第6章磁路與鐵心線圈電路6.1磁路及其分析方法6.2交流鐵心線圈電路6.3變壓器6.4電磁鐵1本章要求2.了解變壓器的基本結構、工作原理、運行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；3.掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用；4.了解三相電壓的變換方法；5.了解電磁鐵的基本工作原理及其應用知識。1.理解磁場的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識及磁路的基本定律，會分析計算交流鐵心線圈電路；2磁場的特性可用磁感應強度、磁通、磁場強度、磁導率等幾個物理量表示。一、磁感應強度B

與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線），可表示磁場內某點的磁場強弱和方向。B的單位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的單位：韋伯矢量6.1磁路及其分析方法

6.1.1磁場的基本物理量3三、磁場強度H

磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應強度和導磁率之比。H的單位：安／米的單位：亨／米矢量5安培環(huán)路定律（全電流律）：

磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分,等于通過這個閉合路徑內電流的代數(shù)和.I1I2I3電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負。6

在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路長度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁通勢。一般用F表示。F=NI7四、磁導率

磁導率

是一個用來表示磁場媒質磁性和衡量物質導磁能力的物理量。?真空中的磁導率為常數(shù)9?一般材料的磁導率

和真空磁導率

0

的比值，稱為該物質的相對磁導率r

或10五、物質的磁性1.非磁性物質

非磁性物質分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導率都是常數(shù)，有：所以磁通與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關系。當磁場媒質是非磁性材料時，有：即B與H成正比，呈線性關系。由于OHB0r

1B=0H()(I)11討論磁場內某一點的磁場強度H與有關嗎？

由上兩式可知，磁場內某一點的H只與電流大小、線圈匝數(shù)及該點的幾何位置有關，而與無關。13磁性材料的磁性能：

高導磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性一、高導磁性

指磁性材料的磁導率很高，

r>>1，使其具有被強烈磁化的特性。

磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應強度。6.1.2磁性材料的磁性能14二、磁飽和性

當外磁場（或勵磁電流）增大到一定值時，磁性材料的全部磁疇的磁場方向都轉向與磁場的方向一致，磁化磁場的磁感應強度BJ達到飽和值。磁化曲線H注當有磁性物質存在時B與H不成比例，與I也不成比例。BJ

磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0

磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H磁化曲線。15三、磁滯性

在鐵心線圈通有交變電流時，鐵心將受到交變磁化。但當H減少為零時，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。BHO12345磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。右圖為磁性物質的磁滯回線。要使剩磁消失，通常需進行反向磁化。將B=0時的H值稱為矯頑磁力

Hc。617

幾種常見磁性物質的磁化曲線a鑄鐵b鑄鋼c硅鋼片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、磁性物質的分類

根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)永磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB19一、磁路的概念6.1.3磁路的分析方法在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質的磁導率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。+–NIfNSS直流電機的磁路交流接觸器的磁路21對于均勻磁路磁路中的歐姆定律二.磁路的歐姆定律：則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。令：Rm稱為磁阻22磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁動勢電動勢電流電壓降U23

三、磁路分析的特點(1)在處理電路時不涉及電場問題，在處理磁路時離不開磁場的概念；(2)在處理電路時一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時一般都要考慮漏磁通；(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于不是常數(shù)，其隨勵磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計算，只能用于定性分析；(4)在電路中，當E=0時，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當F=0時，不為零；25四、磁路的計算

在計算電機、電器等的磁路時，一般預先給定鐵心中的磁通（或磁感應強度），而后按照所給的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求產(chǎn)生預定磁通所需的磁通勢F＝NI。

計算均勻磁路要用磁場強度H，即NI＝HL。

如果磁路由不同的材料、長度和截面積的幾段組成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成：

NI＝H1L1＋H2L2＋＝（HL）26如：由三段串聯(lián)而成的繼電器磁路271）

H1＝9000A/m,I1＝H1L/N=13.5A2）H2＝260A/m，I2＝H2L/N=0.39A若I相同(0.39A)，則H相同，此時B1=0.05T，B2=0.9T。若相同,則S1是S2的17倍。若線圈中通有同樣大小的勵磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低。結論29解磁路的平均長度為

L＝（（10＋15）／2）＝39.2cm查鑄鋼的磁化曲線，當B＝0.9T時，

H1＝500A／m于是

H1L1＝H1(L－)＝195A空氣隙中的磁場強度為

H0＝B0／0＝0.9／（4*10－7）＝7.2*105A/m有一環(huán)形鐵心線圈，其內徑為10cm，外徑為15cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣氣隙，其長度等于0.2cm。設線圈中通有1A電流，如要得到0.9T的磁感應強度，試求線圈匝數(shù)。例230H0＝7.2*105*0.2*10-2＝1440A總磁通勢為

NI＝（HL）＝H1L1＋H0＝195＋1440＝1635A線圈匝數(shù)為

N＝NI／I＝1635若要得到相等的磁感應強度，采用磁導率高的鐵心材料，可使線圈的用銅量大為降低。當磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應強度，必須增大勵磁電流（線圈匝數(shù)一定）。結論31勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流勵磁電流直流-------直流磁路交流-------交流磁路磁路分析直流磁路交流磁路6.2交流鐵心線圈電路32IU一.直流磁路的分析直流磁路的特點:直流磁路和電路中的恒壓源類似直流電路中

E

固定I

隨R變化隨變化

直流磁路中

F固定

一定一定磁動勢F=IN一定磁通和磁通成反比（線圈中沒有反電動勢）（R為線圈的電阻）33(一)、電磁關系(二)、功率損耗I=U/R銅損PCu=I2R直流鐵心線圈U---I(NI)---恒定|____漏磁34(一)、電磁關系–+e–+e+–uNi（磁通勢）主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。線圈鐵心i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關系。二.交流磁路的分析35(二)、電壓電流關系+––+–+eeuNi36設主磁通則37鐵心中磁感應強度的最大值鐵心截面積有效值最大值38三、功率損耗1.銅損PCu：線圈電阻R上的功率損耗。

交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。

Pcu=RI22.鐵損PFe：鐵心在交變磁通的作用下，由磁滯和渦流產(chǎn)生的功率損耗。

包括磁滯損耗Ph

和渦流損耗Pe。39（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。

磁滯損耗的大小：

單位體積內的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。OHB

磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：

選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。40(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內產(chǎn)生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流。渦流損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。4142(U不變，I不變）(I隨Rm

變化）（U不變時，基本不變）直流磁路交流磁路磁路小結（隨Rm變化）43思考題1.將一個空心線圈先后接到直流電源和交流電源上，然后在這個線圈中插入鐵心，再接到上述的直流電源和交流電源上。如果交流電源電壓的有效值和直流電源電壓相等，在上述四種情況下，試比較通過線圈的電流和功率的大小，并說明理由。2.如果線圈的鐵心由彼此絕緣的鋼片在垂直磁場方向疊成，是否也可以？3.鐵心線圈中通過直流，是否有鐵損？4.空心線圈的電感是常數(shù)，而鐵心線圈的電感不是常數(shù)，為什么？如果線圈的尺寸、形狀和匝數(shù)相同，有鐵心和沒有鐵心時，哪個電感大？鐵心線圈的鐵心在達到磁飽和與尚未達到磁飽和時，哪個電感大？44作業(yè)：6.1.4456.3變壓器

變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：在能量傳輸過程中，當輸送功率P=UIcos及負載功率因數(shù)cos

一定時：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟）UIP=I2RlIS46發(fā)電廠1.05萬伏輸電線22萬伏升壓變電站1萬伏降壓…降壓實驗室380/220伏降壓儀器36伏降壓

電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：47變壓器的結構變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心48變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式芯式變壓器符號49單相變壓器的結構50變壓器的結構51廣東東莞荔灣站

SFPSZ-180000/220殼式變壓器526.3.1變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。利用兩個線圈匝數(shù)的比例關系來改變電壓的大小531.空載運行情況一、電磁關系一次側接交流電源，二次側開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。542.帶負載運行情況一次側接交流電源，二次側接負載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z一、電磁關系55

原邊接入電源，副邊開路。接上交流電源原邊電流i1等于勵磁電流i10

產(chǎn)生感應電動勢二、電壓變換（空載運行）

i10產(chǎn)生磁通（交變）（方向符合右手定則）56結論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比原、副邊電壓關系(變電壓)根據(jù)交流磁路的分析可得：時57三、電流變換（負載運行）Z

副邊帶負載后對磁路的影響：在副邊感應電壓的作用下，副邊線圈中有了電流i2

。此電流在磁路中也會產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流i1。但當外加電壓、頻率不變時，鐵心中主磁通的最大值在變壓器空載或有負載時基本不變

。帶負載后磁動勢的平衡關系為：58結論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比由于變壓器鐵芯材料的導磁率高、空載勵磁電流很小，可忽略。即：原、副邊電流關系(變電流)59四、阻抗變換由圖可知：+–+–+–結論：變壓器一次側的等效阻抗模，為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍60阻抗變換舉例：揚聲器上如何得到最大輸出功率。RsRL信號源設：信號電壓的有效值:U1=50V;信號內阻：Rs=100;負載為揚聲器，其等效電阻：RL=8。求：負載上得到的功率解：（1）將負載直接接到信號源上，得到的輸出功率為：61Rs（2）將負載通過變壓器接到信號源上。輸出功率為：設變比則：結論：由此例可見加入變壓器以后，輸出功率提高了很多。原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條件（信號源內、外阻抗差不多相等）。62五、三相電壓的變換ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結構高壓繞組：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低壓繞組：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相變壓器的聯(lián)結方式三相配電變壓器動力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:63（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–64（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結線電壓之比：ACBabc+–+–+–651）變壓器的型號六、變壓器的銘牌和技術數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

662）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側開路（空載）時，一次、二次側繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側電壓，

U2N，二次側空載時的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側繞組允許的電流值。單相：一次、二次側繞組允許的電流值三相：一次、二次側繞組線電流67

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：容量SN

輸出功率P2

一次側輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個功率的關系（單相）變壓器效率容量：一次側輸入功率：輸出功率：變壓器運行時的功率取決于負載的性質2)額定值68U20：原邊加額定電壓時副邊的開路電壓。電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2變化不大），電壓變化率約在5%左右。6.3.2變壓器的外特性副邊輸出電壓和輸出電流的關系。即：69

變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損PFe和繞組上的銅損PCu。變壓器的效率：一般95%,負載為額定負載的(50~75)%時，最大。6.3.3變壓器的損耗與效率706.3.4特殊變壓器1.自耦變壓器ABP結構特點:二次繞組是一次繞組的一部分71自耦變壓器723.電流互感器（被測電流）N1（匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多）ARi1i2注意！1.副邊不能斷開，以防產(chǎn)生高電壓；2.鐵心、二次繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在副邊出現(xiàn)過壓。實現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流被測電流=電流表讀數(shù)N2/N1電流表73

當電流流入兩個線圈(或流出）時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入端稱為同極性端（同名端）?；蛘哒f，當鐵心中磁通變化（增大或減?。r，在兩線圈中產(chǎn)生的感應電動勢極性相同的兩端為同極性端。1.同極性端(同名端)AXax**6.3.5變壓器繞組的極性AXax**74電器使用時兩種電壓（220V/110V）的切換：220V：聯(lián)結2－3110V：聯(lián)結1－3，2－42.線圈的接法1324**75220V：聯(lián)結2－3勵磁兩種接法下線圈工作情況的分析**132476110V：聯(lián)結1－3，2－41,32,4220V：聯(lián)結2－31324**說明：兩種接法下不變，所以鐵芯磁路的設計相同勵磁'77問題1：在110V

情況下，如果只用一個繞組（N），行不行？答：不行（兩繞組必須并繞）原邊有兩個相同繞組的電