磁路与铁芯线圈电路

项目三磁路与铁芯线圈电路磁路的基础知识3.1交流铁芯线圈电路3.2变压器3.3几种常见的变压器3.42023/2/213.1磁路的基础知识3.1.1磁场的基本物理量3.1.2铁磁材料的磁性能3.1.3磁路的基本定律2023/2/223.1.1磁场的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。若磁场内各点磁感应强度大小相等,方向相同,则为匀强磁场.在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（T），简称特。2.磁通在匀强磁场中，磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积，称为通过该面积的磁通,在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。在国际单位制中，单位是韦伯(Wb)2023/2/233.1.1磁场的基本物理量3.磁导率磁导率是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米（）。任意一种物质的磁导率与真空的磁导率之比称为相对磁导率。4.磁场强度磁场强度是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量，为了从磁感应强度中除去磁介质的因素。2023/2/243.1.2铁磁材料的磁性能物质按其导磁性能可分为两大类。一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴等，这类材料的导磁性能好，磁导率值大；另一类为非铁磁材料，如铜、铝、纸、空气等，此类材料的导磁性能差，磁导率值小（接近真空的磁导率）。2023/2/25铁磁材料是制造变压器、电动机等各种电工设备的主要材料。铁磁材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有很大影响。铁磁材料的磁性能主要表现为高导磁性、磁饱和和磁滞性。3.1.2铁磁材料的磁性能2023/2/26磁芯线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞性；当H减为零时B并不为零。

磁导率可达102~104，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。

B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。高导磁性磁滞性和剩磁性磁饱和性：3.1.2铁磁材料的磁性能1.高导磁性铁磁材料具有很强的导磁能力,在外磁场作用下,其内部的磁感应强度会大大增强.相对磁导率可达102~104

铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。3.1.2铁磁材料的磁性能2023/2/28

铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。

磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。使铁磁才材料内的磁感应强度大大增强.这就是磁化现象.（a）无外磁场情况（b）有外磁场情况2023/2/292.磁饱和性铁磁材料磁化过程中,随着励磁电流的增大,外磁场和附加磁场都将增大.但当励磁电流增大到一定值时，几乎所有磁畴都与外磁场方向一致,附加磁场磁感应强度不能继续增强,这种现象称为磁饱和现象.3.1.2铁磁材料的磁性能2023/2/210BHBHBHBH(A)(B)(C)(D)2023/2/211磁化曲线大致分为四段开始M的增加比较缓慢后来增加较快之后又慢下来,最后达到饱和磁感应强度(Bs）附点,漆点,饱和点2023/2/212磁化曲线磁导率μ是B-H曲线上的斜率铁刺材料的磁化起始段和饱和段μ值都不大,但在漆点附近达到最大值.所以,电器工程上通常要求铁刺材料工作在漆点附近.2023/2/2133.磁滞性

芯线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞性；当H减为零时B并不为零。3.1.2铁磁材料的磁性能BHHcBsBrIuφ电路部分磁路部分2023/2/214磁滞回线饱和饱和当H减小到零时，M＝Mr，，表示材料在无外磁场时仍保持了一定程度的磁性。称为剩磁.如果要除掉剩磁,使M＝0，则必须加上一反向磁场Hc，Hc称为矫顽力。表示铁刺材料反抗退磁的能力退磁过程中M(或B）的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。当反向H继续增加时，最后又可以达到反向饱和点，再沿正方向增加H，则又通过另一条途径达到正向饱和点。在交变磁场的每一周内，M(B)-H曲线构成一个封闭回路，这个回路曲线称为磁滞回线。2023/2/215磁滞回线与磁畴的关系磁滞现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。2023/2/216磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性；3.1.2铁磁材料的磁性能2023/2/217退磁方法你知道么?(1)加热法

当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度Tc。当温度低于Tc时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度Tc=770℃，30%的坡莫合金居里温度Tc=70℃原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。(2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。(3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc,使铁磁质退磁。(4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。2023/2/218铁磁材料分类根据铁磁质的矫顽力的大小，将磁性材料分成软磁、硬磁和矩磁材料(1)软磁材料具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化象软铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。2023/2/219软磁材料主要应用制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件和存储元件等。磁屏蔽器件2023/2/220(2)硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。2023/2/221硬磁材料主要应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。2023/2/222(3)矩磁材料----铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性。磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，剩磁接近于磁饱合磁感应强度具有高磁导率、高电阻率由Fe2O3和其他二价的金属氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合烧结而成。

在两个方向上的剩磁可用于表示计算机二进制中的“0”和“1”，可作磁性记忆元件，如高速存储器。2023/2/2233.2交流铁芯线圈电路3.2.1电磁关系3.2.2功率损耗3.2.3电磁铁2023/2/224

3.2.1电磁关系如图所示是交流铁芯线圈电路，线圈的匝数为N，当在线圈两端加上正弦交流电压时，就有交变励磁电流i流过。设线圈电阻为R。根据磁路定析可得：上式给出了铁芯线圈在正弦交流电压作用下，铁芯中磁通最大值与电压有效值的数量关系。2023/2/225线圈上损耗:铜损

铜损（PGU)：绕组导线电阻所致。要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。铁心中损耗:铁损(磁滞损耗,涡流损耗)3.2.2功率损耗2023/2/2263.2.2功率损耗1.磁滞损耗铁磁材料交变磁化的磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗。它是由铁磁材料内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁心发热而造成的损耗。铁心单位体积内每周期产生的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。为了减小磁滞损耗，交流铁芯均由软磁材料制成。2.涡流损耗铁磁材料在交变磁通的作用下铁芯内将产生感应电动势和感应电流，感应电流在垂直于磁通的铁芯平面内围绕磁力线呈旋涡状，故称为涡流。涡流使铁芯发热，其功率损耗称为涡流损耗，为了减小涡流，可采用硅钢片叠成的铁芯。2023/2/227所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率.3.2.2功率损耗2023/2/2283.2.3电磁铁电磁铁是利用载流铁芯线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。电磁铁主要由线圈、铁心及衔铁三部分组成。当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。电磁铁2023/2/2293.2.4电磁铁在汽车上的应用触点式电压调节器电喇叭2023/2/2303.3变压器3.3.1变压器的基本结构3.3.2变压器的工作原理3.3.3变压器的外特性3.3.4变压器的主要参数2023/2/231电力系统中变压器的使用发电机11kv升压变压器110kv三绕组变压器230kv去系统另一部分降压变压器11kv配电变压器其他负载D2023/2/2323.3变压器利用电磁感应原理传输电能或信号的器件.具有变压,变流,变阻抗和隔离的作用.2023/2/233变压器由铁芯和绕在铁芯上的两个或多个线圈（又称绕组）组成。铁芯的作用是构成变压器的磁路。根据铁芯结构形式的不同，变压器分为壳式和心式两种。

（a）心式（b）壳式3.3.1变压器的基本结构

心式:线圈包围铁心.功率大壳式:铁心包围线圈.可省去保护壳2023/2/234芯式线圈包围铁圈壳式铁心包围线圈2023/2/235下图为一个单相双绕组变压器的原理结构示意图及其图形符号。

两个绕组中与电源相连接的绕组称为一次绕组，又称原绕组或初级绕组。与负载相连接的绕组称为二次绕组,或副绕组或次级绕组.绕组物理量的表示方法

3.3.1变压器的基本结构2023/2/236

1）空载运行和电压变换如图2-37所示,将变压器的原边接在交流电压ｕ1上,副边开路,这种运行状态称为空载运行.3.3.2变压器的工作原理2023/2/237此时副绕组中的电流i2=0,电压为开路电压u20,原绕组通过的电流为空载电流i10,电压和电流的参考方向如图所示。图中Ｎ１为原绕组的匝数,Ｎ２为副绕组的匝数。2023/2/238

副边开路时,通过原边的空载电流i10就是励磁电流。磁动势i10N1在铁心中产生的主磁通Φ既穿过原绕组,也穿过副绕组,于是在原、副绕组中分别感应出电动势ｅ１和ｅ２。且ｅ１和ｅ２与Φ的参考方向之间符合右手螺旋定则,由法拉第电磁感应定律可得2023/2/239ｅ１和ｅ２的有效值分别为式中ｆ为交流电源的频率,Φm为主磁通的最大值。如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压降时,可认为原、副绕组上电动势的有效值近似等于原、副绕组上电压的有效值,即2023/2/240因此由上式可见,变压器空载运行时,原、副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比,Ｋ称为变压器的变比。若改变变压器原、副绕组的匝数,就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压当原绕组的匝数Ｎ1比副绕组的匝数Ｎ２多时,Ｋ＞１,为降压变压器;反之,当Ｎ１的匝数少于Ｎ２的匝数时,Ｋ＜１,为升压变压器。2023/2/241

2）负载运行和电流变换如图2-38所示,变压器的原绕组接交流电压u１,副绕组接上负载ＺL,这种运行状态称为负载运行。2023/2/242由上式可见,当变压器额定运行时,原、副边的电流之比近似等于其匝数之比的倒数。若改变原、副绕组的匝数,就能够改变原、副绕组电流的比值,这就是变压器的电流变换作用。

不难看出，变压器的电压比与电流比互为倒数,因此匝数多的绕组电压高,电流小;匝数少的绕组电压低,电流大。

此时原、副边电流有效值的关系为2023/2/243

例已知某一变压器Ｎ１＝1000,Ｎ２＝100,Ｕ１＝20Ｖ,Ｉ２＝2Ａ,负载为纯电阻,忽略变压器的漏磁和损耗,求变压器的副边电压Ｕ２、原边电流Ｉ１和输入、输出功率。解变压比：副边电压：原边电流：输入功率：输出功率2023/2/244由此可见,当变压器的功率损耗忽略不计时,它的输入功率与输出功率相等,符合能量守恒定律。在远距离输电线路中,线路损耗Ｐl与电流Ｉl的平方乘以线路电阻Ｒl的积成正比,因此在输送同样功率的情况下,如果所用电压越高,电流就会越小,输电线上的损耗越小,可以减小输电导线的截面积,从而大大降低了成本。所以电厂在输送电能之前,必须先用升压变压器将电压升高,传输到用户后,电压不能太高,通常为380Ｖ或220Ｖ,因此要用降压变压器再进行降压。2023/2/245

3）阻抗变换变压器除了具有变压和变流的作用外,还有变换阻抗的作用。变压器原边接电源Ｕ1,副边接负载阻抗|ZL|,对于电源来说,图中虚线框内的电路可用另一个阻抗|Z/L|来等效。2023/2/246所谓等效,就是它们从电源吸取的电流和功率相等。当忽略变压器的漏磁和损耗时,等效阻抗由下式求得2023/2/247式中为变压器副边的负载阻抗。可见,对于变比为Ｋ且变压器副边阻抗为|ZL|的负载,相当于在电源上直接接一个阻抗|Z/L|=K2|ZL|的负载。也可以说变压器把负载阻抗ＺL变换为|Z/L|。因此,通过选择合适的变比Ｋ,可把实际负载阻抗变换为所需的数值,这就是变压器的阻抗变换作用。2023/2/248在电子电路中,为了提高信号的传输功率,常用变压器将负载阻抗变换为适当的数值,使其与放大电路的输出阻抗相匹配,这种做法称为阻抗匹配。2023/2/249变压器的作用

1.电压变换2.电流变换3.阻抗变换2023/2/250变压器原、副绕组的能量是通过电路，还是通过磁路联系在一起？变压器副绕组的电压升高了，电流为什么却下降了?思考题2023/2/251

3.3.3变压器的外特性变压器的输出电压随所带负载性质的变化而变化，利用变压器的外特性描述它们之间的关系。通常希望二次电压的变动越小越好。在一般变压器中，由于其电阻和漏磁感均很小，电压变化率约为5%左右。变压器外特性2023/2/252(1)额定电压U1N/U2N

指空载电压的额定值。

即当

U1=U1N时,U20=U2N

如铭牌上标注:电压10000/230V※对三相变压器是指线电压。(2)额定电流

I1N/I2N

指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。※三相变压器是指线电流。3.3.4变压器的主要参数2023/2/253指视在功率的额定值。※

单相变压器：

SN=U2NI2N=U1NI1N※

三相变压器：

(3)额定功率（额定容量）SN(4)额定频率fN

一般：fN=50Hz（工频）SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N(5)额定相数，效率，温升，短路电流，运行方式，冷却方式，接线图，连接组别等等。2023/2/2543.4几种常见的变压器3.4.1三相电力变压器3.4.2自耦变压器3.4.3互感器2023/2/2553.4.1三相电力变压器三相电力变压器广泛应用于电力系统输送、配电的三相电压变换。三相变压器的额定电压、额定电流指的是线电压、线电流。2023/2/256三相变压器有三个铁芯柱，每一相的高低压绕组同心地套装在一个铁芯柱上构成一相，三相绕组的结构是相同的，即对称的。3.4.1三相电力变压器三相干式变压器1.结构2023/2/257三相油浸式电力变压器2023/2/258主要部件：铁心和绕组（构成器身）；还有油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等2023/2/2593.4.1三相电力变压器三相变压器的高压绕组和低压绕组均可以连成星形或三角形，因此三相变压器可能有Y/Y，Y/Δ，Δ/Δ，Δ/Y四种基本接法，符号中的分子表示高压绕组的接法，分母表示低压绕组的接法。目前我国生产的三相电力变压器，通常采用Y/Y0，Y/Δ接法2.连接方法2023/2/260回忆:星形(Y)连接????三角形(Δ)连接????UVWUVW各相绕组末端连接在一起，首端引出为星型连接。各相绕组首、末端依次连接在一起形成回路，首端引出为三角形连接。2023/2/2613.4.1三相电力变压器当原、副边三相绕组均为Y形联接时，线电压U1/U2=N1/N2=K；当原边三相绕组为Y形联接，而副边三相绕组为Δ形联接时，线电压U1/U2=N1/N2=K

2.连接方法2023/2/262Y/Y0:不仅提供三相电源,还提供单项电源适用于动力和照明混合供电系统.Y/Δ:主要用于变电站做降压或升压用3.4.1三相电力变压器2.连接方法2023/2/263自耦变压器的结构特点是：二次绕组是一次绕组的一部分，而且一、二次绕组不仅有磁的耦合，还有电的联系。上述变压、变流和变阻抗关系都适用于它。