第6章磁路与铁心线圈电路

电工学（第七版）电子教案沈阳航空航天大学电工教研室第6章磁路与铁心线圈电路电子教案沈阳航空航天大学电工教研室第6章磁路与铁心线圈电路6.2交流铁心线圈电路6.3变压器6.4电磁铁

6.1磁路及其分析方法2.了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，理解变压器额定值的意义;3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用;4.了解三相电压的变换方法;本章要求：第6章磁路与铁心线圈电路5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。1.理解磁场的基本物理量的意义，会分析计算交流铁心线圈电路;在很多电工设备（如变压器、电机、电磁铁、电工测量仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对以上电工设备进行全面分析。在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。磁路问题与磁场和磁介质有关，而磁场往往与电流相关联，所以本章将研究磁路和电路的关系及磁和电的关系。本章讨论对象将以变压器和电磁铁为主，重点研究其电磁特性，为以后研究电动机的基本特性作基础。磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应

电流的磁效应是：只要导线中有电流就会在其周围产生磁场，即所谓的电生磁。一般用磁感应线（磁力线）来描述磁场。如图所示：磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应大拇指方向表示导线电流方向四指回转方向表示磁感线方向。右手螺旋定则：大拇指方向表示导线电流方向四指回转方向表示磁感线方向。右手螺旋定则：磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应右手螺旋定则：磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应

四指回转方向表示线圈电流方向大拇指方向表示线圈内部磁感线方向。磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量①、磁感应强度B

为了表征磁场的特性，常用磁感应强度B来表示磁场的强弱。磁感应强度B是一个矢量，磁场中任一点的磁感应强度B

的方向是通过该点磁感应线的切线方向，磁感应强度B的大小为通过该点与B垂直的单位面积上磁感应线的数目。B=ΦAWb/m2

磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量①、磁感应强度B②、磁通量Φ

穿过某一截面积A的磁感应线的数目称为磁感应通量，简称磁通量。

对于均匀磁场磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量①、磁感应强度B②、磁通量Φ③、磁场强度H

μ0=4π×10－7H/m

H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②

B与电流的大小和介质的性质均有关。单位：A/m磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量②、磁路定律2、基本电磁定律①、电路定律KCL、KVL和VCR磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第二定律磁路欧姆定律磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量2、基本电磁定律3、电磁感应定律

变化的磁场会产生电场，是导体中产生感应电动势，这就是电磁感应现象。在我们的学习中有下面的两个方面：

（1）导体与磁场有相对运动，导体切割磁力线时，导体内产生感应电动势，称为切割电动势。

（2）线圈中的磁通变化时，线圈内产生感应电动势，称为变压器电动势。磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量2、基本电磁定律3、电磁感应定律②、变压器电动势①、切割电动势磁学的基本知识和基本定律1、磁场的基本知识a、电流的磁效应b、磁场的几个物理量2、基本电磁定律3、电磁感应定律4、电磁力定律6.2

交流铁心线圈电路2．交流铁心线圈电路铁心线圈分为两种：1．直流铁心线圈电路直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U下，线圈电流I只与线圈的R有关，P也只与I2R有关，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。

交流铁心线圈通交流电来励磁（如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈）。其电压、电流等关系与直流不同，下面我们就来讨论之。6.2

交流铁心线圈电路6.2.1电磁关系–+e–+e+–ui(磁通势)主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感与I不是线性关系。6.2

交流铁心线圈电路6.2.1电磁关系–+e–+e+–ui线圈铁心6.2.2电压电流关系式中：R是线圈导线的电阻

L是漏磁电感

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：6.2

交流铁心线圈电路6.2.1电磁关系–+e–+e+–ui线圈铁心6.2.2电压电流关系设主磁通则有效值6.2

交流铁心线圈电路6.2.1电磁关系–+e–+e+–ui线圈铁心6.2.2电压电流关系有效值

由于线圈电阻

R

和感抗X(或漏磁通)较小,其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]；A是铁心截面积，单位[m2]。6.2.3功率损耗交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.铜损(Pcu)在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu

表示。Pcu

=RI2式中：R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值。2.铁损(PFe)在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe

表示。它与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比。铁损由磁滞和涡流产生。(1)磁滞损耗(Ph)由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Ph

)

。磁滞损耗的大小：交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。

磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。(2)涡流损耗(Pe

)涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。

涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。由此可见所以，在铁心线圈电路中Bm不能取的太大。（为什么?）一般取0.8-1.2T。如何减少涡流损耗呢？(2)涡流损耗(Pe

)涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。

涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率(通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。铁心线圈交流电路的有功功率为：6.3

变压器

变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统

变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器

变压器的主要功能有：在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos

一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）6.3.1概述UIP=I²RlIA电力工业中常采用高压输电，以减小远距离传输中的线路损耗。在到达目的地后，再由配电变压器降低电压等级，以降低电气设备的绝缘等级和保证用电安全。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…实验室380/220V降压变电站

10kV降压降压变压器的分类电力变压器(输配电用)电压互感器电流互感器按用途分仪用变压器整流变压器按相数分单相变压器三相变压器按制造方式壳式心式干式变压器

高燃点全密封变压器

330KV变压器

树脂浇注干式变压器单相变压器变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心单相变压器6.3.2

变压器的工作原理一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。一次绕组N1二次绕组N2铁心单相变压器(1)空载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。i0(i0N1)1空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。+–+–+–+–1+–(2)带负载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源，二次侧接负载。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

22i2+–e2+–e2+–u2Z有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2.电压变换（设加正弦交流电压）有效值:同理：主磁通按正弦规律变化，设为则(1)一次、二次侧主磁通感应电动势变压器一次侧等效电路如图绕组电阻R1和漏磁通较小,其两端的电压也较小,忽略不计,则(2)一次、二次侧电压变压器空载时:变压器空载电压（匝比）K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。故有变比在变压器的名牌上标注，它表示一、二次绕组的额定电压值比，例如：

“6000/400V”(K=15)由于变压器有内阻抗压降,所以,二次绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5%~10%。

二次绕组的额定电压

(指一次绕组加额定电压时，二次绕组的空载电压)

U2N=400V表明一次绕组的额定电压

(一次绕组上应加的电源电压)U1N=6000V三相电压的变换三相变压器焊机变压器(1)三相变压器的结构3.电流变换有载运行当U1、f不变，则m基本不变，近于常数。空载：有载：由磁势平衡式：空载磁势有载磁势一般情况下：I0一般为10%I1N以内很小可忽略。结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：磁势平衡式：所以4.阻抗变换由图可知：结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍。

(1)

变压器的匝数比应为解:例1:

如图,交流信号源的电动势E=120V,内阻R0=800,负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:(1)当RL折算到原边的等效电阻时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？信号源的输出功率为电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。原因：满足了最大功率输出的条件：(2)将负载直接接到信号源上时，输出功率(1)变压器的型号5.变压器的铭牌和技术数据SJL1000/10

变压器额定容量(KVA)

铝线圈

冷却方式J:油浸自冷式F:风冷式相数S:三相D:单相

高压绕组的额定电压(KV)(2)额定值额定电压U1N、U2N

变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N，一次侧电压，

U2N，二次侧空载时的电压三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压

额定电流I1N、I2N

变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流

额定容量

SN

传送功率的最大能力。单相：三相：容量SN

输出功率P2

一次侧输入功率P1

输出功率P2注意：变压器几个功率的关系(单相)效率容量：一次侧输入功率：输出功率：变压器运行时的功率取决于负载的性质(2)额定值6.3.3变压器的外特性与效率1.变压器的外特性当一次侧电压U1和负载功率因数cos2保持不变时，二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系，U2=f(I2)。

U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2

变化不大)，电压变化率约在5%左右。电压变化率：cos2=0.8（滞后）U2I2U20I2Ncos2=1O电压变化率越小，供电电压稳定性越好。2.变压器的效率()变压器的损耗包括两部分：铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。与负载大小（正比于电流平方）有关。

铁损(PFe)：变压器的效率一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时,最大。输出功率输入功率磁滞损耗：涡流损耗它与铁心内磁感应强度的最大值Bm

的平方成正比。与负载大小无关。AXax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。••1.同极性端(同名端)或者说，当铁心中磁通变化时，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。同极性端用“•”表示。增加+–+–同极性端和绕组的绕向有关。6.3.4

变压器绕组的极性•AXax++––•联接

2－3变压器原一次侧有两个额定电压为110V的绕组：2.线圈的接法

联接

1－3，2－4当电源电压为220V时：+–+–电源电压为110V时：1324••1324

••ii使用时，改变滑动端的位置,便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。6.3.5

特殊变压器1.自耦变压器被测电压=电压表读数N1/N22.电压互感器实现用低量程的电压表测量高电压其中：一次电压U1N是电网的额定电压,且已标准化(如10,35,110，220,330,500千伏等),

二次电压U2N,一般设计为100伏。电压表U1N/U2N

=K被测电压=电压表读数N1/N22.电压互感器实现用低量程的电压表测量高电压电压表1.二次侧不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现高压。使用注意事项：JDZ-15电压互感器JDZ2-1浇注式电压互感器JDJ2-35油浸式电压互感器JZW-12型电压互感器被测电流=电流表读数N2/N1(1)二次侧不能开路，以防产生高电压；(2)铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过压。使用注意事项：3.电流互感器实现用低量程的电流表测量大电流二次线圈额定电流I2N一般为5安。电流表电流互感器钳式电流表支持式电流互感器穿墙式电流互感器6.4

电磁铁1.概述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。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。根据使用电源类型分为：直流电磁铁：用直流电源励磁；交流电磁铁：用交流电源励磁。2.基本结构电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。铁心衔铁线圈线圈衔铁铁心衔铁有时是机械零件、工件充当衔铁线圈铁心3.电磁铁吸力的计算电磁铁吸力的大小与气隙的截面积A0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。基本公式如下：式中：B0的单位是特[斯拉]

A0的单位是平方米

F的单位是牛[顿](N)直流电磁铁的吸力直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。交流电磁铁的吸力交流电磁铁中磁场是交变的，设则吸力瞬时值为:式中：为吸力的最大