电工电子技术-磁路与铁心线圈电路

1、电工电子技术-磁路与铁心线圈电路第1页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五2第6章 磁路与铁心线圈与电路6.1 磁路及其分析方法6.2 交流铁心线圈电路6.3 变压器6.4 电磁铁第2页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五3磁路：主磁通所经过的闭合路径。i 线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通铁心（导磁性能好 的磁性材料）线圈6.1.1 磁场的基本物理量6.1 磁路及其分析方法第3页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五4磁路的基本物理量及相互间的关系SBF=复习磁感应强度（磁通密度）：B：单位：特斯拉（T）磁通：F

2、：单位：韦伯（Wb）磁动势：F：单位：安（A）磁场强度：H：单位：安/米（A/m）磁导率：单位：亨/米（H/m）F=N IlHN I=表征各种材料导磁能力的物理量mBH=第4页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五5 真空中的磁导率( )为常数0m称为这种材料的相对磁导率 一般材料的磁导率m和真空中的磁导率mr之比，则称为磁性材料，则称为非磁性材料-70104=pm非磁性材料：磁导率低，如真空、空气；磁性材料：磁导率高，如铁磁物质。第5页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五66.1.2 磁性材料的磁性能分子中的电子环绕原子核运动和本身的自转运动形成分子电流，分

3、子电流产生磁场。磁性物质内，分成许多小区域，分子间的特殊作用力使每个区域内的分子磁铁排列整齐，显示磁性，称为：磁畴。磁筹在没有外电场作用时，各磁筹排列混乱，磁场互相抵消，对外不显磁性。第6页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五7B0在铁心上绕上线圈，通入电流，产生磁场： B0 B0：以空气为介质产生的磁感应强度。B0Bj在外磁场的作用下，磁筹就顺向外磁场的方向，显示出磁性，产生很强的磁化磁场。B0外电流越大，磁化磁场越大，当外电流增大到一定值时，磁筹全部转向外磁场的方向， Bj最大。Bj第7页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五8结论：（1）、用铁磁材料作磁

4、路时，通入不大的励磁电流，可产生足够大的磁通和磁感应强度。（2）、用铁磁材料作磁路时，可以做成大电感。非磁性材料没有 磁筹的结构，不具有磁化的特性。第8页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五9H（4）铁磁材料的不是常数，随电流变化。（5）铁心线圈的电感是随电流变化的。铁心线圈是非线性电感。（3）磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强，当外磁场增大到一定值时，全部磁筹的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时：磁化磁场的磁感应强度， Bj即达到饱和值。第9页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五10非线性！m不是常数矫顽力矫顽力剩磁剩磁磁滞

5、性磁饱和非线性磁性材料的磁性能非线性；高导磁性；磁饱和性；磁滞性。基本磁化曲线：B=f（H）或 F =f（I）H（I）B（ F）0baB （ F）H （I）ti励磁电流励磁电流ti001122334455661第10页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五11 根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。B （ F）H （I）B （ F）H （I）B （ F）H （I）第11页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五12对于均匀磁路6.1.3

6、磁路及其基本定律则： INSL由于磁性材料 的 不常数，磁路欧姆定律只用作定性 分析，不做定量计算。slRm=令：Rm 称为磁阻mRlSNIF=注意！一、磁路的欧姆定律：第12页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五13磁路和电路的比较磁通磁压降Hl磁动势INF=电动势电流电压降UEI电路R+_EIU磁路IN 磁阻SlRm=电阻SlRr=mRF=欧姆定律REI=欧姆定律第13页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五14F 反映通电线圈励磁能力的大小Rm 表示磁路的材料对磁通起阻碍作用的物理量。反映磁路导磁性能的强弱，它只与磁路的尺寸， 材料的导磁率有关。对于不同

7、材料或不同截面组成的几段磁路磁路的总磁阻为各段磁组之和第14页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五15INF=SlRmm=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大小第15页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五16对带有空气隙的磁路l1 、 1l2 、 20.5l0Rm0中，虽然l0很小，但0很小，因此Rm0很大，使整个磁路的磁阻大大增加。I不变：Rm大 小不变：Rm大 I大第16页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五17二、直流磁路的分析计算已知磁路的材料和尺寸及要求磁路中达到的磁感应强度，计算磁动势或励磁电流。对于

8、均匀磁路：各段磁路的磁通相等步骤：1、根据各段磁路的截面积计算各磁感应强度B；2、根据各段磁路的磁感应强度B查磁化曲线，得各段磁路的H；气隙磁路：3、计算各段磁路的磁压降：Hl4、第17页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五18例：一环型铁心线圈，尺寸如图示，铁心材料为铸钢，磁路中含有长度为两厘米的空气隙。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均长度为L=(10+15)/2*3.14=39.2cm铸钢磁路的长度为L1=39.2-0.2=39cm查表磁化曲线,当B=0.9T时，H=500A/m，于是H1L1=

9、5003910-2=195A对空气隙H0L0= L0 B0 / 0 =1440ANI=H1L1+ H0L0 =1635A?第18页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五19励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流。（线圈中的电流）6.2 铁心线圈分类：直流铁心线圈交流铁心线圈励磁电流为直流电励磁电流为交流电第19页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五20直流铁心线圈励磁电流为直流：RUI=（R 为线圈的电阻）IUU一定I一定，与磁路特性无关；磁动势恒定：F=N I磁通：)(mRF=Rm一定 一定，恒定磁通，无感应电动势产生；功率损耗：P= I2R只由线圈中的电流和

10、线圈电阻决定。第20页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五21直流电磁铁磁路如图示。分在衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。IU1）因电流只与电源电压和线圈电阻有关，所以，吸合前后电流不变：I=U/R2）因磁动势一定，F=NI吸合前，磁路中气隙大，磁阻大， 小；吸合后，磁路中气隙小，磁阻小， 大。)(mRF=例2第21页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五22：主磁通：漏磁通usesei交流铁心线圈交流励磁： 线圈中上加正弦交流电压，励磁电流为交流电流 产生交变磁通 在线圈中产生感应电动势usi （i N）e= -Ndd te s = -Nd sd t电流与

11、磁通方向符合右螺旋法则6.2.1 电磁关系第22页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五23电路方程：eeuuR-+-+=)()(s ：漏磁通，很小；R：线圈电阻， 很小，6.2.2 电压电流关系usesei假设则tfNmcos2=最大值有效值mmfNUU44.42=tNumcosmmfNU2第23页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五246.2.3 功率损耗 P=Pcu+ Pfe 铜损：Pcu =I2R铁损： Pfe = Ph+ Pe Ph：磁滞损耗： 铁心材料的磁滞回线面积采用软磁性材料做铁心可以减少磁滞损耗。Pe：涡流损耗：与铁心的截面积、电源频率、磁感

12、应强度有关。采用顺磁场方向的硅钢片叠成的铁心可以减少涡流损耗。第24页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五25交流铁心线圈的有功功率第25页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五26mNfU44.4 当外加电压U、频率 f 与线圈匝数N一定时， 便一定。m 3.交流磁路的特点mR 一定，磁动势IN 随磁阻 的变化而变化；mmRIN=第26页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五27uiX0R0RX线圈铁心 6.2.4 等效电路:将铁心线圈的交流电路等效成一个不含铁心的交流电路。非线性电感线性电感等效条件：u不变时，P，i及各物理量之间的相位 关

13、系不变。第27页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五28uiX0R0RcuX线圈铁心RCu: 线圈电阻。X: 漏磁通引起的感抗。R0: 铁心电阻。X0: 铁心存储能量引起的感抗。第28页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五29在吸合过程中若外加电压U不变,则 不变。iumRIN=电磁铁吸合后(气隙小） 小 电流小。mR如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 交流电磁铁磁路如图示。分析在衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。电磁铁吸合前(气隙大） 大 电流大； mR例3注意！第29页，共66页，2022年，5月

14、20日，5点11分，星期五30(U不变，I不变）( I 随 Rm 变化）（ U不变时， 基本不变）直流磁路交流磁路磁路小结（随Rm变化）第30页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五31变压器功能：变电压：电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器） 变电流：电流互感器 6.3 变压器第31页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五32 发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站 1万伏降压 变压器应用举例降压实验室380 / 220伏降压仪器36伏降压第32页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五33单相变压器铁芯原边绕组副边绕

15、组一、 变压器的结构铁心：变压器的磁路。高、低压绕组.原边（一次绕组）：接电源的绕组副边（二次绕组）：接负载的绕组变压器符号：第33页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五34三相变压器三相变压器有三个原边绕组和三个副边绕组。高压侧联接成Y形：可以降低绕组绝缘的要求。低压侧联接成形：可以减小绕组导线的截面积。常用：Y/Y0 、Y/ 原副边的电压之比为相电压之比第34页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五35二、 工作原理工作过程u2i1 N1u1i2 N2参考方向的确定： 原边是电源的负载； 副边是负载的电源；N1N2e1e2 原、副边的e与符合右螺旋法则；第

16、35页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五36空载运行 ：原边接入电源，副边开路。接上交流电源原边电流 i1等于励磁电流 i10 产生感应电动势1i i10 产生磁通 （交变）e,方向符合右螺旋法则1.电压变换注意第36页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五37结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比根据交流铁心线圈的电磁关系分析可得：mNfE1144.4=U1mNfE2244.4=U21u第37页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五38有载运行 ：副边接入负载。E1 U1E2 U2忽略线圈电阻和漏磁通的影响所以，电压比为第38页，共6

17、6页，2022年，5月20日，5点11分，星期五392.电流变换ZNiNiNi102211+因为：空载时：励磁电流是： i10磁动势是： i10N1有载时：励磁电流是： i1 与 i2 磁动势是： i1N1 +i2N2所以：当电源电压的大小和频率一定时，铁心中的磁通大小一定。产生同样磁通的磁动势相等磁势平衡方程式：44.411mNfU第39页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五40由于变压器铁芯材料的导磁率高，空载励磁电流很小，可忽略 。10i 0Z0+11NI22NI11NI22NI -NiNiNi102211+即：第40页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星

18、期五411）原、副边电流的大小与匝数成反比；结论2）副边电流对原边电流起去磁作用；3）副边电流取决于负载，原边电流取决于副边电流。ZRL i2 i1 负载电阻增大时，原边电流如何变化？第41页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五42LZ3. 阻抗变换22IUZL=u1i122222211KZKIUKIKUIUZLL=第42页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五43信号源电动势E= 80V ， 内阻R0=400 ，负载电阻RL=4。1）负载直接接在信号源上时，信号源的输出功率。1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为： 例2求：2）阻抗匹配时变压器的变比及

19、输出功率功率。解：2）阻抗匹配时应使RL=R0将负载通过变压器接到信号源上变换阻抗。第43页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五44ELR1N2NR0输出功率为：21=10NNK则变比： LLRKR2=400第44页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五45220/110V的变压器的原副线圈的匝数为1000/500匝，如把原幅边匝数变成2/1匝，行不行？不行。U1不变N1mH（I）B（F）mI1磁化曲线I1烧毁线圈例3第45页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五46变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNNNNIUIUS2211=（理

20、想）（以单相变压器为例） 三、 变压器的主要技术指标变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。1） 额定电压U1N/U2N2） 额定电流I1N/I2N3） 额定容量SN变压器输出的额定视在功率。三相变压器中，额定电压和额定电流都指线电压、线电流。单相：三相：第46页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五47变压器输出功率与输入功率的比值。4） 额定效率N5） 额定频 率fN电源的工作频率。50Hz第47页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五48四、变压器的外特性u2考虑副边的线圈电阻R和的影响，u2e2u1不变i2增大e增大uR增大u2降低变压器的外

21、特性：变压器副边输出电压u2随电流i2变化的曲线第48页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五49)(22IfU=U2I2U20I2U2外特性：cos2=1cos21 负载的功率因数越低，U2下降越大，感性负载具有去磁的作用。U2I2U20I2NU2NUU=U20 - U2U20100%电压调整率：一般为5%左右。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不多）第49页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五501.自耦变压器P五、 特殊变压器使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。注意 原、副边千万不能对调使用。 公共绕组部分不能断开。 公共端

22、不能接火线。为什么？特点：（1） N2连续可调，U2连续可调； （2）不是安全变压器。第50页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五51火零220vPab12v（1）插头正插： 插头反插：（2）原副线圈公共部分断开时：普通变压器，原副边没有电联系。第51页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五522.电流互感器（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数 N2/N11） 副边不能开路，以防产生高电压；使用注意事项：用低量程的电流表测大电流2） 铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。第52页，共66页，202

23、2年，5月20日，5点11分，星期五53六、 变压器的同极性端1.同极性端(同名端)当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相 同，则两个流入(或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。AXax*AXax*Z*第53页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五54 联结 23，顺串1324*串联顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加；反串：两同名端相连，相当于两匝数相减； 联结 13，反串并联同名端两两相连。1-3连，2-4连2. 线圈的正确连接第54页，共66页，2022年，5月20日，5

24、点11分，星期五55220V：联结 2 3，1-4接电源。励磁两种接法下线圈工作情况的分析：*1324两线圈的额定电压为110V，若接于220V的电源，应如何连接？220v若1-3连接，2-4接电源，可能出现什么现象？第55页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五56在极性不明确时，一定要先测定极性再通电！两个线圈中的磁通抵消烧毁感应电势电流 很大*1324注意第56页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五57110V：联结 1 3，2 41,32,41324*励磁若1-4、2-3分别连接后接电源，两线圈产生的磁通相互抵消，无感应电动势产生，110V电压将全部降

25、在线圈电阻上，线圈将被烧毁。若异名端两两相连，会出现什么现象？第57页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五58*两个副边绕组可以产生几种电压？I单独输出：6VII 单独输出：8V6V8VIII12342、3相联，顺串：14V2、4相联，反串：-2V第58页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五591直流小电压直流电流表+_2A34+Z变压器的原副边同名端的讨论电压相对于同名端方向相同。电流相对于同名端方向相反。*副边电流对原边电流起去磁作用。合上开关， 1的极性为“+”，若电流表正向偏转，则3的极性也为“+”，1、3为同名端。若电流表反向偏转，1、4是同名端。第59页，共66页，2022年，5月20日，5点11分，星期五606.4 电磁铁结构：铁心、绕组、衔铁IU工作原理：线圈通电产生电磁力吸合衔铁线圈断电电磁力消失释放衔铁应用：工业控制线圈铁心衔铁气隙电磁吸力：f =1078B02S0 （牛顿）经验公式气