第六章铁心线圈与变压器

1、一、磁路的基本概念一、磁路的基本概念1. 磁磁 路路 磁感应强度（磁感应强度（B）：磁感应强度表示）：磁感应强度表示磁场中某点磁场强弱方向的物理量。磁场中某点磁场强弱方向的物理量。 如果磁场内各点的磁感应强度大小如果磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。磁场。2. 磁路的基本物理量磁路的基本物理量磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径。磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径。磁路是个闭合路径。磁路是个闭合路径。 磁通（磁通（）：磁感应强度：磁感应强度B与垂直与垂直于磁场方向的面积于磁场方向的面积S的乘积，成为通的乘积，成为通过该面积的磁通。

2、磁通的单位是韦过该面积的磁通。磁通的单位是韦伯伯（wb）。）。 = BS 磁场强度（磁场强度（H）：表示磁场中与磁铁：表示磁场中与磁铁材料无关的磁场大小和方向的物理量。材料无关的磁场大小和方向的物理量。磁场强度的单位是安磁场强度的单位是安/ /米（米（A/m）。）。 H=B/磁感应强度的单位是特斯拉（磁感应强度的单位是特斯拉（T） 磁导率（磁导率（） ：是用来衡量物质导磁：是用来衡量物质导磁能力的物理量，单位是亨能力的物理量，单位是亨/米米(H/m) 真空磁导率真空磁导率 0 =410 7H/m 相对导磁系数相对导磁系数 r=/0 若若 r = 1 说明是非磁性材料，说明是非磁性材料，。 若若

3、 r 1 说明是磁铁材料。说明是磁铁材料。二、磁性材料的磁性能二、磁性材料的磁性能1. 高导磁性高导磁性 磁性材料之所以具有高导磁性是磁性材料之所以具有高导磁性是因为内部具有磁畴结构。因为内部具有磁畴结构。磁畴磁畴：由于磁性材料的分子之间有由于磁性材料的分子之间有一种特殊的作用而使每一区域内一种特殊的作用而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐，显示磁的分子磁铁都排列整齐，显示磁性，这些区域称为磁畴。性，这些区域称为磁畴。磁畴：磁畴： 在无外磁场时磁在无外磁场时磁畴任意排列，处于畴任意排列，处于无序状态，对外不无序状态，对外不显磁性。显磁性。 在有外磁场作用在有外磁场作用时，磁场就顺外磁时，磁场就顺

4、外磁场方向转向，形成场方向转向，形成一个很强的与外磁一个很强的与外磁场方向一致的磁化场方向一致的磁化磁场，磁铁材料被磁场，磁铁材料被磁化。磁化。2. 磁饱和性磁饱和性 磁化磁场不会随着磁化磁场不会随着外磁场的增加而无限外磁场的增加而无限地增加，当外磁场增地增加，当外磁场增加到一定值时，全部加到一定值时，全部磁畴的方向都已与外磁畴的方向都已与外磁场的方向一致，这磁场的方向一致，这时磁化磁场不在增强，时磁化磁场不在增强，B达到最大值，这一特达到最大值，这一特性称为磁饱和性。性称为磁饱和性。HBOabc当磁铁材料在交当磁铁材料在交变磁场作用下，变磁场作用下，将受到交变磁化将受到交变磁化, ,曲线如图

5、。曲线如图。HB磁滞曲线磁滞曲线3. 磁滞性磁滞性可见，当可见，当H 为零时，为零时， 滞后一些时间才能到滞后一些时间才能到零值，这段为磁铁材零值，这段为磁铁材料的磁滞性。料的磁滞性。 当当H到零时，铁到零时，铁磁材料在磁化时所磁材料在磁化时所获得的磁性不能完获得的磁性不能完全消失，还要保留全消失，还要保留一定的磁性，这种一定的磁性，这种磁性称为剩磁磁性称为剩磁Br 。 使使B=0的的H值，即值，即HC 称为矫顽磁力。称为矫顽磁力。BrHC软磁材料：软磁材料：具有较小的具有较小的Br 和和HC 磁滞磁滞回线较窄，它的导率很高，一般用回线较窄，它的导率很高，一般用来制作电极，变压器等的磁心。来制

6、作电极，变压器等的磁心。硬磁材料：硬磁材料：具有较大的具有较大的Br 和和HC 磁滞磁滞回线较宽，它们被磁化后，剩磁不回线较宽，它们被磁化后，剩磁不易消失，一般用来制造永久磁铁。易消失，一般用来制造永久磁铁。磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类：磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类： 全电流定律全电流定律 磁路欧姆定律磁路欧姆定律 在磁路中，磁场强度在磁路中，磁场强度H沿任何一闭合沿任何一闭合路径的线积分，等于包围在闭合回路内各路径的线积分，等于包围在闭合回路内各电流的代数和。电流的代数和。dLHlI 其中，凡是电流的方向与总积分路程其中，凡是电流的方向与总积分路程的方向符合右手定则的取正，反之取

7、负。的方向符合右手定则的取正，反之取负。一、全电流定律一、全电流定律 若材料单一，结构均匀若材料单一，结构均匀IxHS H L = I N 若材料、结构分段均匀若材料、结构分段均匀1nkkkH LIIN IHL1L2L3L4二、磁路欧姆定律二、磁路欧姆定律INEIR电动势电动势E磁动势磁动势 F=IN电流电流I磁通磁通电压电压U=E磁压磁压F=HL电阻电阻R=l /S r磁阻磁阻Rm=L / S电路欧姆定律电路欧姆定律 I =U/ R磁路欧姆定律磁路欧姆定律 =F/ RmRm=L/S 称为磁阻称为磁阻 磁通磁通与磁动势与磁动势F成正比，与磁阻成反成正比，与磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律。比，这

8、就是磁路欧姆定律。注意：注意：由于磁铁材料的磁导率由于磁铁材料的磁导率不是常不是常数，所以数，所以Rm不是常数。所以磁路欧姆不是常数。所以磁路欧姆定律一般用于定性分析磁路，而不是定律一般用于定性分析磁路，而不是直接通用于计算磁路。磁路的定量计直接通用于计算磁路。磁路的定量计算要用全电流定律辅以物质的磁化曲算要用全电流定律辅以物质的磁化曲线来进行。线来进行。例例1、在铁心线圈中通直流电，在铁心线圈中通直流电，N=1000匝，磁路平匝，磁路平均长度均长度L=30cm，截面积，截面积S=10cm2，工作点上相对，工作点上相对磁导率磁导率r=1137。与在铁心中建立磁通。与在铁心中建立磁通=0.001

9、Wb，电流电流I=？INSL解：解：40.001T1T1010BS 7r01A/m700A/m1137 4 10BBH 由由H L=I N27003010A0.21A1000I 例例2、均匀无分支磁路，均匀无分支磁路，S、L、N一定，若磁路中一定，若磁路中B保持不变，试分析用磁导率高的材料作铁心时，保持不变，试分析用磁导率高的材料作铁心时，所需激励电流比用磁导率低的材料作铁心时是增所需激励电流比用磁导率低的材料作铁心时是增加还是减少了？加还是减少了？解：解：S一定，一定，B 不变不变 =BS 不变不变磁阻磁阻Rm=L / S ， L、S不变不变 Rm与与成反比成反比磁路欧姆定律磁路欧姆定律 =

10、I N / Rm， Rm ， 当铁心线圈的励磁电流为直流时成当铁心线圈的励磁电流为直流时成为直流铁心线圈，当励磁电流为交流时，为直流铁心线圈，当励磁电流为交流时，就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电磁关系是分析交流电机、变压器等电器磁关系是分析交流电机、变压器等电器的基础。的基础。1. 各物理量之间的关系各物理量之间的关系一、交流铁心线圈一、交流铁心线圈电磁关系如下：电磁关系如下：ui (iN)iR ：主磁通：主磁通 漏磁通漏磁通iue eddeNt ddeNt Em =2 f N mE =Em / = 4.44 f NmU E = 4.44 f Nm2例、例、

11、已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平均磁路长度均磁路长度L=20cm，截面积，截面积S=7cm2，N=1000匝，匝，接在工频接在工频f =50Hz交流电路中，测得线圈的电压有交流电路中，测得线圈的电压有效值为效值为192V。试求。试求: 1）主磁通）主磁通m；2）磁感应强）磁感应强度度Bm；3）励磁电流）励磁电流I 。解：解：把镇流器相当一个铁心线圈，则：把镇流器相当一个铁心线圈，则： U4.44f Nmm=U4.44f N =1924.44501000 Wb =8.6510- -4 WbBm= mS = 8.6510- -4710- -4 T=1.2

12、4T查硅钢磁化曲线得：查硅钢磁化曲线得：Hm=0.6103A/mm120A0.085A221000H LIN 铁心线圈的功率损耗主要有两部分：铁心线圈的功率损耗主要有两部分： 铁心线圈电路的铁损铁心线圈电路的铁损 磁滞损耗磁滞损耗Ph 铁损铁损 涡流损耗涡流损耗PePFe=Ph+Pe涡流损耗涡流损耗Pe : :磁铁材料既导磁又导电，在交变磁铁材料既导磁又导电，在交变磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡

13、流损耗。为涡流损耗。ic 为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。 另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在较此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在较小的截面内流过；小的截面内流过；iic 交流铁心线交流铁心线圈的铁心都选圈的铁心都选用法。用法。0.5mm或或0.35mm 厚厚的彼此绝缘的的彼此绝缘的硅钢片叠成。硅钢片叠成。UIR IU二、二、 直流铁心线圈直流铁心线圈直流磁路的特点直流磁路的特点: : U

14、恒定恒定I恒定恒定磁动势磁动势 F=IN恒定恒定m()FR 磁通和磁阻成反比磁通和磁阻成反比（线圈中没有反电动势）（线圈中没有反电动势）( R 为线圈的电阻为线圈的电阻 ) 恒定的磁通在铁心中没有磁滞损恒定的磁通在铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗。耗和涡流损耗。 PFe = 0 2. .直流励磁电流的大小取决于线端直流励磁电流的大小取决于线端 电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及气隙大小等）无关，而交流励磁电流的气隙大小等）无关，而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定。大小则主要由磁路的性质决定

15、。 3. .交流磁路的磁通基本上由线圈电交流磁路的磁通基本上由线圈电 压决定，与磁路的性质无关，而在直压决定，与磁路的性质无关，而在直 流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通的大小与磁路的磁阻有关。的大小与磁路的磁阻有关。4. 交流磁路中，在交变磁通的作用下，交流磁路中，在交变磁通的作用下，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变的，所以无铁损。的，所以无铁损。 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器的工作原理变压器的工作原理 变压器的外特性与额定值变压器的外特性

16、与额定值 变压器的极性变压器的极性 变压器是变压器是 用来改变电压大小的一种重用来改变电压大小的一种重要的电器设备要的电器设备, ,它在电力和供电系统中它在电力和供电系统中占有很重要的地位占有很重要的地位, ,在电子技术也得到在电子技术也得到广泛的应用。广泛的应用。变压器用途变压器用途1. 升压送电升压送电2. 降压送电降压送电3. 在电子线路中用作电在电子线路中用作电源变换、传递信号、阻源变换、传递信号、阻抗变换等抗变换等绕组铁心铁心绕组壳式壳式心式心式二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理u2u1i 2i 1电磁关系如下：电磁关系如下：u1 i 1 (i 1N1)e1 = - - N1d

17、/dte2 = - - N2d /dti2 (i 2N2)2 e2 - - L2di2 /dt1e1 = - - L1di 1/dtN1N212e1 e1e2 e2u2u1i2i1N1N21e1e2U1 / U2 =N1/N2 =K所以有：所以有： U1 / U2 = E1 / E2 =N1/N22. .有载运行和电流变换有载运行和电流变换u2u1i2i1N1N212e1e2变压器有载时与无载时一样变压器有载时与无载时一样 U1 / U2 =N1/N2 =Ki1 N1 +i2 N2 = i0 N1由于由于 i0 很小，很小， 忽略不计：忽略不计：i1N1 - - i2N2I1N1 = I2N2

18、 所以一、二次侧的电流有效值所以一、二次侧的电流有效值的关系为：的关系为： I1/I2=N2/N1=1/K3. .阻抗变换阻抗变换i 1u1 Z z = U2 / U1 z= U1 / I1 = K U2 / ( I2 / K) = K2 U2 / I2z=K2z 改变改变K，即可改变，即可改变z实现阻抗变换。实现阻抗变换。Zu1i1i2u2U1 / U2 =N1/N2 =KI1/I2=N2/N1=1/Kz=K2z升压升压 K 1 z z降压降压 K z外特性曲线：外特性曲线： U20I2OU2 U20为空载电压为空载电压U=(U20- -U2)/U20100一般为一般为5左右左右cos(2)

19、 =1cos(2)1 同极性端又称同名端，是指铁心中的磁同极性端又称同名端，是指铁心中的磁通变化时，在该端产生的感应电动势的极通变化时，在该端产生的感应电动势的极性相同，或电流从两个线圈的同极性端流性相同，或电流从两个线圈的同极性端流入时，产生的磁通方向相同，用入时，产生的磁通方向相同，用 或或表示，在使用变压器时，必须知表示，在使用变压器时，必须知道同名端以便正确联接。道同名端以便正确联接。123456781. 当接到当接到220的电源时，的电源时，应将应将2、3相联，相联，1、4与电源与电源两个线圈串联。两个线圈串联。 当接当接110电源时，应电源时，应将将1、3相联相联2、4相联，两线相

20、联，两线圈并联接到圈并联接到110电源上。电源上。2. 若要得到若要得到12的输出时，应将的输出时，应将6、8相联，从相联，从5、 7两个端子输出。两个端子输出。 若要得到若要得到6的输出时，应将的输出时，应将6、7相联，从相联，从5、 8两个端子输出。两个端子输出。解：解： 灯泡是一个纯电阻的负载，功率因数为灯泡是一个纯电阻的负载，功率因数为1， 所以：所以： P =U2I2 I2 =P/U2 =60/36 A=1.67A K =U1/U2=380/60=10.56 I1 =I2/K =(1.6736)/380 A=0.158A 灯泡的电阻灯泡的电阻 : R =U22/P = 362/ 60 =21.6例例1、有一变压器，有一变压器，U1 =380V，