第7章磁路与变压器

第7章磁路与变压器7.2磁性材料的磁性能7.5变压器7.6变压器绕组的极性及其测定7.1磁路7.3铁心线圈电路7.4电磁铁7.6其他类型变压器3、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4、掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用5、了解三相电压的变换方法本章要求：2、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第7章磁路与变压器7.1磁路7.1.1磁场的基本概念1、磁路是磁通流经的闭合路径。磁路中可以有空气隙，也可无空气隙壳式变压器磁路+–NIfNSS直流电机磁路SN磁电式仪表磁路（1）磁感应强度B表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量磁感应强度B的大小磁感应强度B的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则lIFB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场2、磁场的基本物理量7.1.1磁场的基本概念（2）磁通穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s2、磁场的基本物理量（3）磁场强度H介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比磁场强度H的单位：安培/米（A/m)BH2、磁场的基本物理量真空的磁导率为常数，用0表示，有（4）磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力H/m10π470相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值0r磁导率的单位：亨/米（H/m）0BBHH02、磁场的基本物理量7.1.2磁路的欧姆定律式中：是磁场强度矢量沿任意闭合曲线（常取磁通作为闭合回线）的线积分HdlIlHd（1）安培环路定律（或全电流定律）I1HI2I＝NI是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和（2）磁路欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通解：根据安培环路定律，有lSlHlNIBIlHd设磁路的平均长度为l，则有1）引例SxHxIN匝mRF式中：F=NI为磁通势，由其产生磁通；Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积2）磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则即有SlNIΦ称为磁路的欧姆定律mRF（2）磁路欧姆定律磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFmSlRSURUIlNI+_UIR3、磁路与电路比较定律磁路分析的特点：（1）在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；（2）在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；（3）磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；（4）在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零4、磁路的分析计算4、磁路的分析计算主要任务:预先选定磁性材料中的磁通(或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI，确定线圈匝数和励磁电流基本公式:nn2211lHlHlHNI设磁路由不同材料或不同长度和截面积的n段组成，则基本公式为niiilHNI1即基本步骤:（由磁通求磁通势F=NI）（1）求各段磁感应强度Bi各段磁路截面积不同，通过同一磁通，故有nnSBBSB,...,S,2211（2）求各段磁场强度Hi根据各段磁路材料的磁化曲线Bi=f(Hi),求B1，B2，……相对应的H1，H2，……。（3）计算各段磁路的磁压降（Hili）（4）根据下式求出磁通势（NI）niiilHNI14、磁路的分析计算例题1cm,120lδcm,361lcm,122l,cm10210SS。22cm6.9ST2.10B在图所示的均匀铁心线圈磁路中，若两块铁心都用铸钢作成，两块铁心之间有一段空气隙，其尺寸为试求空气隙中磁感应强度时，磁通势为多大？Iδ111lS222lS解：（1）由已知的磁感应强度B0和面积S0可求Φ例题1Wb101210102.14400SBΦ（2）求磁路各段的磁感应强度T2.10BT2.1101010124411SΦBT25.1106.910124422SΦB（3）求磁路各段的磁场强度气隙磁场强度cmA9550mA9550001042.17000μBH例题1根据磁化曲线可查得H1＝13A/cm，H2＝14A/cm（4）求磁路各段的磁压降A191002955000lHA468361311lHA168121422lH（5）求磁路中的总磁通势A1973616846819100221100lHlHlHNIIδ111lS222lS例题2有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。查铸钢的磁化曲线，B=0.9T时，磁场强度H1=500A/m解:空气隙的磁场强度A/m102.71049.057000BHcm390.2-2391.ll铸钢铁心的磁场强度，铁心的平均长度磁路的平均总长度为cm23921510.l对各段有A16351951440110lHHNIA144010201027250..HA1951039500211lH总磁通势为163511635ININ线圈匝数为磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）例题27.2磁性材料的磁性能自然界物质非磁性物质磁性物质非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性非磁性物质磁性物质磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴7.2磁性材料的磁性能在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化外磁场在无外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性磁畴（1）高导磁性7.2磁性材料的磁性能磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度（2）磁饱和性磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。Oa段：B与H几乎成正比地增加；ab段：B的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变有磁性物质存在时，与I不成正比磁性物质的磁化曲线在磁路计算上很重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出OHB,B磁化曲线B和与H的关系注意：磁化曲线（B－H曲线）特征磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)当线圈中电流减小到零（H=0）时，铁心中的磁感应强度矫顽磁力Hc使B=0所需的H值磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同（3）磁滞性几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc（1）软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等（2）永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等（3）矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等磁性材料分为三种类型7.3铁心线圈电路铁心线圈电路绕有线圈的闭合铁心，分为直流铁心线圈电路交流铁心线圈电路–+e–+e+–uNi+–UNI铁心铁心线圈线圈7.3.1直流铁心线圈电路磁路分析+–UNI主磁通Φ通过闭合铁心产生的磁通漏磁通Φσ通过闭合铁心产生的磁通电路分析直流电流I作用下在线圈中产生磁通，由于电流不变，故磁通恒定外加电压与线圈中的电流关系为RUIR－为线圈内阻7.3.1直流铁心线圈电路1、电压电流关系–+e–+e+–uNiu)(NiiσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通tiLσdd线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ与i不是线性关系根据KVLeeRiuσ式中，R是线圈导线的电阻L是漏磁电感)(ddetiLRiσ当u是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为)()(σEEIRU)(jσEIXIR–+e–+e+–uNi1、电压电流关系设主磁通则t,sinm)sin(ddddmttNtNetNcosm)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEE由于线圈电阻R和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有EU(V)444444mmSfNB.fN.EU式中，Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]；S是铁心截面积，单位[m2]2、功率损耗交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种（1）铜损（Pcu）在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu表示Pcu=RI2式中，R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值（2）铁损（PFe）在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe表示铁损由磁滞和涡流产生+–ui1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率fOHB磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低设计时应适当选择值以减