磁路和鐵磁性材料

磁路和鐵磁性材料第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)磁路的基礎知識電流流過的路徑是電路，同樣，磁通經(jīng)過的路徑叫做磁路。如圖6-1所示，繞在鐵芯上的線圈產(chǎn)生的磁通在鐵芯中流動。（a）（b）圖6-1磁路第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵磁材料：含有鐵、鈷、鎳及其合金的材料稱為鐵磁材料。鐵磁材料具有很強的磁化特性。磁化：鐵磁性材料在外加磁場作用下，其內(nèi)部分子磁矩有秩序地排列，從而顯示出磁性的現(xiàn)象。鐵磁材料在外加磁場的作用下能產(chǎn)生遠大于外加磁場的附加磁場，利用鐵磁材料的這個特性，使用鐵磁材料做成鐵心，可以用較小的電流來產(chǎn)生較強的磁場。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月由于鐵磁性材料具有較高的磁導率，導磁性能好，所以通常利用鐵磁性材料做鐵芯，以使磁通盡可能地集中在鐵芯中。但是，空間內(nèi)仍可能存在磁通，也就是存在漏磁現(xiàn)象。我們把集中在鐵芯內(nèi)的大部分磁通稱為主磁通，不在鐵芯內(nèi)的極小部分磁通稱為漏磁通。由此可見，磁路中的磁通是由主磁通和漏磁通構成。I

主磁通

漏磁通鐵心線圈第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月通電線圈的電流是產(chǎn)生磁通的原因，電流越大，磁場越強，磁通也越大。通電線圈的每一匝都要產(chǎn)生磁通，所有磁通合在一起構成了磁路中的磁通。線圈的匝數(shù)越多，磁通也就越大。磁通與線圈中的電流強度和線圈的匝數(shù)有密切關系。通電線圈中的電流與線圈匝數(shù)的乘積被定義為磁動勢（也稱磁通勢），即：

Em=NI（6-1）第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月電路中往往存在電阻，它對電流起到阻礙作用。磁路中同樣存在一個阻礙磁通的物理量，即磁阻。與導體的電阻相似，磁路中磁阻Rm與磁路的長度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，與構成磁路的材料的磁導率μ成反比，可利用下面的公式6-2描述：

由上面式子可以得出：Rm=l/μS

（6-2）若磁導率μ以H/m的單位，長度l和截面積分別以m和m2為單位，則磁阻的單位為1/亨（H-1）第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)磁路的相關定律一、磁路的歐姆定律電路中存在歐姆定律，磁路中也存在歐姆定律，即通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比。

Φ=Em/Rm（6-3）與電路相比，磁路中的磁動勢相當于電路中的電動勢，磁阻相當于電阻，而磁通相當于電流。需要注意的是，磁路與電路在本質(zhì)上不相同。電路斷開時，電動勢依然存在，但磁路卻總是閉合的。第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)線圈的互感一、互感現(xiàn)象在自然界中，除了自感現(xiàn)象外，還存在另一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，即互感現(xiàn)象。當一個線圈中的電流發(fā)生變化，使另一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象叫互感現(xiàn)象?；ジ鞋F(xiàn)象可利用圖6-2所示的電路來說明。圖6-2中，線圈L1與線圈L2靠得很近，L2接有檢流計G，用于檢驗L2內(nèi)是否有電流。當開關S閉合的瞬間，L1內(nèi)的電流I從無到有，L1中產(chǎn)生變化的磁通Φ1。Φ1的一部分磁通Φ12穿過L2，根據(jù)電磁感應定律，L2內(nèi)將產(chǎn)生感應電動勢，由于L2與檢流計G串聯(lián)構成了閉合的回路，因而L2內(nèi)有電流流過，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但是，S閉合一段時間后，由于I恒定不變，L2內(nèi)不再感生電動勢，G的指針便回到零位。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖6-2互感現(xiàn)象由互感產(chǎn)生的感應電動勢稱為互感電動勢?；ジ须妱觿莸拇笮≌扔诖┻^本線圈的磁通的變化率。當L1中的磁通完全穿過L2時，互感電動勢最大；當L1和L2垂直時，L1中的磁通完全不穿過L2，此時的互感電動勢最小?；ジ须妱觿莸姆较蛉杂美愦味膳卸?，即感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙原來磁場的變化?；ジ鞋F(xiàn)象如果利用恰當，能夠給人們帶來許多益處，例如電源變壓器、電流互感器、電壓互感器等都利用了互感現(xiàn)象；如果利用不當，它也會給我們的生活帶來不便，例如有線電話常由于兩路電路間的互感而串音，無線電設備也常由于互感現(xiàn)象造成相互干擾。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、耦合系數(shù)對于兩個線圈，我們把一個線圈通有1A的電流時，在另一個線圈中產(chǎn)生的磁通（也稱互感磁鏈）叫做互感系數(shù)，簡稱互感。互感的國際單位與自感的相同，也是亨利（H）。互感的大小取決于兩個耦合線圈的幾何尺寸、匝數(shù)、相對位置和周圍磁介質(zhì)。如果磁介質(zhì)為非鐵磁性材料，互感則為常數(shù)。線圈中的互感電動勢，與互感系數(shù)和另一個線圈中電流的變化率的乘積成正比。圖6-2中的兩個線圈，它們除了互感以外，每個線圈還有自感。兩線圈間的互感系數(shù)M和各自的自感系數(shù)L1、L2之間的關系為：第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月k稱為兩線圈的耦合系數(shù)，它反映了兩個線圈之間的耦合程度。由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以0≤k≤1。k=0表明兩個線圈不產(chǎn)生互感磁通；k=1表明兩個線圈耦合得最緊，互感磁通也最大，這時又叫做全耦合。第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、同名端在工程中，兩個或兩個以上的有磁耦合的線圈，常常需要知道了互感電動勢的極性，才能選擇正確的連接方式。互感電動勢的極性不但與原磁通及其變化方向有關，還與線圈的繞向有關。盡管可以利用楞次定律來判斷互感電動勢的極性，但這并不方便，實際中常利用標記同名端的方式來說明互感電動勢的極性。第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖6-3（a）所示，兩個線圈L1、L2繞在同一個鐵芯上。假設L1中通有隨時間逐漸增大的電流i，電流i產(chǎn)生的磁通φ1也隨時間的增加而增大。根據(jù)電磁感應定律，鐵芯中的磁通φ1在增大的過程中，L1中將產(chǎn)生自感電動勢，L2中將產(chǎn)生互感電動勢，它們都會阻礙φ1的增大。根據(jù)安培右手定則可以判斷L1、L2的感應電動勢的極性如圖所示。其中，端點1和3的極性相同，端點2和4的極性相同。如果改變L1中電流的方向，仍讓其隨時間逐漸增大，那么L1、L2的感應電動勢的極性如圖6-3（b）所示。

（a）（b）圖6-3互感線圈的同名端第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然，端點1和3的極性仍相同，端點2和4的極性也相同。這說明，如果兩個線圈按圖6-3的形式繞在同一個鐵芯上，那么不管電流的方向如何改變，大小如何改變，感應電動勢在端點1和3上的極性始終保持相同，在端點2和4上的極性也始終相同。我們把這種在同一磁通作用下，感應電動勢極性相同的端點稱為同名端，感應電動勢極性相反的端點稱為異名端。同名端利用“·”表示。工程中通常只標出一對同名端，如圖6-4所示。

圖6-4同名端的標記第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)變壓器變壓器是利用互感原理工作的一種電磁裝置。在電力系統(tǒng)中，變壓器常用于將某一數(shù)值的交流電壓或電流，變換成另一數(shù)值的交流電壓或電流。除了可以變換電壓電流之外，變壓器常用于變換阻抗和改變相位。變壓器的種類很多，有輸電和配電使用的電力變壓器，實驗用的整流變壓器，電解用的整流變壓器，電子技術中使用的輸入和輸出變壓器等。盡管不同類型的變壓器在結構上各有特點，并具有不同的功能，但它們的基本結構和工作原理是類似的。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、變壓器的基本結構變壓器由鐵芯、繞組和一些附件構成，其中鐵芯和繞組是其最主要的組成部分。變壓器的鐵芯是磁路的通道。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，變壓器鐵芯常用磁導率較高的、相互絕緣的硅鋼片疊裝而成，鋼片的厚度約為0.35～0.5mm。也有的變壓器采用鐵氧體或其他磁性材料作鐵芯。按鐵芯的結構可將變壓器分成芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在鐵芯柱上；殼式變壓器的繞組被鐵芯所圍繞。大型的變壓器多采用芯式結構，小型的變壓器多采用殼式結構。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月變壓器的繞組是電流的通道，通常由具有良好絕緣性質(zhì)的漆包線繞在線圈框架上構成。大型變壓器的繞組也使用紗包線和絲包線繞制。變壓器的繞組分為一次繞組（或稱初級繞組、原邊線圈）和二次繞組（或稱次級繞組、副邊線圈），其中一次繞組與電源相連，二次繞組與負載相連。變壓器的繞組和鐵芯之間、繞組與繞組之間以及繞組的每一匝之間都要保持良好的絕緣性，否則很容易燒壞。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月變壓器的附件有很多，例如屏蔽裝置，冷卻裝置等。為了使變壓器不受外界電磁場的干擾，常利用鐵殼或鋁殼將其罩起來，在一次繞組和二次繞組之間也常加一層金屬靜電屏蔽層。變壓器在正常工作時還需及時散熱，否則容易發(fā)生事故。變壓器的冷卻方式主要有油冷和自冷兩種。小型變壓器多采用自冷式，即靠空氣的流動自然散熱；大型變壓器多采用油冷式，即把變壓器的鐵芯和繞組全部浸在油箱中。變壓器在電路中的符號如圖6-7所示。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

（a）（b）圖6-7變壓器的符號第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、變壓器的工作原理1.變換電壓理想的變壓器模型如圖6-8所示。讓一次繞組與交流電壓源相連，二次繞組不接任何負載，這時變壓器處于空載運行狀態(tài)，一次繞組上的電流i0為空載電流。磁動勢i0N1在鐵芯磁路中產(chǎn)生交變的磁通。與一次和二次繞組交鏈，使得一次繞組和二次繞組上分別感應出電動勢e1和e2。如果φ=Φmsin2πft，f是交流電壓源的頻率，那么e1和e2的有效值E1、E2分別為:于是:E1/E2=N1/N2第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月由于變壓器的空載電流非常小，由一次繞組內(nèi)阻形成的電壓可以忽略不計，因而一次繞組上的感應電壓E1的有效值與交流電壓源的有效值U1近似相等。另外，由于二次繞組未接負載，其感應電壓的有效值E2就等于其端電壓的有效值U2。因此:U1/U2≈E1/E2=N1/N2=K（6-8）上式表明，變壓器空載時，兩繞組的電壓之比近似等于匝數(shù)之比。這個比值K稱為變壓比，簡稱變比。K＞1的變壓器稱為降壓變壓器，K＜1的變壓器稱為升壓變壓器。圖6-8變壓器的空載運行第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.變換電流如果在圖6-8所示的變壓器的二次繞組上接負載Z，那么變壓器由空載運行變?yōu)橛休d運行，如圖6-9所示。變壓器處于有載運行狀態(tài)時，二次繞組上將產(chǎn)生電流i2。對于理想變壓器，根據(jù)能量守恒定律，一次繞組從電源獲取的能量應等于二次繞組上負載消耗的能量，即變壓器從電源獲取的功率P1應等于它的輸出功率P2。根據(jù)交流電路的功率計算公式可知,P1=U1I1cosφ1，P2=U2I2cosφ2，式中，U1和U2分別為交流電壓源電壓的有效值和負載電壓的有效值，I1和I2分別為一次繞組內(nèi)和二次繞組內(nèi)電流的有效值，cosφ1和cosφ2分別為一次繞組電路和二次繞組電路的功率因數(shù)。由于φ1與φ2通常相差較小，在工程中可近似認為它們是相等的，因而U1I1≈U2I2，即：

（6-9）第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖6-9變壓器的有載運行可見，變壓器在有載狀態(tài)下工作時，一次繞組和二次繞組中的電流跟兩個繞組的匝數(shù)成反比，可以通過改變變壓器的匝數(shù)比來改變電流。電流互感器就是根據(jù)這一原理制成的。3.變換阻抗在電子電路中，常利用變壓器將負載電阻變成與信號源的內(nèi)阻相等，以使負載獲得最大功率。此時稱為阻抗匹配。上式表明，如果在變壓器的二次側(cè)接上負載|Z2|，那么相當于使電源接上大小為|Z1|=K2|Z2|的阻抗。

第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、變壓器的銘牌變壓器的銘牌上面標有變壓器的型號、額定值等技術指標。通過查看變壓器的銘牌，我們能夠初步了解變壓器的結構和特點。變壓器的型號上標有變壓器的結構特點、額定容量（單位是kV·A）和高壓側(cè)的電壓等級（單位是kV），如圖6-10所示。電力變壓器型號中常用符號的含義見表6-2。圖6-10變壓器的型號表6-2變壓器型號中常用符號的含義（見書126頁）第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)鐵磁性材料的基礎知識一、鐵磁性物質(zhì)的磁化當把一根鐵棒插入通有電流的線圈時，可以發(fā)現(xiàn)鐵棒能夠吸引鐵屑，這是由于鐵棒被磁化的緣故。所謂磁化是指使原來沒有磁性的物質(zhì)具有磁性的過程。只有鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化，非鐵磁性物質(zhì)不能被磁化。鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化的主要原因是其內(nèi)部存在大量的磁性小區(qū)域，即磁疇。在無外磁場作用時，鐵磁物質(zhì)中磁疇的排列雜亂無章，磁性相互抵消，物質(zhì)對外界并不顯磁性。但是，在外磁場作用下，磁疇將沿著磁場的方向排列，從而產(chǎn)生附加磁場，如圖6-11所示。附加磁場與外磁場疊加在一起，使得總磁場增強。有些鐵磁性物質(zhì)在去掉外磁場后對外仍顯磁性，于是它們變成了永久磁鐵。第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

（a）（b）

圖6-11鐵磁性物質(zhì)的磁疇第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磁化曲線鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生磁場。表征鐵磁性物質(zhì)內(nèi)磁感應強度B隨外磁場強度H變化的曲線，稱為磁化曲線，也稱為B-H曲線。如果鐵磁性物質(zhì)從完全無磁的狀態(tài)進行磁化所得到的磁化曲線稱為起始磁化曲線。磁化曲線是非線性的。起始磁化曲線應經(jīng)過坐標原點，如圖6-12所示。圖6-12鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在磁化曲線起始的Oa段，曲線上升緩慢，這是由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇的慣性造成的，這個階段稱為起始磁化階段。隨著H的增大，B也增大，磁化曲線中ab段的變化接近于直線，這是由于大量的磁疇在外磁場作用下沿著磁場的方向排列，附加磁場增強。然后，在bc段，隨著H的增大，B也增大，但增大的速度變慢，這是由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部只剩下了少數(shù)的磁疇。最后，在cd段，由于鐵磁性物質(zhì)幾乎全部被磁化，繼續(xù)增大H，B幾乎沒有變化，即B達到了飽和值。不同的鐵磁性物質(zhì)具有不同的磁化曲線。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁滯回線上面介紹的磁化曲線只反映了鐵磁性物質(zhì)在外磁場由零逐漸增強時的磁化過程。但是，在實際使用中，許多鐵磁性材料往往工作在大小和方向交替變化的磁場中，這時由于鐵磁性物質(zhì)具有滯后效應和粘滯性，使得B的值不僅與相應的H有關，還與物質(zhì)之前的磁化狀態(tài)有關。實驗表明，如果B達到飽和值后，逐漸減小H，這時B并不是沿著圖6-12中的磁化曲線減小，而是沿著另一條曲線下降，如圖6-13所示的de段。當H減小至零時，B的值不是零，而是Br，Br稱為剩磁。圖6-13磁滯回線第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月為了消除剩磁，必須施加反向的磁場。當反向磁場由零增大到Hc時，B的值為零。Hc稱為矯頑力，它反映了鐵磁性物質(zhì)保持剩磁的能力。繼續(xù)增大反向磁場，B的值將從零變?yōu)樨撝?，即B的方向發(fā)生改變，鐵磁性物質(zhì)被反向磁化。反向磁化使B達到飽和值后，減小反向磁場，磁化曲線將沿gk段變化，在k點處H為零。繼續(xù)增大正向磁場，磁化曲線將沿khd變化。從磁化的整個過程可以看出，B的變化總