电工学第6章课件

第6章磁路与铁心线圈电路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1本章要求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；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，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；2磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率等几个物理量表示。一、磁感应强度B

与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向。B的单位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的单位：韦伯矢量6.1磁路及其分析方法

6.1.1磁场的基本物理量3三、磁场强度H

磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。H的单位：安／米的单位：亨／米矢量5安培环路定律（全电流律）：

磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.I1I2I3电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。6

在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁压降。NI：称为磁通势。一般用F表示。F=NI7四、磁导率

磁导率

是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量物质导磁能力的物理量。•真空中的磁导率为常数9•一般材料的磁导率

和真空磁导率

0

的比值，称为该物质的相对磁导率r

或10五、物质的磁性1.非磁性物质

非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：所以磁通与产生此磁通的电流I成正比，呈线性关系。当磁场媒质是非磁性材料时，有：即B与H成正比，呈线性关系。由于OHB0r

1B=0H()(I)11讨论磁场内某一点的磁场强度H与有关吗？

由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与无关。13磁性材料的磁性能：

高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性一、高导磁性

指磁性材料的磁导率很高，

r>>1，使其具有被强烈磁化的特性。

磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。6.1.2磁性材料的磁性能14二、磁饱和性

当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。磁化曲线H注当有磁性物质存在时B与H不成比例，与I也不成比例。BJ

磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0

磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；B

BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。15三、磁滞性

在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。但当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。BHO12345磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。右图为磁性物质的磁滞回线。要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将B=0时的H值称为矫顽磁力

Hc。617

几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc18四、磁性物质的分类

根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)(2)永磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)(3)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBHBHB19一、磁路的概念6.1.3磁路的分析方法在电机、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。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路21对于均匀磁路磁路中的欧姆定律二.磁路的欧姆定律：则：INSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。令：Rm称为磁阻22磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通INR+_EI磁压降磁动势电动势电流电压降U23

三、磁路分析的特点(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；25四、磁路的计算

在计算电机、电器等的磁路时，一般预先给定铁心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势F＝NI。

计算均匀磁路要用磁场强度H，即NI＝HL。

如果磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成：

NI＝H1L1＋H2L2＋＝（HL）26如：由三段串联而成的继电器磁路271）

H1＝9000A/m,I1＝H1L/N=13.5A2）H2＝260A/m，I2＝H2L/N=0.39A若I相同(0.39A)，则H相同，此时B1=0.05T，B2=0.9T。若相同,则S1是S2的17倍。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。结论29解磁路的平均长度为

L＝（（10＋15）／2）＝39.2cm查铸钢的磁化曲线，当B＝0.9T时，

H1＝500A／m于是

H1L1＝H1(L－)＝195A空气隙中的磁场强度为

H0＝B0／0＝0.9／（4*10－7）＝7.2*105A/m有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为15cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。例230H0＝7.2*105*0.2*10-2＝1440A总磁通势为

NI＝（HL）＝H1L1＋H0＝195＋1440＝1635A线圈匝数为

N＝NI／I＝1635若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量大为降低。当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定）。结论31励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流励磁电流直流-------直流磁路交流-------交流磁路磁路分析直流磁路交流磁路6.2交流铁心线圈电路32IU一.直流磁路的分析直流磁路的特点:直流磁路和电路中的恒压源类似直流电路中

E

固定I

随R变化随变化

直流磁路中

F固定

一定一定磁动势F=IN一定磁通和磁通成反比（线圈中没有反电动势）（R为线圈的电阻）33(一)、电磁关系(二)、功率损耗I=U/R铜损PCu=I2R直流铁心线圈U---I(NI)---恒定|____漏磁34(一)、电磁关系–+e–+e+–uNi（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。二.交流磁路的分析35(二)、电压电流关系+––+–+eeuNi36设主磁通则37铁心中磁感应强度的最大值铁心截面积有效值最大值38三、功率损耗1.铜损PCu：线圈电阻R上的功率损耗。

交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。

Pcu=RI22.铁损PFe：铁心在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流产生的功率损耗。

包括磁滞损耗Ph

和涡流损耗Pe。39（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：

单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。OHB

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。40(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。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。4142(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）43思考题1.将一个空心线圈先后接到直流电源和交流电源上，然后在这个线圈中插入铁心，再接到上述的直流电源和交流电源上。如果交流电源电压的有效值和直流电源电压相等，在上述四种情况下，试比较通过线圈的电流和功率的大小，并说明理由。2.如果线圈的铁心由彼此绝缘的钢片在垂直磁场方向叠成，是否也可以？3.铁心线圈中通过直流，是否有铁损？4.空心线圈的电感是常数，而铁心线圈的电感不是常数，为什么？如果线圈的尺寸、形状和匝数相同，有铁心和没有铁心时，哪个电感大？铁心线圈的铁心在达到磁饱和与尚未达到磁饱和时，哪个电感大？44作业：6.1.4456.3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）UIP=I²RlIS46发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压

电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：47变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组单相变压器+–+–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48变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式芯式变压器符号49单相变压器的结构50变压器的结构51广东东莞荔湾站

SFPSZ-180000/220壳式变压器526.3.1变压器的工作原理单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。利用两个线圈匝数的比例关系来改变电压的大小531.空载运行情况一、电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。542.带负载运行情况一次侧接交流电源，二次侧接负载。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2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。2i2+–e2+–e2+–u2Z一、电磁关系55

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

产生感应电动势二、电压变换（空载运行）

i10产生磁通（交变）（方向符合右手定则）56结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比原、副边电压关系(变电压)根据交流磁路的分析可得：时57三、电流变换（负载运行）Z

副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流i2

。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流i1。但当外加电压、频率不变时，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变

。带负载后磁动势的平衡关系为：58结论：原、副边电流与匝数成反比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。即：原、副边电流关系(变电流)59四、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60阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率。RsRL信号源设：信号电压的有效值:U1=50V;信号内阻：Rs=100;负载为扬声器，其等效电阻：RL=8。求：负载上得到的功率解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为：61Rs（2）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：设变比则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条件（信号源内、外阻抗差不多相等）。62五、三相电压的变换ABCXYZabczyx1)三相变压器的结构高压绕组：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低压绕组：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相变压器的联结方式三相配电变压器动力供电系统（井下照明）高压、超高压供电系统常用接法:63（1）三相变压器Y/Y0联结线电压之比：ACBbca+–+–+–+–64（2）三相变压器Y0/联结线电压之比：ACBabc+–+–+–651）变压器的型号六、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)

662）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67

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）变压器效率容量：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68U20：原边加额定电压时副边的开路电压。电压变化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

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。6.3.2变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。即：69

变压器的功率损耗包括铁心中的铁损PFe和绕组上的铜损PCu。变压器的效率：一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时，最大。6.3.3变压器的损耗与效率706.3.4特殊变压器1.自耦变压器ABP结构特点:二次绕组是一次绕组的一部分71自耦变压器723.电流互感器（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2注意！1.副边不能断开，以防产生高电压；2.铁心、二次绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。实现用低量程的电流表测量大电流被测电流=电流表读数N2/N1电流表73

当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁心中磁通变化（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。1.同极性端(同名端)AXax**6.3.5变压器绕组的极性AXax**74电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：220V：联结2－3110V：联结1－3，2－42.线圈的接法1324**75220V：联结2－3励磁两种接法下线圈工作情况的分析**132476110V：联结1－3，2－41,32,4220V：联结2－31324**说明：两种接法下不变，所以铁芯磁路的设计相同励磁'77问题1：在110V

情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？答：不行（两绕组必须并绕）原边有两个相同绕组的电