磁路与变压器2.ppt

第6章 磁路与变压器 6.1 磁路的基本物理量和基本性质 6.2 磁路的概念及磁路的安培环路定律 6.3 交流励磁下的铁心线圈 6.4 电磁铁 6.5 变压器 、了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律；了了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律；了 解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的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；了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识同极性端；了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识 ；了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识；了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识； 本章要求： 、理解磁场的基本物理量的意义，理解变压器额理解磁场的基本物理量的意义，理解变压器额 定值的意义；定值的意义； 3、掌握交流铁心线圈电路的分析方法；掌握变压器掌握交流铁心线圈电路的分析方法；掌握变压器 电压、电流和阻抗变换作用。电压、电流和阻抗变换作用。 6.1 磁路的基本物理量和基本性质 磁路 ： 磁通所通过的由铁磁材料构成的路径（包 括空气隙在内） 铁心 线圈 主磁通 漏磁通 6.1.1 磁场的基本物理量 1.磁感应强度B 定义： 方向 ： 大小： 单位： 分类： 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量 和电流之间符合右手螺旋法则 均匀磁场 非均匀磁场 特斯拉(T)，1T = 2.磁通 定义： 方向 ： 大小： 单位： 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数， 又成为磁通密度 与磁感应强度B方向相同 韦伯(Wb) 1Wb =1Vs 感应电动势与磁通的关系 3.磁场强度H 定义： 介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比 。 大小： 单位： 安培/米（A/m) 4.磁导率 定义： 表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力 。 大小： 单位： 亨/米（H/m） 亨/米 真空的磁导率 为常数， 相对磁导率相对磁导率 r r 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。 定义： 大小： 物质的分类：根据相对磁导率 r的大小，将物质分为三类 （1）顺磁物质：，如空气、氧、锡、铝、铅等物质 （2）反磁物质：，如氢、铜、石墨、银和锌等物质 （3）铁磁物质：，如铁、钢、铸铁、镍和钴等物质 非铁磁物质 6.1.2磁性材料的特性、磁导率和 磁化曲线 非铁磁物质， 即B与H成正比 O O HH B B 铁磁物质，具有下列磁性能： 1.高导磁性： 铁磁材料的磁导率很高，其相对磁 导率r远大于1，可达数百、数千 、直至数万。铁磁材料在磁场中可 被强烈磁化（呈现磁性）。 磁磁 畴畴 磁磁 畴畴 外外 磁磁 场场 应用：变压器、电动机等 2.磁饱和性，磁化曲线 对于磁性材料，因为磁导率 不是常数，所以B与H是非线 性关系。 磁性材料的磁饱和性用它的磁 化曲线来描述。其磁化曲线如 图所示。 O O HH B,B, B B a a 铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢 c c 硅钢硅钢片片 O O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1010 3 3 HH/(A/m)/(A/m) HH/(A/m)/(A/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1010 3 3 B B/T/T 1.81.8 1.61.6 1.41.4 1.21.2 1.01.0 0.80.8 0.60.6 0.40.4 0.20.2 a a b b a a b b c c c c 几种常见磁性材料的磁化曲线 3.磁滞性，磁滞回线 O O HH B B B B r r HH c c 剩磁感应强度剩磁感应强度 B Br r ( (剩磁剩磁) ) ： 当线圈中电流减小到零当线圈中电流减小到零( ( H H =0)=0)时，时， 铁心中的磁感应强度。铁心中的磁感应强度。 矫顽磁力矫顽磁力 H Hc c ： 使使 B B = 0 = 0 所需的所需的 H H 值。值。 软磁材料 ： 永磁材料： 矩磁材料： 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造 电机、变压器和电器的铁心。 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。 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩 形，稳定性也较好。常用于计算机和控制元件。 铁磁物质 6.2 磁路的概念及磁路的安培环路定律 6.2.1磁路 + N If N S S 在电机、变压器和各种铁磁元件中常用铁磁材料做成各种 形状的铁心，这样，线圈中较小的励磁电流即可产生较大的磁 通，从而得到较大的感应电动势或电磁力。铁心的磁导率比周 围空气和其它物质的磁导率高得多，因此绝大部分磁通经过铁 心形成闭合通路，磁通所通过的由铁磁材料构成的路径称为磁 路，沿整个磁路的磁通均匀相同。 图6.2.1 环形磁路 6.2.2磁路的安培环环路定律 以图6.2.1为例，根据安培环路定律 可以得出 上式中线圈匝数与电流的乘积NI称 为磁通势，用字母F表示，即 将和B=/S代入式（6.2.1），得 （6.2.1） （6.2.2） 磁路欧 姆定律 磁阻 磁通势 磁通势势 磁通 磁感应应强度 磁阻 电动势电动势 电电流 电电流密度 电电阻 磁 路电 路 表6.2.1 磁路与电路对照表 图图6.2.2 继电继电 器的磁路 6.2.3 磁路的分析计算 对均匀磁路而言 如果磁路是由不同的材料或不同 长度和截面积的几段组成，即磁 路由磁阻不同的几段串联而成 。 如图6.2.2所示 则 称为磁路各 段的磁压降 称为磁路各 段的磁压降 . 串联磁路（给定，求NI） 串联磁路:磁路由多段不同材料组成一个回路，中间无分叉 根据磁路的连续性原理，串联磁路中各段的磁通都是相同。 步骤: (1) 用公式计算每一段的磁感应强度。 (2) 从-曲线上，查出每段的 对应的磁场强度， 对空气隙的磁场强度H0。应用公式H0=B0 /0计算。 (3) 用安培环路定律计算所需磁通势NI。 (4) 用计算出的磁通势NI再求所需要的线圈电流或线圈匝数。 【例6.2.1】一个具有闭合的均匀铁心的线圈，其匝数为 380，铁心中的磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度45cm 试求：（1）铁心材料为铸铁时线圈中的电流； （2）铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。 解： 首先从图6.1.5中的磁化曲线查出磁场强度，然后 根据式（6.2.1）算出电流 (1) (2) 可见由于所用铁心材料的不同,要得到同样的磁感应强度, 则所需要的磁通势或励磁电流的大小相差就很悬殊.因此, 采用磁导率高的铁心材料,可使线圈的用铜量大为降低. 如果在(1)、(2)两种情况下,线圈中通有同样大小的电流 0.39A,则铁心中的磁场强度是相等的,都是260A/m.。但 从图6.1.5的磁化曲线可以查出的 ， 两者相差17倍，磁通也相差17倍。在这种情况下，如果要 得到相同的磁通，对于铸铁铁心的截面积就必须增加17倍 。 因此，采用磁导率高的铁心材料，可以使铁心的用铁量大 为降低。 2. 串联磁路（给定NI，求） 已知NI求有两种情况。一种是比较特殊的情况，就是 只有一个线圈、一种材料，此时可以直接将求出。另 一种是比较常见的情况，就是含有两种以上的材料，这 类题目比较难解，常用“试凑法”来解。 3. 串并联磁路（给定，求NI） 图图6.2.3 串并联联磁路 如图6.2.3所示，磁路在b处有分叉， 分为一个支路bg和一个支路bcdefg， 这两个支路是并联关系，称为并联磁 路。串、并磁路的计算要利用磁通的 连续性原理和安培环路定律。 6.3 交流励磁下的铁心线圈 . 电压与磁通的关系 N N + + u u + + e e + + e e i i 线圈线圈 铁心铁心 磁通势磁通势 主磁通主磁通 ：通过铁心通过铁心 闭合的磁通，闭合的磁通， i i 与与之之 间不存在线性关系间不存在线性关系 漏磁通漏磁通 ：经过空气或其它经过空气或其它 非导磁媒质闭合的磁通非导磁媒质闭合的磁通 i i ， 铁心线圈的漏磁电感铁心线圈的漏磁电感 铁心线圈的主磁电感不 是一个常数，因此，铁心 线圈是一个非线性电感。 根据基尔霍夫定律有 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 ： 铁心线圈 的电阻 漏磁漏磁 电感电感 N N + + u u + + e e + + e e 一般铁心线圈的漏磁通很小，故由其产生的感应电动势 可以忽略不计 线圈的导线电阻也很小，则由其产生的电压降也可以忽略不计 因此 由法拉第电磁感应定律和楞次定律，有 因此 若所加电压u是正弦波，主磁通也是正弦波 设 则 故电压u和感应电动势的有效值为 上式表明，在正弦交流电压励磁下，铁心线圈内产生的磁通 最大值与所加正弦电压的有效值成正比。 . 电流与磁通的关系 磁化曲线与的关系 S为常数 N为常数 磁化曲线 与的关系 当励磁电压u为正弦波时，励磁电流i是非正弦波，励 磁电压u与励磁电流i不是线性关系 铁心线圈是非线性元件 6.3.2 功率损耗和等效电路 在交流铁心线圈的电路计算中，用一个等效的正弦电流来 替代这个周期性非正弦电流，即仍然将电流i作为正弦波 来处理（例如电压的计算、功率的计算都直接引用正弦交 流电路的计算公式)。 . 交流铁心线圈的功率损耗 铜损耗 铁损耗 (1) 铜损耗 圈导线电阻上的损耗，称为铜损耗，且 (2) 铁损耗 涡流损耗 磁滞损耗 磁滞损耗 : 磁性材料在交流磁化时由于磁滞现象而发 生的能量损耗,将变成热能使磁心发热 大小：与磁滞回线所包围的面积成正比 涡流损耗 涡流：当磁性材料被交流磁化 时将产生交变的磁通，交变的磁 通会在垂直于磁力线方向的铁心 截面上感应出闭合的交流电流 由涡流使铁心发热而产生的能量损耗 减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施： 提高铁心的电阻率。铁心用彼此提高铁心的电阻率。铁心用彼此 绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较 小的截面内。小的截面内。 交流铁心线圈的铜损耗和铁损耗的总和就是交流铁心线圈 的有功功率 . 交流铁心线圈的等效电路 为了简化磁路的计算，常用一个等效电路 模型来代替交流铁心线圈电路 等效的条件：在同样电压作用下，功率 、电流及各量之间的相位关系保持不变 先将实际铁心线圈的线 圈电阻R、漏磁感抗X 分离出来，得到用理想 铁心线圈表示的电路 + + + + + + e e e e u u i i 实际铁心线圈电路实际铁心线圈电路 + + + + u u i i R R X X + + + + u uR R u u 线圈电阻 漏磁感抗 理想铁心线圈电路理想铁心线圈电路 但理想的铁心线圈电路的铁心中仍有能量的损耗和能量 的储放（储存与放出）。因此可以将这个理想的铁心线圈交 流电路用具有电阻和的一段电电路来等效代替 和铁心中能量损耗（铁 损）相应的等效电阻 和铁心中能量储放（与电 源发生能量互换）相应的 等效感抗 + + + + u u i i R R X X + + + + u uR R u u X X0 0 R R0 0 + + + + + + e e e e u u 【例6.3.1】有一个交流铁心线圈，电源电压为 220，电路中电流4，功率表的读数100， 频率f=50HZ,漏磁通和线圈电阻上的电压降可以忽略不计 试求：（1）铁心线圈的功率因数； （2）铁心线圈的等效电阻和感抗。 解： （1） （2） 铁心线圈的等效阻抗模为 等效电阻 等效感抗 【例6.3.2】要绕制一个铁心线圈，已知电源电压220 ，频率f50HZ，今量得铁心截面为30.2cm2，铁心由硅钢 片叠成，设叠片间隙系数为0.91（一般取0.9-0.93）。 （1）如取Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少？ （2）如磁路平均长度为60cm，问励磁电流应多大？ 解： 铁心的有效面积为 （1） 线圈匝数可根据式（6.3.5）求出，即 （2）从图中可以查出，当Bm=1.2T时，Hm=700A/m， 所以 . 电磁铁 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机 械零件、工件于固定位置的一种电器。衔铁的动作可使 其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性 随着消失，衔铁或其他零件即被释放。 组成 衔铁 线圈 铁心 F F F F F F F F 铁心铁心铁心 线圈线圈线圈 衔铁 衔铁衔铁 1、电磁铁的几种常见形式 2、电磁铁的应用 制动机床和起重机的电动机 M 3 抱闸抱闸 制动轮制动轮 弹弹 簧簧 电电 磁磁 铁铁 优点：避免由于工作过程中的 断 电而使重物滑下所造成的事 故 电磁继电器和接触器 3. 3. 电磁铁吸力的计算电磁铁吸力的计算 基本公式：基本公式： 气隙的 截面积 气隙中 磁感应 强度 交流电磁铁的吸力：交流电磁铁的吸力： 磁场 是交 变 设设 则吸力由式6.3.1和6.3.2有 t t F F mm f f 吸力的波形吸力的波形 吸力的平均值 吸力在零与最大 值m之间脉