磁路與鐵芯線圈電路

項目三磁路與鐵芯線圈電路磁路的基礎(chǔ)知識3.1交流鐵芯線圈電路3.2變壓器3.3幾種常見的變壓器3.42023/2/213.1磁路的基礎(chǔ)知識3.1.1磁場的基本物理量3.1.2鐵磁材料的磁性能3.1.3磁路的基本定律2023/2/223.1.1磁場的基本物理量1.磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度是表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱及方向的物理量。若磁場內(nèi)各點磁感應(yīng)強度大小相等,方向相同,則為勻強磁場.在國際單位制中，磁感應(yīng)強度的單位是特斯拉（T），簡稱特。2.磁通在勻強磁場中，磁感應(yīng)強度與垂直于磁場方向的面積的乘積，稱為通過該面積的磁通,在數(shù)值上可以看成與磁場方向相垂直的單位面積所通過的磁通，故又稱磁通密度。在國際單位制中，單位是韋伯(Wb)2023/2/233.1.1磁場的基本物理量3.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，它的單位是亨/米（）。任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率之比稱為相對磁導(dǎo)率。4.磁場強度磁場強度是進行磁場分析時引用的一個輔助物理量，為了從磁感應(yīng)強度中除去磁介質(zhì)的因素。2023/2/243.1.2鐵磁材料的磁性能物質(zhì)按其導(dǎo)磁性能可分為兩大類。一類稱為鐵磁材料，如鐵、鋼、鎳、鈷等，這類材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率值大；另一類為非鐵磁材料，如銅、鋁、紙、空氣等，此類材料的導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率值?。ń咏婵盏拇艑?dǎo)率）。2023/2/25鐵磁材料是制造變壓器、電動機等各種電工設(shè)備的主要材料。鐵磁材料的磁性能對電磁器件的性能和工作狀態(tài)有很大影響。鐵磁材料的磁性能主要表現(xiàn)為高導(dǎo)磁性、磁飽和和磁滯性。3.1.2鐵磁材料的磁性能2023/2/26磁芯線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復(fù)磁化的過程中，B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯性；當H減為零時B并不為零。

磁導(dǎo)率可達102~104，由軟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。

B不會隨H的增強而無限增強，H增大到一定值時，B不能繼續(xù)增強。高導(dǎo)磁性磁滯性和剩磁性磁飽和性：3.1.2鐵磁材料的磁性能1.高導(dǎo)磁性鐵磁材料具有很強的導(dǎo)磁能力,在外磁場作用下,其內(nèi)部的磁感應(yīng)強度會大大增強.相對磁導(dǎo)率可達102~104

鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性，是因為在它們的內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)—磁疇。3.1.2鐵磁材料的磁性能2023/2/28

鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性，是因為在它們的內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)—磁疇。

磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內(nèi)部形成一個很強的附加磁場。使鐵磁才材料內(nèi)的磁感應(yīng)強度大大增強.這就是磁化現(xiàn)象.（a）無外磁場情況（b）有外磁場情況2023/2/292.磁飽和性鐵磁材料磁化過程中,隨著勵磁電流的增大,外磁場和附加磁場都將增大.但當勵磁電流增大到一定值時，幾乎所有磁疇都與外磁場方向一致,附加磁場磁感應(yīng)強度不能繼續(xù)增強,這種現(xiàn)象稱為磁飽和現(xiàn)象.3.1.2鐵磁材料的磁性能2023/2/210BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)2023/2/211磁化曲線大致分為四段開始M的增加比較緩慢后來增加較快之后又慢下來,最后達到飽和磁感應(yīng)強度(Bs）附點,漆點,飽和點2023/2/212磁化曲線磁導(dǎo)率μ是B-H曲線上的斜率鐵刺材料的磁化起始段和飽和段μ值都不大,但在漆點附近達到最大值.所以,電器工程上通常要求鐵刺材料工作在漆點附近.2023/2/2133.磁滯性

芯線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復(fù)磁化的過程中，B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯性；當H減為零時B并不為零。3.1.2鐵磁材料的磁性能BHHcBsBrIuφ電路部分磁路部分2023/2/214磁滯回線飽和飽和當H減小到零時，M＝Mr，，表示材料在無外磁場時仍保持了一定程度的磁性。稱為剩磁.如果要除掉剩磁,使M＝0，則必須加上一反向磁場Hc，Hc稱為矯頑力。表示鐵刺材料反抗退磁的能力退磁過程中M(或B）的變化落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。當反向H繼續(xù)增加時，最后又可以達到反向飽和點，再沿正方向增加H，則又通過另一條途徑達到正向飽和點。在交變磁場的每一周內(nèi)，M(B)-H曲線構(gòu)成一個封閉回路，這個回路曲線稱為磁滯回線。2023/2/215磁滯回線與磁疇的關(guān)系磁滯現(xiàn)象是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當撤掉外磁場時磁疇的疇壁很難恢復(fù)到原來的形狀，而表現(xiàn)出來。2023/2/216磁滯回線中H為零時B并不為零的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點以后是飽和段起始磁化曲線反映了什么？起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性；3.1.2鐵磁材料的磁性能2023/2/217退磁方法你知道么?(1)加熱法

當鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度Tc。當溫度低于Tc時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度Tc=770℃，30%的坡莫合金居里溫度Tc=70℃原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。(2)敲擊法：通過振動可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。(3)加反向磁場法：加反向磁場，提供一個矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。(4)加交變衰減的磁場：使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機中的交流抹音磁頭中。2023/2/218鐵磁材料分類根據(jù)鐵磁質(zhì)的矯頑力的大小，將磁性材料分成軟磁、硬磁和矩磁材料(1)軟磁材料具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化象軟鐵、坡莫合金、硅鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。2023/2/219軟磁材料主要應(yīng)用制造磁導(dǎo)體，變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動機轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、磁極頭、磁屏蔽材料、感應(yīng)圈鐵芯、電子計算機開關(guān)元件和存儲元件等。磁屏蔽器件2023/2/220(2)硬磁材料硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。主要特點具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。2023/2/221硬磁材料主要應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。2023/2/222(3)矩磁材料----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強度具有高磁導(dǎo)率、高電阻率由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合燒結(jié)而成。

在兩個方向上的剩磁可用于表示計算機二進制中的“0”和“1”，可作磁性記憶元件，如高速存儲器。2023/2/2233.2交流鐵芯線圈電路3.2.1電磁關(guān)系3.2.2功率損耗3.2.3電磁鐵2023/2/224

3.2.1電磁關(guān)系如圖所示是交流鐵芯線圈電路，線圈的匝數(shù)為N，當在線圈兩端加上正弦交流電壓時，就有交變勵磁電流i流過。設(shè)線圈電阻為R。根據(jù)磁路定析可得：上式給出了鐵芯線圈在正弦交流電壓作用下，鐵芯中磁通最大值與電壓有效值的數(shù)量關(guān)系。2023/2/225線圈上損耗:銅損

銅損（PGU)：繞組導(dǎo)線電阻所致。要繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時這電阻會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。鐵心中損耗:鐵損(磁滯損耗,渦流損耗)3.2.2功率損耗2023/2/2263.2.2功率損耗1.磁滯損耗鐵磁材料交變磁化的磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的鐵損稱為磁滯損耗。它是由鐵磁材料內(nèi)部磁疇反復(fù)轉(zhuǎn)向，磁疇間相互摩擦引起鐵心發(fā)熱而造成的損耗。鐵心單位體積內(nèi)每周期產(chǎn)生的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。為了減小磁滯損耗，交流鐵芯均由軟磁材料制成。2.渦流損耗鐵磁材料在交變磁通的作用下鐵芯內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在垂直于磁通的鐵芯平面內(nèi)圍繞磁力線呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流使鐵芯發(fā)熱，其功率損耗稱為渦流損耗，為了減小渦流，可采用硅鋼片疊成的鐵芯。2023/2/227所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的。由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠小于輸入功率.3.2.2功率損耗2023/2/2283.2.3電磁鐵電磁鐵是利用載流鐵芯線圈產(chǎn)生的電磁吸力來操縱機械裝置，以完成預(yù)期動作的一種電器。它是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種電磁元件。電磁鐵主要由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成。當線圈通電后，鐵心和銜鐵被磁化，成為極性相反的兩塊磁鐵，它們之間產(chǎn)生電磁吸力。當吸力大于彈簧的反作用力時，銜鐵開始向著鐵心方向運動。當線圈中的電流小于某一定值或中斷供電時，電磁吸力小于彈簧的反作用力，銜鐵將在反作用力的作用下返回原來的釋放位置。電磁鐵2023/2/2293.2.4電磁鐵在汽車上的應(yīng)用觸點式電壓調(diào)節(jié)器電喇叭2023/2/2303.3變壓器3.3.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)3.3.2變壓器的工作原理3.3.3變壓器的外特性3.3.4變壓器的主要參數(shù)2023/2/231電力系統(tǒng)中變壓器的使用發(fā)電機11kv升壓變壓器110kv三繞組變壓器230kv去系統(tǒng)另一部分降壓變壓器11kv配電變壓器其他負載D2023/2/2323.3變壓器利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或信號的器件.具有變壓,變流,變阻抗和隔離的作用.2023/2/233變壓器由鐵芯和繞在鐵芯上的兩個或多個線圈（又稱繞組）組成。鐵芯的作用是構(gòu)成變壓器的磁路。根據(jù)鐵芯結(jié)構(gòu)形式的不同，變壓器分為殼式和心式兩種。

（a）心式（b）殼式3.3.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)

心式:線圈包圍鐵心.功率大殼式:鐵心包圍線圈.可省去保護殼2023/2/234芯式線圈包圍鐵圈殼式鐵心包圍線圈2023/2/235下圖為一個單相雙繞組變壓器的原理結(jié)構(gòu)示意圖及其圖形符號。

兩個繞組中與電源相連接的繞組稱為一次繞組，又稱原繞組或初級繞組。與負載相連接的繞組稱為二次繞組,或副繞組或次級繞組.繞組物理量的表示方法

3.3.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)2023/2/236

1）空載運行和電壓變換如圖2-37所示,將變壓器的原邊接在交流電壓ｕ1上,副邊開路,這種運行狀態(tài)稱為空載運行.3.3.2變壓器的工作原理2023/2/237此時副繞組中的電流i2=0,電壓為開路電壓u20,原繞組通過的電流為空載電流i10,電壓和電流的參考方向如圖所示。圖中Ｎ１為原繞組的匝數(shù),Ｎ２為副繞組的匝數(shù)。2023/2/238

副邊開路時,通過原邊的空載電流i10就是勵磁電流。磁動勢i10N1在鐵心中產(chǎn)生的主磁通Φ既穿過原繞組,也穿過副繞組,于是在原、副繞組中分別感應(yīng)出電動勢ｅ１和ｅ２。且ｅ１和ｅ２與Φ的參考方向之間符合右手螺旋定則,由法拉第電磁感應(yīng)定律可得2023/2/239ｅ１和ｅ２的有效值分別為式中ｆ為交流電源的頻率,Φm為主磁通的最大值。如果忽略漏磁通的影響并且不考慮繞組上電阻的壓降時,可認為原、副繞組上電動勢的有效值近似等于原、副繞組上電壓的有效值,即2023/2/240因此由上式可見,變壓器空載運行時,原、副繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)之比,Ｋ稱為變壓器的變比。若改變變壓器原、副繞組的匝數(shù),就能夠把某一數(shù)值的交流電壓變?yōu)橥l率的另一數(shù)值的交流電壓當原繞組的匝數(shù)Ｎ1比副繞組的匝數(shù)Ｎ２多時,Ｋ＞１,為降壓變壓器;反之,當Ｎ１的匝數(shù)少于Ｎ２的匝數(shù)時,Ｋ＜１,為升壓變壓器。2023/2/241

2）負載運行和電流變換如圖2-38所示,變壓器的原繞組接交流電壓u１,副繞組接上負載ＺL,這種運行狀態(tài)稱為負載運行。2023/2/242由上式可見,當變壓器額定運行時,原、副邊的電流之比近似等于其匝數(shù)之比的倒數(shù)。若改變原、副繞組的匝數(shù),就能夠改變原、副繞組電流的比值,這就是變壓器的電流變換作用。

不難看出，變壓器的電壓比與電流比互為倒數(shù),因此匝數(shù)多的繞組電壓高,電流小;匝數(shù)少的繞組電壓低,電流大。

此時原、副邊電流有效值的關(guān)系為2023/2/243

例已知某一變壓器Ｎ１＝1000,Ｎ２＝100,Ｕ１＝20Ｖ,Ｉ２＝2Ａ,負載為純電阻,忽略變壓器的漏磁和損耗,求變壓器的副邊電壓Ｕ２、原邊電流Ｉ１和輸入、輸出功率。解變壓比：副邊電壓：原邊電流：輸入功率：輸出功率2023/2/244由此可見,當變壓器的功率損耗忽略不計時,它的輸入功率與輸出功率相等,符合能量守恒定律。在遠距離輸電線路中,線路損耗Ｐl(wèi)與電流Ｉl的平方乘以線路電阻Ｒl的積成正比,因此在輸送同樣功率的情況下,如果所用電壓越高,電流就會越小,輸電線上的損耗越小,可以減小輸電導(dǎo)線的截面積,從而大大降低了成本。所以電廠在輸送電能之前,必須先用升壓變壓器將電壓升高,傳輸?shù)接脩艉?電壓不能太高,通常為380Ｖ或220Ｖ,因此要用降壓變壓器再進行降壓。2023/2/245

3）阻抗變換變壓器除了具有變壓和變流的作用外,還有變換阻抗的作用。變壓器原邊接電源Ｕ1,副邊接負載阻抗|ZL|,對于電源來說,圖中虛線框內(nèi)的電路可用另一個阻抗|Z/L|來等效。2023/2/246所謂等效,就是它們從電源吸取的電流和功率相等。當忽略變壓器的漏磁和損耗時,等效阻抗由下式求得2023/2/247式中為變壓器副邊的負載阻抗?？梢?對于變比為Ｋ且變壓器副邊阻抗為|ZL|的負載,相當于在電源上直接接一個阻抗|Z/L|=K2|ZL|的負載。也可以說變壓器把負載阻抗ＺL變換為|Z/L|。因此,通過選擇合適的變比Ｋ,可把實際負載阻抗變換為所需的數(shù)值,這就是變壓器的阻抗變換作用。2023/2/248在電子電路中,為了提高信號的傳輸功率,常用變壓器將負載阻抗變換為適當?shù)臄?shù)值,使其與放大電路的輸出阻抗相匹配,這種做法稱為阻抗匹配。2023/2/249變壓器的作用

1.電壓變換2.電流變換3.阻抗變換2023/2/250變壓器原、副繞組的能量是通過電路，還是通過磁路聯(lián)系在一起？變壓器副繞組的電壓升高了，電流為什么卻下降了?思考題2023/2/251

3.3.3變壓器的外特性變壓器的輸出電壓隨所帶負載性質(zhì)的變化而變化，利用變壓器的外特性描述它們之間的關(guān)系。通常希望二次電壓的變動越小越好。在一般變壓器中，由于其電阻和漏磁感均很小，電壓變化率約為5%左右。變壓器外特性2023/2/252(1)額定電壓U1N/U2N

指空載電壓的額定值。

即當

U1=U1N時,U20=U2N

如銘牌上標注:電壓10000/230V※對三相變壓器是指線電壓。(2)額定電流

I1N/I2N

指滿載電流值，即長期工作所允許的最大電流。※三相變壓器是指線電流。3.3.4變壓器的主要參數(shù)2023/2/253指視在功率的額定值。※

單相變壓器：

SN=U2NI2N=U1NI1N※

三相變壓器：

(3)額定功率（額定容量）SN(4)額定頻率fN

一般：fN=50Hz（工頻）SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N(5)額定相數(shù)，效率，溫升，短路電流，運行方式，冷卻方式，接線圖，連接組別等等。2023/2/2543.4幾種常見的變壓器3.4.1三相電力變壓器3.4.2自耦變壓器3.4.3互感器2023/2/2553.4.1三相電力變壓器三相電力變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)輸送、配電的三相電壓變換。三相變壓器的額定電壓、額定電流指的是線電壓、線電流。2023/2/256三相變壓器有三個鐵芯柱，每一相的高低壓繞組同心地套裝在一個鐵芯柱上構(gòu)成一相，三相繞組的結(jié)構(gòu)是相同的，即對稱的。3.4.1三相電力變壓器三相干式變壓器1.結(jié)構(gòu)2023/2/257三相油浸式電力變壓器2023/2/258主要部件：鐵心和繞組（構(gòu)成器身）；還有油箱、絕緣套管、分接開關(guān)、安全氣道等2023/2/2593.4.1三相電力變壓器三相變壓器的高壓繞組和低壓繞組均可以連成星形或三角形，因此三相變壓器可能有Y/Y，Y/Δ，Δ/Δ，Δ/Y四種基本接法，符號中的分子表示高壓繞組的接法，分母表示低壓繞組的接法。目前我國生產(chǎn)的三相電力變壓器，通常采用Y/Y0，Y/Δ接法2.連接方法2023/2/260回憶:星形(Y)連接????三角形(Δ)連接????UVWUVW各相繞組末端連接在一起，首端引出為星型連接。各相繞組首、末端依次連接在一起形成回路，首端引出為三角形連接。2023/2/2613.4.1三相電力變壓器當原、副邊三相繞組均為Y形聯(lián)接時，線電壓U1/U2=N1/N2=K；當原邊三相繞組為Y形聯(lián)接，而副邊三相繞組為Δ形聯(lián)接時，線電壓U1/U2=N1/N2=K

2.連接方法2023/2/262Y/Y0:不僅提供三相電源,還提供單項電源適用于動力和照明混合供電系統(tǒng).Y/Δ:主要用于變電站做降壓或升壓用3.4.1三相電力變壓器2.連接方法2023/2/263自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點是：二次繞組是一次繞組的一部分，而且一、二次繞組不僅有磁的耦合，還有電的聯(lián)系。上述變壓、變流和變阻抗關(guān)系都適用于它。