電工電子技術(shù)（第5版）課件 電子 徐淑華 14-電磁轉(zhuǎn)換

14.1磁路的基本概念14.2鐵心線圈電路14.3電磁鐵14.4變壓器第14章電磁轉(zhuǎn)換1學(xué)習目標了解磁路的基本物理量和基本定律；了解鐵磁性材料的磁性能以及磁損耗概念；理解交流鐵心線圈電路的基本電磁關(guān)系以及電壓電流關(guān)系；了解電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理；了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、同極性端及特殊變壓器的特點；掌握變壓器的工作原理及額定值的意義。214.1磁路的基本概念14.1.1磁場的基本物理量14.1.2鐵磁性材料的磁性能14.1.3磁路的歐姆定律3磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。

線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。鐵心（導(dǎo)磁性能好的鐵磁性材料）線圈14.1磁路的基本概念i：主磁通：漏磁通414.1.1磁路的基本物理量SBΦ=磁感應(yīng)強度（磁通密度）：B：單位：特斯拉（T）磁通：Φ

：單位：韋伯（Wb）磁動勢：F：單位：安（A）磁場強度：H：單位：安/米（A/m）磁導(dǎo)率：

：單位：亨/米（H/m）F=NIlHNI=表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量

BH=5稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率

一般材料的磁導(dǎo)率

和真空中的磁導(dǎo)率

0之比，，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料非磁性材料：磁導(dǎo)率低，如真空、空氣；磁性材料：磁導(dǎo)率高，如鐵磁物質(zhì)。

真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)6分子中的電子環(huán)繞原子核運動和本身的自轉(zhuǎn)運動形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場。每個分子基本上相當于一個小磁鐵。磁性物質(zhì)內(nèi)，分成許多小區(qū)域，分子間的特殊作用力使每個區(qū)域內(nèi)的分子磁鐵排列整齊，顯示磁性，稱為：磁疇。磁疇在沒有外電場作用時，各磁疇排列混亂，磁場互相抵消，對外不顯磁性。14.1.2鐵磁性材料的磁性能7B0在鐵心上繞上線圈，通入

電流，產(chǎn)生磁場：B0

B0：以空氣為介質(zhì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。B0Bj在外磁場的作用下，磁疇就順向外磁場的方向，顯示出磁性，產(chǎn)生很強的磁化磁場。B0外電流越大，磁化磁場越大，當外電流增大到一定值時，磁疇全部轉(zhuǎn)向外磁場的方向，Bj最大。Bj8結(jié)論：（1）用鐵磁材料作磁路時，通入不大的勵磁電流，可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強度。（2）用鐵磁材料作磁路時，可以做成大電感。非磁性材料沒有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化的特性。9

H（4）鐵磁材料的不是常數(shù)，

隨電流變化。（5）鐵心線圈的電感是隨電流變化的。鐵心線圈是非線性電感。（3）磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限增強，當外磁場增大到一定值時，全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外磁場的方向一致。這時：磁化磁場的磁感應(yīng)強度Bj

即達到飽和值?？招木€圈是線性電感。10非線性！μ不是常數(shù)矯頑力矯頑磁力剩磁剩磁磁滯性磁飽和非線性鐵磁性材料的磁性能非線性；強磁化性；磁飽和性；磁滯性。基本磁化曲線：B=f（H）或Φ=f（I）H（I）B(Φ)0QPB（

Φ

）H（I）ti勵磁電流勵磁電流ti00112233445566111

根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、永磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（滯回線接近矩形?？捎米鲇洃浽?。B（Φ）H（I）B(Φ)）H（I）B（Φ）H（I）12對于均勻磁路14.1.3磁路的歐姆定律則：

INSL由于磁性材料的

不為常數(shù)，磁路歐姆定律只用作定性分析，不做定量計算。令：Rm

稱為磁阻注意！13磁路和電路的比較磁通Φ磁壓降HL磁動勢INF=電動勢電流電壓降UEI電路R+_EIU磁路IN

磁阻SlRmμ=電阻SlRγ=mRF=Φ歐姆定律REI=歐姆定律14F——反映通電線圈勵磁能力的大小Rm——表示磁路的材料對磁通起阻礙作用的物理量。反映磁路導(dǎo)磁性能的強弱，它只與磁路的尺寸、材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。對于不同材料或不同截面組成的幾段磁路，磁路的總磁阻為各段磁阻之和。15INF=SlRmμ=

一定：

大Rm小F小I小

小Rm大F大I大I一定：

大Rm小

大

小Rm大

小16對帶有空氣隙的磁路l1、

1l2、

20.5l0Rm0中，雖然l0很小，但

0很小，因此Rm0很大，使整個磁路的磁阻大大增加。I不變：Rm大

小

不變：Rm大I大電工設(shè)備的磁路中要盡量減小空氣隙.17例1一環(huán)型鐵心線圈，尺寸如圖示，鐵心材料為鑄鋼，磁路中含有長度為0.2厘米的空氣隙。設(shè)線圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強度，試求線圈匝數(shù)。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均長度為L=(10+15)*3.14=39.2cm鑄鋼磁路的長度為L1=39.2-0.2=39cm查磁化曲線,當B=0.9T時，H=500AH1L1=500·39·10-2=195A氣隙磁路長度為H0L0=B0L0/

0

=1440ANI=H1L1+H0L0=1635AL0=0.2cm

0=410-7HmN=16351814.2鐵心線圈電路14.2.1直流鐵心線圈電路14.2.2交流鐵心線圈電路19勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流。（線圈中的電流）14.2鐵心線圈電路分類：直流鐵心線圈交流鐵心線圈勵磁電流為直流電勵磁電流為交流電將線圈繞制在鐵心上就構(gòu)成了鐵心線圈。2014.2.1直流鐵心線圈勵磁電流為直流：

RUI=（R

為線圈的電阻）IUU一定I一定，與磁路特性無關(guān)；

磁動勢恒定：F=NI

磁通：)(mRFΦ=Rm一定Φ

一定，恒定磁通，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生；

功率損耗：P=I2R只由線圈中的電流和線圈電阻決定。21直流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。IU1）因電流只與電源電壓和線圈電阻有關(guān)，所以，吸合前后電流不變：I=U/R2）因磁動勢一定，F(xiàn)=NI吸合前，磁路中氣隙大，磁阻大，Φ??；吸合后，磁路中氣隙小，磁阻小，Φ大。)(mRFΦ=例22214.2.2交流鐵心線圈：主磁通：漏磁通uΦei交流勵磁：線圈中上加正弦交流電壓，勵磁電流為交流電流產(chǎn)生交變磁通在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢uΦi（iN）電流與磁通方向符合右螺旋法則23電路方程：eeuuR-+-+=)()(σΦ

：漏磁通，很??；R：線圈電阻，很小，1.基本電磁關(guān)系uΦσΦeσei則最大值有效值假設(shè)242.功率損耗

P=PCu+PFe

銅損：PCu=I2RCu鐵損：PFe=Ph+Pe

Ph：磁滯損耗：

鐵心材料的磁滯回線面積采用軟磁性材料做鐵心可以減少磁滯損耗。Pe：渦流損耗：與鐵心的截面積、電源頻率、磁感應(yīng)強度有關(guān)。采用順磁場方向的硅鋼片疊成的鐵心可以減少渦流損耗。uΦσΦeσei25當外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時，便一定。與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無關(guān)。mΦ3.交流磁路的特點mR

一定，磁動勢IN隨磁阻的變化而變化；mΦmRΦIN=uiX0RFeRCuX

線圈鐵心交流鐵心線圈的串聯(lián)等效電路：

26uiX0RFeRCuX

線圈鐵心RCu:線圈電阻。X

:漏磁通引起的感抗。RFe:鐵心電阻。X0:鐵心存儲能量引起的感抗。27在吸合過程中若外加電壓U不變,則Φ

不變。iumRΦIN=

電磁鐵吸合后(氣隙?。?/p>

小電流小。mR

如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。交流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。電磁鐵吸合前(氣隙大）

大電流大；mR例3注意！28(U不變，I不變）(I

隨Rm

變化）（U不變時，基本不變）直流磁路交流磁路磁路小結(jié)（隨Rm變化）29思考(1)將交流鐵心線圈接到與其額定電壓值相等的直流電壓上，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？(2)將直流鐵心線圈接到有效值與其額定電壓值相等的交流電壓上，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？感抗XL以及與PFe對應(yīng)的等效電阻RFe將不存在線圈電流U/RCu將很大，以至燒壞線圈。將產(chǎn)生感抗XL以及與PFe對應(yīng)的等效電阻RFe磁路的磁通達不到額定狀態(tài)，且鐵心（整塊鐵）將會嚴重發(fā)熱。3014.3電磁鐵14.3.1直流電磁鐵14.3.2交流電磁鐵3114.3電磁鐵結(jié)構(gòu)：鐵心、繞組、銜鐵IU工作原理：線圈通電產(chǎn)生電磁力吸合銜鐵線圈斷電電磁力消失釋放銜鐵應(yīng)用：工業(yè)控制線圈鐵心銜鐵氣隙電磁吸力：f=1078

B02S0

（牛頓）經(jīng)驗公式氣隙磁感應(yīng)強度氣隙截面面積3214.3.1直流電磁鐵勵磁線圈加直流電壓—直流鐵心線圈。電磁吸力：F=1078

B02S0

（牛頓）線圈電流：銜鐵吸合過程中吸力不斷增強。為什么？銜鐵吸合過程中電流不變。3314.3.2交流電磁鐵勵磁線圈加交流電壓—交流鐵心線圈。電磁吸力：問題：電磁吸力以兩倍的電源頻率波動，引起震動和噪聲。解決：在部分磁路上加分磁環(huán)，使兩部分磁路中的磁通產(chǎn)生相位差，消除震動和噪聲。34為什么？線圈電流：銜鐵吸合過程中電流不斷減小。銜鐵吸合過程中吸力大小不變。電磁吸力：使用交流電磁鐵時不允許通電后長時間不吸合！35交流電磁鐵：勵磁線圈加交流電壓—交流鐵心線圈。直流電磁鐵：勵磁線圈加直流電壓—交流鐵心線圈。交、直流電磁鐵的區(qū)別：1）交流電磁鐵的鐵心是硅鋼片疊成，直流電磁鐵的鐵心可以是一整塊軟鋼；2）交流電磁鐵吸合前后電流要變，直流電磁鐵吸合前后電流不變；3）交流電磁鐵吸合前后吸力不變，直流電磁鐵吸合前后吸力要變。思考產(chǎn)生以上三個不同點的原因是什么？3614.4變壓器14.4.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)14.4.2變壓器的工作原理14.4.3變壓器的主要技術(shù)指標和額定值14.4.4變壓器的同極性端14.4.5特殊變壓器37變壓器功能：變電壓：電力系統(tǒng)變阻抗：電子電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器）變電流：電流互感器14.4變壓器38

發(fā)電廠1.05萬伏輸電線22萬伏升壓變電站

1萬伏降壓

變壓器應(yīng)用舉例…降壓實驗室380/220伏降壓儀器36伏降壓39單相變壓器鐵心原邊繞組副邊繞組14.4.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心：變壓器的磁路。高、低壓繞組。原邊（一次繞組）：接電源的繞組副邊（二次繞組）：接負載的繞組變壓器符號：4014.4.2變壓器的工作原理工作過程u2Φi1N1u1i2N2參考方向的確定

原邊是電源的負載；

副邊是負載的電源；N1N2e1e2

原、副邊的e與

符合右螺旋法則；41空載運行：原邊接入電源，副邊開路。接上交流電源原邊電流i1等于勵磁電流i10

產(chǎn)生感應(yīng)電動勢1i

i10

產(chǎn)生磁通

（交變）e,方向符合右螺旋法則1.電壓變換原理注意42結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比1u根據(jù)交流鐵心線圈的電磁關(guān)系分析可得：mΦNfE1144.4=

U1mΦNfE2244.4=

U243有載運行：副邊接入負載。E1

U1E2

U2忽略線圈電阻和漏磁通的影響所以，電壓比為442.電流變換原理ZNiNiNi102211

+因為：空載時：勵磁電流是：i10磁動勢是：i10N1有載時：勵磁電流是：i1

與

i2

磁動勢是：i1N1

+i2N2所以：當電源電壓的大小和頻率一定時，鐵心中的磁通大小一定。產(chǎn)生同樣磁通的磁動勢相等磁勢平衡方程式：44.411mΦNfU

45由于變壓器鐵心材料的導(dǎo)磁率高，空載勵磁電流很小，可忽略。10i0Z0

+11NI22NI11NI22NI-NiNiNi102211

+即：461）原、副邊電流的大小與匝數(shù)成反比；結(jié)論2）副邊電流對原邊電流起去磁作用；3）副邊電流取決于負載，原邊電流取決于副邊電流。ZRL

i2

i1

負載電阻增大時，原邊電流如何變化？47LZ3.阻抗變換原理22IUZL=u1i1

11IUZL=222222KZKIUKIKUL===

48信號源電動勢E=80V，內(nèi)阻R0=400

，負載電阻RL=4

。1）負載直接接在信號源上時，信號源的輸出功率。1）將負載直接接到信號源上，得到的輸出功率為：例4求：2）阻抗匹配時變壓器的變比及輸出功率。解：2）阻抗匹配時應(yīng)使RL=R0將負載通過變壓器接到信號源上變換阻抗。49ELR1N2NR0輸出功率為：21=10

NNK則變比：LLRKR2==400

′′′50變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。NNNNNIUIUS2211==（理想）14.4.3變壓器的主要技術(shù)指標和額定值變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允許的電壓值。1）額定電壓U1N/U2N2）額定電流I1N/I2N3）額定容量SN變壓器輸出的額定視在功率。51變壓器輸出功率與輸入功率的比值。4）額定效率ηN5）額定頻率fN電源的工作頻率。50Hz6）電壓調(diào)整率

U=U20-

U2U20100%（一般為5%左右）U2I2U20I2NU2N

UI2U25214.4.4變壓器的同極性端1.同極性端(同名端)當電流流入(或流出）兩個線圈時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同極性端（同名端）。或者說，當鐵芯中磁通變化（增大或減小）時，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相同的兩端為同極性端。AXax**AXax**Z**53

聯(lián)結(jié)2－3，順串1324**串聯(lián)順串：兩異名端相連，相當于兩匝數(shù)相加；反串：兩同名端相連，相當于兩匝數(shù)相減；

聯(lián)結(jié)1－3，反串并聯(lián)同名端兩兩相連。1-3連，2-4連2.線圈的正確連接54220V：聯(lián)結(jié)2－3，1-4接電源。勵磁兩種接法下線圈工作情況的分析：**1324兩線圈的額定電壓為110V，若接于220V的電源，應(yīng)如何連接？220V若1-3連接，2-4接電源，可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？55在極性不明確時，一定要先測定極性再通電！兩個線圈中的磁通抵消燒毀感應(yīng)電勢電流

很大**1324

’注意56110V：聯(lián)結(jié)1－3，2－41,32,41324**勵磁'若1-4、2-3分別連接后接電源，兩線圈產(chǎn)生的磁通相互抵消，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，110V電壓將全部降在線圈電阻上，線圈將被燒毀。若異名端兩兩相連，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？57581直流小電壓直流電流表+_2A34+Z變壓器的原副邊同名端的討論電壓相對于同名端方向相同。電流相對于同名端方向相反。**副邊電