第6章 磁路與變壓器

6.1磁路的基本概念和基本定律6.2鐵磁材料6.3鐵芯線圈6.4變壓器6.5電磁鐵

目錄

6.1磁路的基本概念和基本定律磁通φ磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁路基本物理量一、磁路的基本概念導(dǎo)磁系數(shù)磁通φ垂直穿過(guò)某一面積S的磁感線的總根數(shù)單位：韋伯Wb磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度是表征磁場(chǎng)中某一點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量，用矢量B表示。

通常用垂直于該處單位面積上的磁力線的疏密來(lái)反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。

[特斯拉(T)]磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁場(chǎng)強(qiáng)度用矢量H表示，方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B相同。H代表電流本身在真空中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，其大小只與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流大小成正比，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。[安/米(A／m)]導(dǎo)磁系數(shù)μ磁導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量

物質(zhì)導(dǎo)磁性能

真空磁導(dǎo)率：非磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)單位：亨利/米(H/m)二、磁路的基本定律磁路定義：繞在鐵芯上的線圈通以較小的電流（勵(lì)磁電流），便能得到較強(qiáng)的磁場(chǎng)，磁通的絕大部分通過(guò)鐵芯構(gòu)成回路，這種磁通的路徑稱為磁路。SrHIN匝1.磁路的安培環(huán)路定律(全電流定律)基本內(nèi)容：磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍電流的代數(shù)和，即規(guī)定：當(dāng)電流的方向與閉合路徑繞向之間符合右螺旋定則時(shí)，電流取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。（定量）IN匝SrH若：某環(huán)形線圈如圖，故：Hl=NI其中媒質(zhì)是均勻的,則根據(jù)安培環(huán)路定律若：沿積分路徑可將磁路分成n段，且每段中磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小不變，則定律表示為磁動(dòng)勢(shì)磁壓降此式可理解為：沿磁路一周，各段磁路磁壓降的代數(shù)和等于與中心環(huán)路交鏈的磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。2.磁路的歐姆定律磁阻磁動(dòng)勢(shì)磁路的歐姆定律：（定性）由勵(lì)磁電流在磁路中產(chǎn)生的磁通量，與磁動(dòng)勢(shì)F成正比，與磁路的磁阻成反比。不是常數(shù)磁路和電路的比較磁路電路典型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的物理量磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)磁壓降電壓磁通電流磁阻電阻磁導(dǎo)率電導(dǎo)率INR+_EIU磁路電路對(duì)應(yīng)的關(guān)系式磁阻電阻磁路的歐姆定律電路的歐姆定律磁路的基爾霍夫定律電路的基爾霍夫定律磁路和電路的比較6.2鐵磁材料1.高導(dǎo)磁性

2.磁飽和性磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。通常，磁性材料的磁導(dǎo)率，其比值可高達(dá)數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)，這是由它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。磁性物質(zhì)的磁化曲線(即：B-H曲線)由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，如圖所示。一、鐵磁材料的特性磁化曲線反映了鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。磁飽和現(xiàn)象的存在使得磁路分析問(wèn)題成為非線性問(wèn)題，因此，磁路分析要比電路分析復(fù)雜得多。HBOabcd圖初始磁化曲線(B-H曲線)

B-H磁化曲線的特征：

Oa段:B隨H的增加比較緩慢；ab段:B與H幾乎成正比地增加；bc段:B的增加緩慢下來(lái)；cd段:B隨H增加很少，達(dá)到磁飽和。磁化曲線：就是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系曲線，通常由實(shí)驗(yàn)方法獲得。幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)的磁化曲線a鑄鐵

b鑄鋼

c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.9H/(A/m)B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2bac下面給出三種常用鐵磁材料的B-H曲線3.磁滯性剩磁矯頑力

磁滯現(xiàn)象：當(dāng)鐵芯線圈中通入交流電時(shí)，隨著與電流成正比的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的交變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將沿著圖示閉合曲線變化。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。注：圖中箭頭表示反復(fù)磁化的過(guò)程磁滯回線二、鐵磁材料的分類鐵磁材料軟磁材料硬磁材料矩磁材料特點(diǎn)易磁化易退磁較小矯頑力磁滯回線窄電機(jī)、變壓器、繼電器、電表的鐵芯磁滯回線較寬較大矯頑力剩磁很大永久磁鐵較小矯頑力較大剩磁磁滯回線矩形穩(wěn)定性好記憶元件、開(kāi)關(guān)元件、邏輯元件鑄鐵、硅鋼、鐵氧體、坡莫合金等碳鋼、鈷鋼、稀土鈷等鎂錳鐵氧體等6.3鐵芯線圈一、直流鐵芯線圈直流鐵芯線圈的特點(diǎn):（R

為線圈的電阻）

銜鐵吸合前、后的兩個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(不考慮銜鐵吸合過(guò)程)，勵(lì)磁電流不會(huì)發(fā)生變化，即磁路的改變對(duì)直流鐵芯線圈的勵(lì)磁電流沒(méi)有影響。注意二、交流鐵芯線圈1、電磁關(guān)系

（主磁通）線圈鐵芯i（漏磁通）2、伏安關(guān)系根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得鐵芯線圈電路的電壓方程為：線圈內(nèi)阻R很小很小則由電磁關(guān)系有：設(shè)：這是一個(gè)重要常用公式，它表明當(dāng)線圈匝數(shù)N及電源頻率f一定時(shí)，主磁通的大小正比于外加電壓的有效值U。根據(jù)上式有：注意3、功率損耗總損耗銅耗（鐵耗）磁滯損耗渦流損耗（1）銅耗勵(lì)磁線圈的銅線電阻上的功率損耗（2）鐵耗交變的磁通在鐵芯中產(chǎn)生的功率損耗稱為鐵耗，包括磁滯損耗和渦流損耗。①磁滯損耗磁滯損耗是由磁滯現(xiàn)象引起。（S為磁滯回線包圍的面積）為減小磁滯損耗對(duì)鐵芯發(fā)熱的影響，常選用磁滯回線狹小的軟磁性材料硅鋼制造變壓器和交流電機(jī)中的鐵芯。②渦流損耗渦流損耗會(huì)引起鐵芯發(fā)熱，為減小渦流損耗，常用的方法有兩種：b.鐵芯采用彼此絕緣的硅鋼片疊成，如圖所示。a.采用電阻率高的鐵芯，例如在鋼中摻入半導(dǎo)體硅，即硅鋼6.4變壓器

變壓器是利用電磁感應(yīng)作用傳遞交流電能和交流信號(hào)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和電子電路中，具有三大功能：

變換電壓功能變換電流功能變換阻抗功能一、變壓器的構(gòu)造及分類變壓器的符號(hào)變壓器的構(gòu)造一次繞組二次繞組鐵芯N1N2電源側(cè)負(fù)載側(cè)1.變壓器的構(gòu)造原繞組副繞組變壓器分類按用途按相數(shù)單相變壓器三相變壓器按制造方式殼式變壓器心式變壓器電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器2.變壓器的分類三相變壓器單相變壓器三相自耦變壓器環(huán)形變壓器三相干式變壓器油浸式變壓器自耦變壓器三相自耦變壓器外形圖（自耦）調(diào)壓器外形圖（一種可調(diào)式自耦變壓器）二、變壓器的工作原理（1）變壓器的空載運(yùn)行

根據(jù)KVL有：原邊：副邊：很小很小設(shè)鐵芯內(nèi)的主磁通為：，則根據(jù)上面的KVL方程，一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓之比為

變比K>1降壓K<1升壓（2）變壓器的有載運(yùn)行

根據(jù)KVL有：原邊：副邊：很小忽略其中：漏感電動(dòng)勢(shì)漏感抗同樣，設(shè)鐵芯內(nèi)的主磁通為：，則根據(jù)上面的KVL方程，一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓之比為

思考變壓器在空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行兩種情況下，鐵芯中的磁通分別由什么產(chǎn)生？三、變壓器的功能1.電壓變換2.電流變換磁動(dòng)勢(shì)平衡方程根據(jù)變壓器的工作原理，有（負(fù)載運(yùn)行時(shí)）（空載運(yùn)行時(shí)）根據(jù)變壓器的工作原理，有變(壓)比3.阻抗變換可見(jiàn)，變壓器具有阻抗變換作用。

[例題]

設(shè)交流信號(hào)源電壓內(nèi)阻負(fù)載(1)將負(fù)載直接接至信號(hào)源，負(fù)載獲得多大功率？(2)經(jīng)變壓器進(jìn)行阻抗匹配，求負(fù)載獲得的最大功率是多少？變壓器變比是多少？+-

選擇變壓器合適的匝數(shù)比，可把負(fù)載阻抗變換為合適的數(shù)值，以使其得到最大的功率。這種做法稱為阻抗匹配。變壓器變比為：21=NNK(1)

負(fù)載直接接信號(hào)源時(shí)，負(fù)載獲得功率為解：2==LRIP=0.123(W)8=LR2800+81002+LRoRUs

3.125(W)8008008001002=+===￠L(zhǎng)R2￠L(zhǎng)RImaxP2o￠+LRRUs(2)根據(jù)最大功率傳輸定律，要負(fù)載獲得最大功率，必須使外接等效負(fù)載電阻等于信號(hào)源的內(nèi)阻，即負(fù)載上獲得的最大功率為額定電壓額定電流額定容量原邊額定電壓U1N正常時(shí)原邊繞組所加電壓的有效值。副邊額定電壓U2N原邊電壓為U1N時(shí)，變壓器空載時(shí)對(duì)應(yīng)副邊側(cè)的空載電壓有效值，即U20=U2N原邊額定電流I1N原邊繞組加額定電壓，正常工作時(shí)原邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大電流有效值。副邊額定電流I2N原邊繞組加額定電壓，正常工作時(shí)副邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大電流有效值。指副邊的輸出額定視在功率，即：四、（1）變壓器的額定值

變壓器的額定容量只反映了該變壓器的額定輸出能力。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，變壓器輸出功率的大小與負(fù)載電流及負(fù)載的功率因數(shù)

有關(guān)。

（2）變壓器的外特性

外特性：實(shí)際變壓器由于漏磁通和繞組電阻的存在，U2要隨I2的變化而變化，它們的變化關(guān)系稱為外特性。

電壓變化率

電壓變化率反映電壓U2的變化程度。通常希望U2的變動(dòng)愈小愈好，一般變壓器的電壓變化率約在5%左右。（感性負(fù)載）（1）變壓器的損耗（2）變壓器的效率一次繞組磁滯損耗渦流損耗（電路中）（總損耗）（磁路中）二次繞組（可變損耗）（不變損耗）變壓器的效率為輸出功率P2與輸入功率P1之比，即：五、變壓器的損耗及效率六、變壓器繞組的極性與正確連接三繞組變壓器

現(xiàn)有一個(gè)負(fù)載的的額定電壓分別為15V，副邊繞組應(yīng)如何連接才能滿足要求？

為了正確聯(lián)接兩個(gè)繞組，必須事先判明兩個(gè)繞組的同極性端（同名端）。

某三繞組變壓器如圖所示。

繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變的，當(dāng)一個(gè)繞組的某一端瞬時(shí)電位為正時(shí)，另一繞組中瞬時(shí)電位為正的對(duì)應(yīng)端稱為同名端。判斷同極性端，可分為兩種情況（1）已知繞向的繞組的極性判斷

同極性端（同名端）：（a）相同繞向

（b）相反繞向

若某負(fù)載額定電壓為3V，問(wèn)上面兩種情況下副邊繞組分別應(yīng)如何連接？思考

將開(kāi)關(guān)S閉合，如果S閉合瞬間電流表的指針正向偏轉(zhuǎn)，則1和3是同極性端；如果電流表指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，則1和3是異極性端。（2）未知繞向繞組的極性判斷

若變壓器外引出線上沒(méi)有注明極性，就要用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定繞組的極性。下面介紹常用的直流測(cè)定法。

測(cè)定方法：

對(duì)于多繞組的單相變壓器，如果需要將兩個(gè)或兩個(gè)以上繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)，必須注意它們的極性，以及各繞組的額定電流（串聯(lián)）或額定電壓（并聯(lián)）。

注意六、其他變壓器1.三相變壓器

油浸式三相變壓器外形結(jié)構(gòu)

三相變壓器原理圖AXaxZYbyCBcz下面是三相變壓器繞組的三種連接方式(a)／Y0連接(b)Y／Y0連接(c)Y／連接2.自耦變壓器三相自耦變壓器外形圖（自耦）調(diào)壓器外形圖（一種可調(diào)式自耦變壓器）自耦變壓器原理圖

自耦變壓器一次、二次繞組間不僅有磁的耦合，而且有電的聯(lián)系。

一次、二次繞組的電壓和電流關(guān)系：---稱為抽頭比通常有73%、64%、55%、或80%、60%等規(guī)格調(diào)壓器實(shí)驗(yàn)室常用的調(diào)壓器可在0~250V之間可調(diào)(1).電流互感器電流互感器實(shí)物圖電流互感器原理圖

在使用電流互感器時(shí)，二次繞組不允許開(kāi)路，這與普通變壓器不同。

注意3.儀用變壓器(2)電壓互感器電壓互感器實(shí)物圖電壓互感器原理圖使用時(shí)，電壓互感器的二次側(cè)必須接地，且不能短路。

注意鉗行表

它是一個(gè)與電流表配裝在一起的、磁路可以開(kāi)合的電流互感器。

適用于流動(dòng)作業(yè)以及要求不斷開(kāi)被測(cè)電路而進(jìn)行電流測(cè)量的場(chǎng)所。

6.5電磁鐵

電磁鐵是利用通電流的線圈產(chǎn)生電磁吸力使銜鐵運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用