项目四---磁路和变压器应用

项目四磁路和变压器应用机械工业出版社[知识要点]磁场、电流的磁效应和磁场的主要物理量1磁路的基本电磁关系2变压器的组成、主要技术参数和基本工作原理3城市轨道交通使用干式变压器4机械工业出版社机械工业出版社2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；4.了解三相电压的变换方法；5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；学习目的与要点机械工业出版社任务一磁路的基本知识机械工业出版社知识目标：掌握磁场的基本物理量技能目标：能分清楚磁场中各基本物理量的关系，能用磁路定律定量和定性地分析问题教学目标机械工业出版社教学内容（一）磁场的基本概念（二）磁性材料（三）磁路基本定律机械工业出版社复习提问你听说过磁悬浮列车吗？还记得磁场的基本知识吗？机械工业出版社新课导入情景模拟：SANY车间中的自动永磁起重器自动永磁起重器由于体积大，组合方便，使用简单，多用于一些大型钢板的起吊。自动永磁起重器的优点如下：1.适用于搬运大型钢板、形状不规则的钢板、重型锻件和铸件。2.磁路和卸料机构设计独特，通过主钩的升降控制起重器磁路开关状态。3.磁路处于“关”状态时起重器对外没有磁性，为卸料状态；磁路处于“开”状态时起重器吸力面表现为强磁，为吸料状态。机械工业出版社任务一、磁路的基本知识工程应用实际中，大量的电气设备都含有线圈和铁心。当绕在铁芯上的线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路，磁路又会影响线圈的电路。因此，电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路常用电气设备铁芯示意图中红色虚线表示磁路中的工作主磁通的路径；紫色虚线表示通过空气闭合的极少部分漏磁通。新课讲解机械工业出版社（一）.磁路的基本物理量uiΦ磁通Φ线圈通电后使铁芯磁化，形成铁芯磁路。通过磁路横截面的磁力线总量称为磁通，用“Φ”来表示。单位是韦伯[Wb]。均匀磁场中，磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即：磁通是标量。其大小反映了与磁场相垂直的某个截面上的磁场强弱情况。磁通的国际单位制中还有较小的单位称为麦克斯韦[Mx]，韦伯和麦克斯韦之间的换算关系为：BS1Wb=108Mx(1)磁通机械工业出版社(2)磁感应强度磁感应强度是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。用大写字母“B”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁场中该点小磁针N极的指向。匀强磁场中，B的大小可用载流导体在磁场中所受到的电磁力来定义。即：上式中，电磁力F的单位是牛顿[N]、电流的单位是安培[A]、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影)单位是米[m]时，磁感应强度B的单位是特斯拉[T]。由Φ=BS可知，匀强磁场中某截面S上B值越大，穿过该截面上的磁力线总量越多。因此，磁感应强度也常称为磁通密度。磁感应强度的国际单位制中还有较小的单位高斯[Gs]，特斯拉和高斯之间的换算关系为：IlFB1T=104Gs机械工业出版社磁导率是反映自然界物质导磁能力的物理量，用希腊字母“μ”表示。物质的种类很多，且导磁能力也各不相同，为了有效地区别它们各自的导磁能力，我们引入一个参照标准—真空的磁导率μ0:H/m10470自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比，可得到不同的比值，我们把这个比值称为相对磁导率，用“μr”表示，即：0r显然，相对磁导率无量纲，其值越大，表明该类物质的导磁性能越好；反之，导磁性能越差。(3)磁导率μ机械工业出版社根据相对磁导率μr值的不同，自然界的物质大致可分为两大类：1）非磁性物质如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁，其相对磁导率μr≈200～400；铸钢的相对磁导率μr≈500～2200；硅钢的μr≈7000~10000；坡莫合金的μr≈20000~200000。显然，铁磁物质的磁导率不是常量，而是一个范围，即随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率大大于1。2)铁磁性物质机械工业出版社(4)磁场强度磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量，用大写字母“H”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁场中该点小磁针N极的指向。磁场强度和磁感应强度有何区别和联系？磁感应强度是描述磁路介质的磁场某点强弱和方向的物理量，与介质的导磁率有关；磁场强度是描述电流的磁场强弱和方向的物理量，与介质的导磁率无关。它们之间的联系为：[A/m]BH磁场强度H的单位有安每米和安每厘米，二者之间的换算关系为：1A/m=10-2A/cm课堂提问机械工业出版社（二）.磁路欧姆定律交流铁芯线圈磁路通常由硅钢片叠压制成，导磁率很高。当套在铁芯上的线圈通电后，铁芯迅速被磁化，成为一个人为集中的强磁场。uiΦ磁路部分电路部分交流铁芯线圈示意图电流通过N匝线圈所形成的磁动势用Fm=NI表示，磁路对磁通所呈现的阻碍作用用磁阻Rm表示，磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可表述为：SlRRINRFmmm:,其中磁阻磁路欧姆定律磁路欧姆定律中的磁阻Rm与磁导率μ有关，因此对铁芯磁路来讲是一个变量，定量计算很复杂，因此没有电路欧姆定律应用得那么广泛，通常只用来定性分析磁路的情况。机械工业出版社磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通ΦINΦR+_EI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIU机械工业出版社磁路与电路的比较(二)基本定律mRF磁阻SlRm磁感应强度SΦB安培环路定律HLNI0磁路INΦ欧姆定律电阻电流强度基尔霍夫电压定律基尔霍夫电流定律0IUEREISlRSIJ电路R+_EI机械工业出版社铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域—磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。通常情况下，铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，其磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。这些磁畴相当于一个个小磁铁。磁畴是怎么形成的？显然，磁畴是由分子电流产生的。(1)高导磁性有外磁场作用时磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。（三）.铁磁物质的磁性能课堂提问机械工业出版社磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性。铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。（2）铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性机械工业出版社软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。软磁材料（四）、铁磁材料的分类和用途铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。硬磁材料矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。矩磁材料BH0软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。BH0机械工业出版社（五）.铁芯损耗根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备的烧损。φ在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。涡流对电气设备有何影响？为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。(1)磁滞损耗铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗使铁芯发热。(2)涡流损耗机械工业出版社主磁通原理告诉我们:只要外加电压有效值及电源频率不变，铁芯中工作主磁通最大值Φm也将维持不变。（六）.主磁通原理uiΦ对交流铁芯线圈而言，设工作主磁通为：tsinm可得：交变磁通穿过线圈时，在线圈中感应电压，其值为：)90sin()90sin(2cossinmmmmLtUtfNtNdttdNum44.4fNU主磁通原理机械工业出版社练一练：一个有铁心的线圈，接在交流220V、50Hz的电源上，若要使铁心中产生磁通的最大值为0.002Wb，问铁心上的线圈至少应绕多少匝？机械工业出版社匝496002.05044.422044.4mfUN[解]根据公式m44.4fNU机械工业出版社上题中如果铁心上的线圈只绕100匝，其他不变，通电后会产生什么后果？线圈只绕了100匝，磁通将远远超过了规定的最大值。根据磁化曲线可知线圈中的电流将远远超过正常值，线圈通电后可能会被烧坏。你想好了吗？机械工业出版社你能说出根据导磁性能的不同自然界中物质的分类吗？你会做吗？您能很快说出磁场几个物理量的单位吗？能否说出B和H的区别和联系？磁通Φ、导磁率μ、磁感应强度B和磁场强度H分别表征了磁路的哪些特征？铁磁物质具有哪些磁性能？铁芯中存在哪些损耗？铜和铝能被磁化吗？根据工程上用途的不同？铁磁性材料可分为几类？能否说出它们的特点和用途？机械工业出版社1、磁场的基本物理量2、磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性。磁滞会产生损耗并导致铁心发热。3、磁路的基本定律UE=4.44fNm机械工业出版社任务二变压器的用途、结构与工作原理机械工业出版社机械工业出版社知识目标：了解变压器的结构，掌握变压器的工作原理。技能目标：能解释日常生产生活中变压器的常见现象。教学目标机械工业出版社教学内容（一）变压器的用途（二）变压器的结构（三）变压器的原理机械工业出版社磁路的欧姆定律？磁路的基本物理量有哪些？课前复习机械工业出版社右图是日常生活中比较常见的三相电力变压器本节课主要讨论电力变压器的基本结构和工作原理。新课导入机械工业出版社新课讲解任务二变压器的基本结构和工作原理（一）变压器的用途变压器是一种将交流电压升高或降低，又能保持频率不便的静止电气设备。输送同样功率的电能时，电压越高，电流就越小，输送线路上的功率损耗也就越小，输电线的截面积可以减少，这样可以节省金属导线的用量。因此，发电厂必须用电力变压器将电压升高，才能将大量的电能送往远处的用电地区。机械工业出版社变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式心式变压器符号机械工业出版社（二）.变压器的基本结构u1i10AXΦN1N2u20axS用硅钢片叠压制成的变压器铁芯。与电源相接的一次侧绕组。|ZL|与负载相接的二次侧绕组。变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。机械工业出版社u20AXaxS|ZL|（三）.变压器的工作原理u1i10ΦN1N21、变压器的空载运行与变换电压原理交变的磁通穿过N1和N2时，分别在两个线圈中感应电压：m1L144.4NfU计算它们的比值：m2M244.4NfUm1L1144.4NfUU有：显然，改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1时为降压变压器；k1时为升压变压器。kNNNfNfUU21m2m120144.444.4变压比，简称变比m2M22044.4NfUU机械工业出版社AX|ZL|axN2SN1u2u1i1Φ2、变压器的有载运行与变换电流原理变压器负载运行时，一次侧电流由i0变为i1，二次侧产生负载电