，它的單位是1/享（1/H），記為H-1。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35掌握歐姆定律的公式含義（[]表示單位的意思）于是有（5-9）上式與電路的歐姆定律相似，故稱為磁路的歐姆定律。磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于電勢(shì)，磁阻相當(dāng)于電阻，磁通相當(dāng)于電流。即線圈產(chǎn)生的磁通與磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁阻成反比。若磁路上有n個(gè)線圈通以不同電流，則建立磁場(chǎng)的總磁動(dòng)勢(shì)為必須指出，式（5-9）表示的磁路歐姆定律，只有在磁路的氣隙或非鐵磁物質(zhì)部分是正確的，才保持磁通與磁動(dòng)勢(shì)成正比例的關(guān)系。在有鐵磁材料的各段，Rm因μ隨B或Φ變化而不是常數(shù)，這時(shí)必須利用B與H的非線性曲線關(guān)系，由B決定H或由H決定B。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題20教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配作業(yè)在看懂例題，深刻理解磁路基本概念的基礎(chǔ)上，選做習(xí)題庫(kù)中與磁路有關(guān)習(xí)題教學(xué)參考資料、網(wǎng)站《電路分析基礎(chǔ)》趙偉光北京：清華大學(xué)出版社教學(xué)后記（包括自我評(píng)價(jià)與學(xué)生評(píng)價(jià)，教學(xué)過(guò)程的全面分析）學(xué)生們基礎(chǔ)有差別，注意個(gè)別指導(dǎo)，注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，多與學(xué)生互動(dòng)，需要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合應(yīng)用能力。（注：教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)部分可加頁(yè)；表格中的單元格可合并、拆分）《電工基礎(chǔ)》教學(xué)方案教師：序號(hào)：30授課時(shí)間授課班級(jí)上課地點(diǎn)教學(xué)項(xiàng)目（任務(wù)）名稱鐵芯線圈電路課時(shí)數(shù)2教學(xué)內(nèi)容主要知識(shí)點(diǎn)直流鐵芯線圈電路的概念；交流鐵芯線圈電路的概念重點(diǎn)、難點(diǎn)理解直流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)；理解交流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力使學(xué)生掌握直流鐵芯線圈電路和交流鐵芯線圈電路的概念、特點(diǎn)方法能力掌握鐵芯線圈電路的分析方法社會(huì)能力團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，分析并解決問(wèn)題的能力學(xué)生情況分析授課對(duì)象一般為電子信息工程技術(shù)專業(yè)普專大一新生教學(xué)環(huán)境要求教室、實(shí)訓(xùn)室教學(xué)方法教學(xué)做一體化教學(xué)手段多媒體演示結(jié)合實(shí)物展示，學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)時(shí)間分配(min)任務(wù)描述與課程導(dǎo)入將線圈繞制在鐵芯上便構(gòu)成了鐵芯線圈。根據(jù)線圈勵(lì)磁電源的不同，可分為直流鐵芯線圈和交流鐵芯線圈，它們的磁路分別為直流磁路和交流磁路。理解直流鐵芯線圈電路和交流鐵芯線圈電路的概念；理解直流鐵芯線圈電路和交流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，回顧已學(xué)內(nèi)容5知識(shí)準(zhǔn)備1直流鐵芯線圈電路將直流鐵芯線圈接到直流電源上，即形成直流鐵芯線圈電路。因?yàn)榫€圈中通過(guò)直流電流，磁路中的磁通恒定，在鐵芯中不會(huì)產(chǎn)生渦流，因此其鐵芯可以是整塊鐵。直流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)是：1、勵(lì)磁電流I=U/R，I由外加電壓U及勵(lì)磁線圈的電阻R決定，與磁路的特性無(wú)關(guān)。2、直流鐵芯線圈中磁通Φ的大小不僅與線圈的電流I及磁動(dòng)勢(shì)NI有關(guān)，還取決于磁路中的磁阻Rm，即與磁路的導(dǎo)磁材料有關(guān)。3、直流鐵芯線圈的功率損耗P=I2R，由線圈中電流和線圈電阻決定。2交流鐵芯線圈電路將交流鐵芯線圈接到交流電源上，即形成交流鐵芯線圈電路。由于線圈中通過(guò)交流電流，在線圈和鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。為了減小渦流損耗，所以交流鐵芯線圈的鐵芯應(yīng)該是疊片狀。下面介紹交流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)。1、基本電磁關(guān)系在交流鐵芯線圈電路中，當(dāng)外加交流電壓u時(shí)，線圈中便產(chǎn)生交流勵(lì)磁電流i。由磁動(dòng)勢(shì)Ni產(chǎn)生兩部分交變磁通，即主磁通Φ和漏磁通Φσ。這兩個(gè)磁通又分別在線圈中產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)與主磁通Φ的參考方向之間符合右手螺旋法則。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35知識(shí)準(zhǔn)備根據(jù)基爾荷夫電壓定律，鐵芯線圈的電壓平衡方程式為u=Ri-eσ-e式中R為線圈電阻。由于線圈電阻上的壓降Ri及漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ與主磁電動(dòng)勢(shì)e相比較都非常小，均可忽略不計(jì)，故上式可寫(xiě)成u≈-e（5-11）由電磁感應(yīng)定律，主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為將主磁通Φ=Φmsinωt代入式（5-12）中，則得由（5-11）式可知U≈E，所以在忽略線圈電阻與漏磁通的條件下，主磁通的幅值Φm與線圈外加電壓有效值U的關(guān)系為U≈E=4.44fNΦm（5-15）式（5-15）反映了交流鐵芯線圈電路的基本電磁關(guān)系，它是分析計(jì)算交流磁路的重要依據(jù)。式中，U（V）為線圈的外加電壓，f（HZ）為電源頻率，Φm（Wb）為主磁通最大值，N為線圈匝數(shù)。式（5-15）表明，當(dāng)電源頻率和線圈匝數(shù)一定時(shí)，磁路中的主磁通只取決于線圈的外加電壓，與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無(wú)關(guān)，這是直流與交流鐵芯線圈重要的區(qū)別。交流鐵芯線圈中的功率損耗有兩部分，一部分是銅損Pcu（Pcu=I2Rcu），它是線圈電阻Rcu通過(guò)電流發(fā)熱產(chǎn)生的損耗；另一部分是鐵芯的磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe，兩者合稱為鐵損，用PFe表示。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選擇軟磁性材料做鐵芯。為了減小渦流損耗，交流鐵芯線圈的鐵芯都作成疊片狀，交流鐵芯線圈總的功率損耗可表示為△=Pcu+PFe=I2Rcu+Ph+Pe（5-16）由上述分析可知，交流鐵芯線圈的等效電路模型應(yīng)該是電感L與電阻R（包括RFe和Rcu兩部分）的串聯(lián)。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積極回答問(wèn)題35通過(guò)比較，區(qū)分直流鐵芯線圈電路和交流鐵芯線圈電路的特點(diǎn)2、功率損耗交流鐵芯線圈中的功率損耗有兩部分，一部分是銅損Pcu（Pcu=I2Rcu），它是線圈電阻Rcu通過(guò)電流發(fā)熱產(chǎn)生的損耗；另一部分是鐵芯的磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe，兩者合稱為鐵損，用PFe表示。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選擇軟磁性材料做鐵芯。為了減小渦流損耗，交流鐵芯線圈的鐵芯都作成疊片狀，交流鐵芯線圈總的功率損耗可表示為△=Pcu+PFe=I2Rcu+Ph+Pe（5-16）由上述分析可知，交流鐵芯線圈的等效電路模型應(yīng)該是電感L與電阻R（包括RFe和Rcu兩部分）的串聯(lián)。許多電器是以交流鐵芯線圈或直流鐵芯線圈為基礎(chǔ)做成的。在使用這些電器時(shí)要特別注意不要加錯(cuò)電壓。例如，若將交流鐵芯線圈接到與其額定電壓值相等的直流電壓上時(shí)，則感抗以及與PFe對(duì)應(yīng)的等效電阻RFe將不存在，所以線圈電流為U/Rcu（一般Rcu遠(yuǎn)小于XL和RFe）將很大，以至燒壞線圈；若將直流鐵芯線圈接到有效值與其額定電壓值相同的交流電壓上時(shí)，將產(chǎn)生感抗XL以及與PFe對(duì)應(yīng)的等效電阻RFe，磁路的磁通達(dá)不到額定狀態(tài)，而且鐵芯（整塊鐵）將會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。跟隨教師的思路認(rèn)真聽(tīng)講，并積