第6章--磁路与变压器

江苏大学电工电子教研室磁路与变压器第6章磁路与变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.1磁路中的基本物理量6.2铁磁材料6.3磁路的基本定律6.4铁心线圈6.5变压器*6.6电磁铁内容江苏大学电工电子教研室磁路与变压器交流铁心线圈的电磁关系磁路的基本定律变压器的工作原理和功能变压器的额定值、损耗和效率变压器绕组的极性重点江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.1磁路中的基本物理量磁通φ磁感应强度B磁场强度H磁导率μ磁路基本物理量江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁通φ垂直穿过某一截面S的磁力线的总数反映磁力线的多少单位：韦伯Wb磁感应强度B磁感应强度是一个矢量，它表示磁场中某一点磁场强弱和方向的物理量。B的方向：与产生它的励磁电流的方向之间满足右手螺旋定则即：4指指向励磁电流的方向，大拇指指向B的方向。BS单位:特斯拉(T)SB的大小：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁场强度H磁场中某点的磁感应强度B与该点的磁导率µ的比值定义为该点的磁场强度H。=BH单位：安/米(A/m)江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁导率μ磁导率：反映物质导磁能力的物理量物质导磁性能真空磁导率：非铁磁物质：导磁能力很弱0铁磁物质/铁磁材料：导磁能力很强0单位：亨利/米(H/m)相对磁导率r：物质的磁导率与真空磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r。r070410H/m是一个常数江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.2铁磁材料(1)高导磁性(2)磁饱和性铁磁材料主要指铁、镍、钴及其合金等。铁磁材料具有很高的导磁能力：相对磁导率µr1，可达数百、数千甚至数万。铁磁物质的磁化曲线(即：B-H曲线)由实验方法测得，如图所示。一、铁磁材料的特性江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁化曲线说明：铁磁材料的磁导率不是一个常数。磁饱和现象的存在使得磁路分析问题成为非线性问题，因此，磁路分析要比电路分析复杂得多。HBOabcd图初始磁化曲线(B-H曲线)B-H磁化曲线的特征：Oa段:B随H的增加比较缓慢；ab段:B与H几乎成正比地增加；bc段:B的增加缓慢下来；cd段:B随H增加很少，达到磁饱和。=BH江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁化曲线：就是磁感应强度B与磁场强度H的关系曲线，是进行磁路计算不可缺乏的资料，它由实验方法获得。几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.9H/(A/m)B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2bac下面给出三种常用铁磁材料的B-H曲线江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(3)磁滞性B0cHrBcHrBmHmHH剩磁矫顽力磁滞现象：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度H的交变，磁感应强度B将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为~。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。注：图中箭头表示反复磁化的过程磁滞回线剩磁Br：当H=0时，B并不等于0，而是等于Br，即它仍然保留一定磁性，叫剩磁。矫顽力Hc：为了消除剩磁，必须外加反向磁场。当外加反向磁场H=Hc时，B=0。Hc称为矫顽力。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、铁磁材料的分类铁磁材料软磁材料硬磁材料矩磁材料特点易磁化易退磁较小矫顽力磁滞回线窄电机、变压器、继电器、电表的铁心磁滞回线较宽较大矫顽力剩磁很大永久磁铁较小矫顽力较大剩磁磁滞回线矩形稳定性好记忆元件、开关元件逻辑元件江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁路：主磁通所经过的闭合路径,主要由铁心构成。1u2ui6.3.1磁路线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通铁心（导磁性能好的铁磁材料）线圈6.3磁路的基本定律江苏大学电工电子教研室磁路与变压器再如绕在铁心上的线圈通以较小的电流（励磁电流），便能得到较强的磁场，磁通的绝大部分通过铁心构成回路，这种磁通的路径称为磁路。SrHIN匝江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.3.2磁路的安培环路定律(全电流定律)基本内容：在磁路中，磁场强度H沿任一闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围电流的代数和，即HdlI当电流的方向与闭合路径的积分方向之间满足右手螺旋定则时，电流取正号，反之取负号。HI1I2I3适用于任意磁场。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器IN匝SrH若：某环形线圈如图，lHdl1lHdl2HrHlNI2)lr(其中：HlNI故：1nkkkHlI其中媒质是均匀的,则根据安培环路定律若：沿积分路径可将磁路分成n段，且每段中磁场强度H的大小不变，则定律表示为适用于均匀磁场适用于分段均匀磁场江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三、磁路的欧姆定律NIHlBlSllSNIlSmFR磁阻磁动势（定性分析）上式就是磁路的欧姆定律。不是常数江苏大学电工电子教研室磁路与变压器表磁路和电路的比较磁路电路典型结构对应的物理量磁动势电动势磁压降电压磁通电流磁阻电阻磁导率电导率INR+_EIUFHlEUImRR(待续)江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(续上页)磁路电路对应的关系式磁阻电阻磁路的欧姆定律电路的欧姆定律磁路的基尔霍夫定律电路的基尔霍夫定律SlRmlRSmFRREI0IHl0IEIR表磁路和电路的比较江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁路计算举例•一般已知磁通量，求磁动势，分析步骤如下：1.计算各段磁路的磁感应强度，磁通是闭合的。2.计算各段磁场强度，空气隙根据公式计算，铁磁性物质查磁化曲线。3.计算总磁压降，即磁动势。4.根据F=IN计算出励磁电流。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器例：如图所示线圈为直流铁心线圈，其铁心由铸钢制成。铁心尺寸为：S1=20cm2，l1=45cm，S2=25cm2，l2=15cm，l3=2cm，空气隙厚度δ=0.1cm。现要产生Φ=2.8×10-3Wb的磁通量，若用直流励磁，求所需要的磁动势F。解：第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感应强度。314212.8101.42010WbBTSm324222.8101.122510WbBTSm第二步：根据B1、B2值，查铸钢的磁化曲线，找出对应的磁场强度H1、H2，得H1=2.1×103A/mH2=1.1×103A/m江苏大学电工电子教研室磁路与变压器500701.411.1410/410/BTHAmHm空气隙的磁场强度H0可计算为第三步：计算各段的磁压降H1l1=2.1×103A/m×0.45m=0.945×103AH2l2=1.1×103A/m×0.15m=0.165×103A2H2l3=2×1.1×103A/m×0.02m=0.044×103A2H0δ=2×11.14×105A/m×0.001m=2.228×103A第四步：求出总的磁动势F=NI=ΣHl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0δ=（0.945+0.165+0.044+2.228）×103=3.382×103A可以看出，空气隙尽管很小，但由于空气的导磁率很小，磁阻很大，所以这段的磁压降很大。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.4铁心线圈6.4.1直流铁心线圈NUNI1、电磁关系U（主磁通）线圈铁心I（漏磁通）UIR（R为线圈的电阻）江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.4.2交流铁心线圈N()uiNiedNdtRi1、电磁关系uee（主磁通）线圈铁心i（漏磁通）edNdtdiLdt江苏大学电工电子教研室磁路与变压器2、伏安关系根据基尔霍夫电压定律，得铁心线圈电路的电压方程为：线圈内阻R很小很小e则由电磁关系有：设：sinmtcos2sin(90)sin(90)2sin(90)mmmdeNNtfNtdtEtEtueeRiUEERI当u为正弦量时，相量形式为：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器2mEUE这是一个重要常用公式：它将电和磁联系在一起，反映了电与磁之的关系。它表明:当线圈匝数N及电源频率f一定时，主磁通的大小只取决于外加电压的有效值U。根据上式ue有：注意4.44mUfN22mfN即f,N一定时,外加电压大小不变,主磁通大小不变江苏大学电工电子教研室磁路与变压器3、功率损耗总损耗铜损（铁损）磁滞损耗涡流损耗uChePPPPeFP（1）铜损2CuPRI当在铁心线圈中加交流电压时，线圈自身的电阻R要消耗功率，这叫铜损。R为线圈自身的电阻江苏大学电工电子教研室磁路与变压器（2）铁损交变的磁场在铁心中产生的功率损耗称为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗。①磁滞损耗磁滞损耗是由磁滞现象引起。hPS（S为磁滞回线包围的面积）为减小磁滞损耗对铁心发热的影响，常选用磁滞回线狭小的软磁性材料硅钢制造变压器和交流电机中的铁心。hP江苏大学电工电子教研室磁路与变压器②涡流损耗i交变减小涡流损耗的常用的方法有两种：a.铁心采用彼此绝缘的硅钢片顺着磁场的方向叠成，如图所示。b.采用电阻率高的铁心，例如硅钢、铁氧体等。BBii交变e感应i感应（旋涡状）BiBieP涡流将引起铁心发热，从而产生能量损耗，称为涡流损耗。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.5变压器变压器的功能：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离作用。电压变换：电力系统阻抗变换：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）电流变换：电流互感器变压就是由变压器完成，所以变压器的首要功能是变压。变压器的工作原理：电磁感应原理：电→磁→电。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压变压器应用举例…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.5.1变压器的构造和分类变压器的符号变压器的构造一次绕组二次绕组()原边绕组()副边绕组铁心(硅钢片)ΦN1N2电源侧负载侧单相心式变压器T硅钢片铁心T铁氧体铁心江苏大学电工电子教研室磁路与变压器变压器分类按用途按相数单相变压器三相变压器按制造方式壳式变压器心式变压器电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器2.变压器的分类按电压变换升压变压器降压变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相变压器单相变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相自耦变压器环形变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相干式变压器油浸式变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器6.5.2变压器的工作原理1.变压器的空载运行:11u1e1e2e1N2N20u0i电磁关系：原边接入电源，副边断开。1001()uiiN11deNdt22deNdt101111ddieNLdtdt：原边绕组漏电感1L江苏大学电工电子教研室磁路与变压器11u1e1e2e1N2N20u0i根据KVL有：原边：副边：11110ueeRi202ue很小很小1e11UE202UE江苏大学电工电子教研室磁路与变压器sinmt11deNdt设铁心内的主磁通为：，则1cosmNt114.44mEfN22deNdt2cosmNt224.44mEfN根据上面的KVL方程，一次侧电压与二次侧电压之比为120UU12EE12NNKK1,N1N2,降压变压器K1,N1N2,升压变压器江苏大学电工电子教研室磁路与变压器2.变压器的负载运行1u11i1e1eLZ22e2e1N2N2i2u电磁关系：1111()uiiN11deNdt22deNdt1111die