1、第6章 磁路與鐵心線圈電路,6.2 交流鐵心線圈電路,6.1 磁路及其分析方法,6.3 變壓器,6.4 電磁鐵,6.1 磁路及其分析方法,引言： 磁路的概念,在電機(jī)、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(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)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。,直流電機(jī)的磁路,交流接觸器的磁路,6.1.1 磁場的基本物理量,一. 磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁感應(yīng)強(qiáng)度B : 表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:與電流的方向之間符合右手螺旋定則。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,二. 磁通,磁感

2、應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，成為通過該面積的磁通 。,磁通 的單位:韋伯(Wb) 1Wb =1Vs,三. 磁場強(qiáng)度,磁場強(qiáng)度H ：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與介質(zhì) 磁導(dǎo)率 之比。,單位 ：安培/米（A/m),真空的磁導(dǎo)率：,四. 磁導(dǎo)率,磁導(dǎo)率 ：衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力的物理量：,相對磁導(dǎo)率 r： 任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率 和真空的磁導(dǎo)率0的比值。,單位：亨/米（H/m）,B = H,6.1.2 磁性材料的的磁性能,一. 非磁性材料,非磁性材料不具有磁化特性,磁導(dǎo)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(guān)系。,當(dāng)磁場媒質(zhì)是非磁性材料時，有：,即 B與 H 成正比，

3、呈線性關(guān)系。,由于, 0 r 1,B = 0 H,( ),( I ),二. 磁性材料及其磁性能,在外磁場作用下，磁性物質(zhì)能被磁化。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金。,磁性材料具有以下磁性能：,1.高導(dǎo)磁性,磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即 r 1 ，如坡莫合金，其 r 可達(dá) 2105 。 磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。,3. 磁滯性,磁滯回線。,Br,Hc,剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br (剩磁) 。,矯頑磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。,2. 磁飽和性,按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型： (1)軟磁材料 具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心

4、。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。 (2)永磁材料 具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。 (3)矩磁材料 具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。,三. 磁性材料的分類,任意選定一個閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負(fù)。,磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合回線(常取磁通作為閉合回線)的線積分，等于穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。,安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：,安培環(huán)路定律（全電流定律）,6.1.

5、3 磁路的分析方法,6.2 交流鐵心線圈電路,6.2.1 電磁關(guān)系,（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(dǎo)磁媒質(zhì)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(guān)系。,6.2.2 電壓電流關(guān)系,根據(jù)KVL:,式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻,L 是漏磁電感,當(dāng) u 是正弦電壓時，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：,設(shè)主磁通 則,有效值,由于線圈電阻 R 和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢 E 相比可忽略，故有,式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，單位T； S 是鐵心截面積，單位m2。,6.2.3 功率損耗,交流鐵心線圈的功率損耗主要有

6、兩種。,1. 銅損（Pcu）,線圈電阻R上的功率損耗:,Pcu = RI2,式中：R是線圈的電阻；I 是線圈中電流的有效值。,2. 鐵損（PFe）,在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe 表示。,鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。,（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?。?單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率 f。,磁滯損耗轉(zhuǎn)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(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。,設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)選擇值以減小鐵心飽和程度。,(2)渦流損耗（P

7、e）,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(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。,渦流損耗轉(zhuǎn)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(nèi)。,鐵心線圈交流電路的有功功率為：,6.3 變壓器,變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。,變壓器的主要功能有：,在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P =UI cos 及負(fù)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(jì)）,6.3.1 概述,U I,P = I Rl,I S,電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并

8、保證用電安全。具體如下：,一.變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的磁路,變壓器的電路,6.3.2 變壓器的工作原理,變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的分類,二. 變壓器的工作原理,一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。,(1) 空載運(yùn)行情況,1. 電磁關(guān)系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。,空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。,(2) 帶負(fù)載運(yùn)行情況,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。,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。,2. 電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為 則,(1) 一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動勢,根據(jù)KVL：,變壓器一次側(cè)等效電

9、路如圖,由于電阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢 E1比較可忽略不計(jì)，則,(2) 一次、二次側(cè)電壓,式中 R1 為一次側(cè)繞組的電阻; X1=L1 為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。,對二次側(cè)，根據(jù)KVL：,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,式中 R2 為二次繞組的電阻; X2=L2 為二次繞組的感抗； 為二次繞組的端電壓。,變壓器空載時:,式中U20為變壓器空載電壓。,故有,*三相電壓的變換,1) 三相變壓器的結(jié)構(gòu),高壓繞組： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低壓繞組： a-x b-y c-z,a、b、c：

10、首端,x、y、z：尾端,2) 三相變壓器的聯(lián)結(jié)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:,（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié),線電壓之比：,（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié),線電壓之比：,3. 電流變換,(一次、二次側(cè)電流關(guān)系),有載運(yùn)行,可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有,由上式，若U1、 f 不變，則 m 基本不變，近于常數(shù)。,空載：,有載：,或,結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。,或：,1.提供產(chǎn)生m的磁勢,磁勢平衡式：,空載磁勢,有載磁勢,4. 阻抗變換,由圖可知：,結(jié)論： 變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的

11、K 2 倍。,(1) 變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：,解:,例1: 如圖，交流信號源的電動勢 E= 120V，內(nèi)阻 R 0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求: （1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻 時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？,信號源的輸出功率：,電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。,結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。,原因：滿足了最大功率輸出的條件：,（2）將負(fù)載直接接到信號源上時，輸出功率為：,1） 變壓器的型號,5.變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),2） 額定值, 額定電壓 U1N、U2N 變壓器二次側(cè)開路（空載）時

12、，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值, 額定電流 I1N、I2N 變壓器滿載運(yùn)行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。, 額定容量 SN 傳送功率的最大能力。,容量 SN 輸出功率 P2,一次側(cè)輸入功率 P1 輸出功率 P2,注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）,效率,變壓器運(yùn)行時的功率取決于負(fù)載的性質(zhì),2) 額定值,6.3.3 變壓器的外特性與效率,一. 變壓器的外特性,當(dāng)一次側(cè)電壓 U1和負(fù)載功率因數(shù) cos2保持不變時，二次側(cè)輸出電壓 U2和輸出電流 I2的關(guān)系，U2 = f (I2)。,U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時，二次側(cè)的輸出電壓。,一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2 變化不

13、大），電壓變化率約在5%左右。,電壓變化率：,二. 變壓器的效率(),為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。,變壓器的損耗包括兩部分：,銅損 (PCu) ：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。,渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感 應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。,鐵損(PFe )：,變壓器的效率為,一般 95% ,負(fù)載為額定負(fù)載的(5075)%時，最大。,輸出功率,輸入功率,使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。 注意：一次、二次側(cè)千萬不能對調(diào)使用，以防變壓器損壞。因?yàn)镹變小時，磁通增大，電流會迅速增加。,6.3.4 特殊變壓器,一.自耦變壓器,特點(diǎn)：二次繞組是一次 繞組的一部分,二次側(cè)不能短路， 以

14、防產(chǎn)生過流； 2. 鐵心、低壓繞組的 一端接地，以防在 絕緣損壞時，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。,使用注意事項(xiàng)：,被測電壓=電壓表讀數(shù) N1/N2,二.電壓互感器,實(shí)現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓,被測電流=電流表讀數(shù) N2/N1,二次側(cè)不能開路， 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，在二次側(cè)出現(xiàn)過壓。,使用注意事項(xiàng)：,三.電流互感器,實(shí)現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流,當(dāng)電流流入(或流出）兩個線圈時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同極性端。,一. 同極性端 ( 同名端 ),或者說，當(dāng)鐵心中磁通變化時，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相同的兩端為同極性端。,

15、同極性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同極性端不僅和繞組的繞向有關(guān)，而且與線圈的位置有關(guān)。,6.3.5 變壓器繞組的極性,聯(lián)接 23,變壓器原一次側(cè)有兩個額定電壓為 110V 的繞組：,二. 線圈的接法,聯(lián)接 13， 2 4,當(dāng)電源電壓為220V時：,電源電壓為110V時：,問題1：在110V 情況下，如果只用一個繞組 （N），行不行？,答：不行（兩繞組必須并接），導(dǎo)線中流過的電流過大，容易發(fā)熱。,一次側(cè)有兩個相同繞組的電源變壓器(220/110)，使用中應(yīng)注意的問題：,問題2：如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？,結(jié)論：在同極性端不明確時，一定要先測定同極性端 再通電。,答：有可能燒毀變

16、壓器,+,方法一：交流法,把兩個線圈的任意兩端 (X - x)連接, 然后在 AX 上加一低電壓 uAX 。,測量：,若 說明 A 與 x 或 X 與 a 是同極性端.,*三. 同極性端的測定方法,方法二：直流法,如果當(dāng) S 閉合時，電流表正偏，則 A-a 為同極性端;,結(jié)論：,如果當(dāng) S 閉合時，電流表反偏，則 A-x 為同極性端。,6.4 電磁鐵（自學(xué)內(nèi)容）,一. 概述,電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。當(dāng)電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動。,根據(jù)使用電源類型分為：,直流電磁鐵：用直流電

17、源勵磁；,交流電磁鐵：用交流電源勵磁。,二. 基本結(jié)構(gòu),電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結(jié)構(gòu)如圖所示。,鐵心,銜鐵,銜鐵,有時是機(jī)械零件 、工件充當(dāng)銜鐵,線圈,線圈,銜鐵,鐵心,線圈,鐵心,三. 電磁鐵吸力的計(jì)算,電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積S0及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的平方成正比?；竟饺缦拢?式中： B0 的單位是特斯拉； S0 的單位是平方米； F 的單位是牛頓（N）。,直流電磁鐵的吸力,直流電磁鐵的吸力依據(jù)上述基本公式直接求取。,交流電磁鐵的吸力,交流電磁鐵中磁場是交變的，設(shè),則吸力瞬時值為:,式中：,為吸力的最大值。,吸力的波形:,吸力平均值為:,O,(1) 交流電磁鐵

18、的吸力在零與最大值之間脈動。銜鐵以兩倍電源頻率在顫動，引起噪音，同時觸點(diǎn)容易損壞。為了消除這種現(xiàn)象，在磁極的部分端面上套一個分磁環(huán)（或稱短路環(huán)），工作時，在分磁環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其阻礙磁通的變化，在磁極端面兩部分中的磁通 1 和 2 之間產(chǎn)生相位差，相應(yīng)該兩部分的吸力不同時為零，實(shí)現(xiàn)消除振動和噪音，如圖所示；而直流電磁鐵吸力恒定不變；,綜合上述：,(2) 交流電磁鐵中,為了減少鐵損，鐵心由鋼片疊成； 直流電磁鐵的磁通不變，無鐵損，鐵心用整塊軟鋼制成；,(4) 直流電磁鐵的勵磁電流僅與線圈電阻有關(guān)，在吸合過程中，勵磁電流不變。,(3) 在交流電磁鐵中，線圈電流不僅與線圈電阻有關(guān)，主要的還與線圈感抗有關(guān)。在其吸合過程中，隨著磁路氣隙的減小，線圈感抗增大，電流減小。如果銜鐵被卡住，通電后銜鐵吸合不上，線圈感抗一直很小，電流較大，將使線圈嚴(yán)重發(fā)熱甚至燒毀；,四. 電磁鐵的應(yīng)用,電磁鐵在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用原理是：用電磁鐵銜鐵的動作帶動其他機(jī)械裝置運(yùn)動，產(chǎn)生機(jī)械連動，實(shí)現(xiàn)控制要求。,應(yīng)用實(shí)例 圖示為應(yīng)用電磁鐵實(shí)現(xiàn)制動機(jī)床或起重機(jī)電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，其中電動機(jī)和制動輪同軸。原理如下：,通 電,電磁鐵 動作,拉開 彈簧,抱閘 提起,松開 制動輪,電機(jī) 轉(zhuǎn)動,斷 電,電磁鐵