電工學(xué)課件(哈工大)第七章磁路與感應(yīng)線圈.

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電工學(xué)教研室電工學(xué)教研室 第7章 磁路與鐵心線圈電路磁路與鐵心線圈電路返回返回目目 錄錄返回返回磁場(chǎng)的特性可用磁場(chǎng)的特性可用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率等幾個(gè)物理量表示等幾個(gè)物理量表示。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁感應(yīng)強(qiáng)度 與與磁場(chǎng)方向相垂直磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過的的單位面積上通過的磁通磁通（磁（磁力線），可表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的力線），可表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向。SI lFBB的的單位單位：特：特斯拉斯拉（T） 1T104Gs 的單位：韋伯的單位：韋伯矢量矢量7.1 7.1 磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)的基本物理

2、量二、磁通二、磁通 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的的乘積乘積，稱為稱為通過該面積通過該面積的的磁通磁通 。如如 磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等大小相等，方向相同方向相同，這樣的磁場(chǎng)則稱為這樣的磁場(chǎng)則稱為均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)。 BS 的單位：的單位：伏伏秒，通稱為韋秒，通稱為韋 伯伯 Wb 或麥克斯韋或麥克斯韋Mx 1Wb108Mx 三、磁場(chǎng)強(qiáng)度三、磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度是計(jì)算磁場(chǎng)所用的物理量，其大小為是計(jì)算磁場(chǎng)所用的物理量，其大小為磁磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度和和導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率之之比比。BHH的單位：安米的單位：安米 的單位：亨米的單位：

3、亨米安培環(huán)路定律（全電流定律）：安培環(huán)路定律（全電流定律）： 磁場(chǎng)中磁場(chǎng)中任何閉合回路任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分線積分, ,等于等于通通過這個(gè)閉合路徑內(nèi)過這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和電流的代數(shù)和. .即即矢量矢量HI1I2I3電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合符合右手定則右手定則，電流取，電流取正正；否則否則取取負(fù)負(fù)。IHdl 在無分支的均勻磁路在無分支的均勻磁路（磁（磁路的材料和截面積相同，各路的材料和截面積相同，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，如處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，如環(huán)形線圈，安培環(huán)路定律可環(huán)形線圈，安培環(huán)路定律可寫成：寫成：IxHxNIIxHlHHdlxxx2xxl

4、NIH其中其中l(wèi) x2 x是是半徑為半徑為x的圓周長(zhǎng)的圓周長(zhǎng)Hx是半徑是半徑 x 處的處的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度FNI即線圈匝數(shù)與電流的乘積，稱即線圈匝數(shù)與電流的乘積，稱磁通勢(shì)磁通勢(shì) 單位為安單位為安 培培 （A）四、磁導(dǎo)率四、磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 是一個(gè)用來表示是一個(gè)用來表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性和衡量和衡量物物質(zhì)導(dǎo)磁能力質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量的物理量。討論討論磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與與 有關(guān)嗎有關(guān)嗎？xxxlNIHB 由上兩式可知，磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的由上兩式可知，磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的H只與電流大小、只與電流大小、線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)及及該點(diǎn)的幾何位置該點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，有關(guān)，而與而與 無

5、關(guān)無關(guān)xxlNIH 真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù)真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù)mH /10470一般材料的磁導(dǎo)率一般材料的磁導(dǎo)率 和真空磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率 0 0 的比值，稱為的比值，稱為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率 r r 0r 或或00BBHHr磁性材料非磁性材料11rr返回返回磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 一、高導(dǎo)磁性一、高導(dǎo)磁性 指磁性材料的磁導(dǎo)率很高，指磁性材料的磁導(dǎo)率很高， r r11，使其具有，使其具有被強(qiáng)烈磁化被強(qiáng)烈磁化的特性。的特性。二、磁飽和性二、磁飽和性 當(dāng)外磁場(chǎng)（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，磁性當(dāng)外磁場(chǎng)（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，磁性材料的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)的方

6、向一致，材料的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)的方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B BJ J達(dá)到飽和值達(dá)到飽和值。 7.2 7.2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性BBB00BJba磁化曲線磁化曲線B和和 與與H的關(guān)系的關(guān)系B， BHO 注注當(dāng)有磁性物質(zhì)存在當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí)時(shí)B與與H不成比例，不成比例， 與與I也不成比例也不成比例。三、磁滯性三、磁滯性 當(dāng)鐵心線圈中通有當(dāng)鐵心線圈中通有交變電流交變電流（大小和方向都變化）（大小和方向都變化）時(shí)，鐵心就受到交變磁化，時(shí)，鐵心就受到交變磁化，電流變化電流變化時(shí)，時(shí)

7、，B隨隨H而變化而變化，當(dāng)當(dāng)H已減到零值時(shí)已減到零值時(shí)，但，但B未回到零未回到零，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱磁性物質(zhì)的磁滯性。后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱磁性物質(zhì)的磁滯性。BH123456O磁滯回線磁滯回線剩磁：剩磁：當(dāng)線圈中當(dāng)線圈中電流減到電流減到零零（H0），鐵心在磁化時(shí)所），鐵心在磁化時(shí)所獲的磁性還獲的磁性還未未完全消失，這完全消失，這時(shí)鐵心中所時(shí)鐵心中所保留保留的磁感應(yīng)強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度度稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br根據(jù)根據(jù)磁性能磁性能，磁性材料又可分為，磁性材料又可分為三種三種：軟磁材料軟磁材料（磁滯回線窄長(zhǎng)。常用做磁頭、磁心等）、（磁滯回線窄長(zhǎng)。常用

8、做磁頭、磁心等）、永磁材料永磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料矩磁材料（磁滯回線接近矩形?？捎米鲇洃浽＃ù艤鼐€接近矩形。可用做記憶元件）。返回返回1u2uis一、磁路一、磁路 線圈線圈通入電流通入電流后，產(chǎn)生磁通，分后，產(chǎn)生磁通，分主磁通主磁通 和和漏磁通漏磁通 S。線圈線圈鐵心鐵心7.3 7.3 磁路及其基本定律磁路及其基本定律二、磁路的歐姆定律二、磁路的歐姆定律對(duì)于環(huán)形線圈對(duì)于環(huán)形線圈lSlBHlNIRmFSlNI磁路的磁路的歐姆定律歐姆定律說明說明F=NI為磁通勢(shì)為磁通勢(shì) Rm為磁阻為磁阻l為磁路的平均長(zhǎng)度為磁路的平均長(zhǎng)度 S為磁路的截

9、面積為磁路的截面積INR+_EIU磁路與電路對(duì)照磁路與電路對(duì)照磁路磁路電路電路磁通勢(shì)磁通勢(shì)F電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E磁通磁通 電流電流I磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流密度電流密度J磁阻磁阻Rm電阻電阻RSlRmSlR磁路的計(jì)算磁路的計(jì)算 在計(jì)算電機(jī)、電器等的磁路時(shí)，要在計(jì)算電機(jī)、電器等的磁路時(shí)，要預(yù)先給定鐵心預(yù)先給定鐵心中中的的磁通磁通（或磁感應(yīng)強(qiáng)度），而后按照所給的（或磁感應(yīng)強(qiáng)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(yù)定磁通所磁通及磁路各段的尺寸和材料去求產(chǎn)生預(yù)定磁通所需的磁通勢(shì)需的磁通勢(shì)FNI。 計(jì)算均勻磁路要用磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算均勻磁路要用磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即即NIHl， 如磁路由不同的材料、長(zhǎng)度和

10、截面積的幾段組如磁路由不同的材料、長(zhǎng)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。成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成。 NIH1 l1H2 l2 （H l）如如：由三段串聯(lián)而成的由三段串聯(lián)而成的 繼電器磁路繼電器磁路 B1B0B2H1S1S2S0H2H0Bf（H）Bf（H）Bf（H）l1l2H11H22H0 （H ）NI llIl1S2S1l1 1 2 0 l2解解磁路的平均長(zhǎng)度為磁路的平均長(zhǎng)度為 l（1015）2） 39.2cm查鑄鋼的磁化曲線查鑄鋼的磁化曲線，當(dāng)當(dāng)B0.9T 時(shí)時(shí)， H1500Am于是于是 H1 l1195A空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 H0B0 00.

11、9（4 107）7.2105A/m有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為外徑為15cm，鐵鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣氣隙，其長(zhǎng)度等于心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣氣隙，其長(zhǎng)度等于0.2cm0.2cm。設(shè)線圈中通有。設(shè)線圈中通有1A1A電流，如要得到電流，如要得到0.90.9T T的磁感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求強(qiáng)度，試求線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)。例題例題7.17.1H0 7.2 105 0.2 10-21440A總磁通勢(shì)為總磁通勢(shì)為 NI （H l）H1 l1H0 19514401635線圈匝數(shù)為線圈匝數(shù)為 NNII1635 若要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵若要

12、得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使線圈的心材料，可使線圈的用銅量用銅量大為大為降低。降低。 若線圈中通有同樣大小的勵(lì)磁電流，要若線圈中通有同樣大小的勵(lì)磁電流，要得到相等得到相等的磁通的磁通，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的用用鐵量鐵量大為大為降低降低 當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大磁阻較大，要得要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須增大勵(lì)磁電流（必須增大勵(lì)磁電流（線圈匝線圈匝數(shù)一定）數(shù)一定）結(jié)論結(jié)論返回返回一、電磁關(guān)系一、電磁關(guān)系鐵心線圈分為：鐵心線圈分為：直流鐵心線圈直流鐵心線圈和和交流鐵心線圈交

13、流鐵心線圈uee i鐵心線圈的交流電路鐵心線圈的交流電路ui（Ni） ee dtdNedtdiLdtdNe7.4 7.4 交流鐵心線圈電路交流鐵心線圈電路OL，Li 和和 L 與與 i 的關(guān)系的關(guān)系注注勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流 i與與 之間線性關(guān)系之間線性關(guān)系i 與與 之間不存在線性關(guān)系之間不存在線性關(guān)系二、電壓電流關(guān)系二、電壓電流關(guān)系44. 444. 4VSfNBfNEUmm鐵心中磁感應(yīng)鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值強(qiáng)度的最大值鐵心截面積鐵心截面積三、功率損耗三、功率損耗銅損銅損 Pcu：線圈電阻：線圈電阻R上的功率損耗。上的功率損耗。鐵損鐵損 Pfe：在交變磁通的作用下，由磁滯和渦流在交變磁通的作用下，

14、由磁滯和渦流 產(chǎn)生的功率損耗。包括磁滯損耗產(chǎn)生的功率損耗。包括磁滯損耗 Ph 和渦流損耗和渦流損耗 Pe。返回返回變壓器的功能變壓器的功能：變電壓、變電流、變阻抗變電壓、變電流、變阻抗 發(fā)電廠發(fā)電廠1.05萬(wàn)伏萬(wàn)伏輸電線輸電線22萬(wàn)伏萬(wàn)伏升壓升壓變電站變電站1萬(wàn)伏萬(wàn)伏降壓降壓降壓降壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室380 / 220伏伏降壓降壓儀器儀器36伏伏降壓降壓變壓器的種類變壓器的種類7.5 7.5 變壓器變壓器 額定電壓額定電壓 變壓器副邊開路（空載）時(shí)，原、副邊繞組允變壓器副邊開路（空載）時(shí)，原、副邊繞組允 許的電壓值。許的電壓值。NNUU21 、 額定電流額定電流 變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許的

15、電流值變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許的電流值。NNII21 額定容量額定容量 傳送功率的最大能力傳送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）（理想）變壓器的銘牌數(shù)據(jù)變壓器的銘牌數(shù)據(jù)（以單相變壓器為例）（以單相變壓器為例） u1e1e 1 1i 2+e2e 2N2N1u21i2z一、變壓器的工作原理一、變壓器的工作原理電磁關(guān)系電磁關(guān)系 原繞組原繞組 副繞組副繞組u1i1（N1 i1） 1e1e 1e2 2i2（N2 i2）e 2電壓變換電壓變換根據(jù)根據(jù)交流磁路交流磁路的分析可得的分析可得： E14.44fN1 m E24.44fN2 mKNNEEUU2121201空載時(shí)副繞空

16、載時(shí)副繞組的端電壓組的端電壓變比變比結(jié)論結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，可得到不同的輸出電壓改變?cè)褦?shù)比，可得到不同的輸出電壓電流變換電流變換102211NiNiNi由于變壓器鐵心的導(dǎo)磁率高，空載電流（由于變壓器鐵心的導(dǎo)磁率高，空載電流（i0）很小，）很小，可忽略。寫成相量為可忽略。寫成相量為02211NINIKNNII11221結(jié)論結(jié)論：變壓器原、副繞組的電流與匝數(shù)成反比變壓器原、副繞組的電流與匝數(shù)成反比阻抗變換阻抗變換結(jié)論結(jié)論：變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載乘變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載乘以變比的平方。以變比的平方。 22222111IUKIKKUIUZKZ2 +u2-+u1-i1i2Z+u

17、1-Zi1R0RLIE（1）匝數(shù)比為匝數(shù)比為10880021LLRRNN信號(hào)源輸出功率為信號(hào)源輸出功率為WRRREPLL5 . 420如下圖：交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)如下圖：交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E120V,內(nèi)阻內(nèi)阻R0800 ，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL8 （1）當(dāng)）當(dāng)RL折算到原邊的等效電折算到原邊的等效電阻為阻為R0時(shí)，求匝數(shù)比和信號(hào)源輸出功率；（時(shí)，求匝數(shù)比和信號(hào)源輸出功率；（2）當(dāng)將）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí)，信號(hào)源輸出多大功率？負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí)，信號(hào)源輸出多大功率？例題例題7.2（2）當(dāng)將負(fù)載直接接在信號(hào)源上時(shí)當(dāng)將負(fù)載直接接在信號(hào)源上時(shí)WP176. 0888001202二、變壓器的外特性

18、二、變壓器的外特性 副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系 U2 2f（I2 2）U2U20OI2I2NU20：原邊加額定電壓、原邊加額定電壓、副邊開路時(shí)，副邊的輸副邊開路時(shí)，副邊的輸出電壓。出電壓。變壓器的外特性曲線變壓器的外特性曲線三、變壓器的損耗與效率三、變壓器的損耗與效率 變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損 Pfe和繞組和繞組上的銅損上的銅損 Pcu。變壓器的效率變壓器的效率：CuFePPPPPP 2212四、特殊變壓器四、特殊變壓器ABP1u2u1i2iLR1N2NKNNIIKNNUU112212121自耦變壓器自耦變壓器電流互感器電流

19、互感器（被測(cè)電流被測(cè)電流）N1（匝數(shù)少匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多匝數(shù)多）ARi1i2注意！注意！1. 副邊副邊不能斷開不能斷開，以防產(chǎn)生高電壓，以防產(chǎn)生高電壓；2. 鐵心、低壓繞組的鐵心、低壓繞組的一端接地一端接地，以防在絕緣損，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過壓。壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過壓。電壓互感器電壓互感器VR N1（匝數(shù)多匝數(shù)多）保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲 N2（匝數(shù)少匝數(shù)少）u（被測(cè)電壓被測(cè)電壓）1. 副邊副邊不能短路不能短路，以防產(chǎn)生過流，以防產(chǎn)生過流；2. 鐵心、鐵心、低壓繞組低壓繞組的的一端接地一端接地，以防在絕緣損時(shí)，以防在絕緣損時(shí)，在副邊出現(xiàn)高壓在副邊出現(xiàn)高壓。注意！注意！五、變壓器繞阻的極性五、變壓

20、器繞阻的極性 當(dāng)電流流入兩個(gè)線圈當(dāng)電流流入兩個(gè)線圈( (或或流出）時(shí)，若產(chǎn)生的磁通流出）時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入端方向相同，則兩個(gè)流入端稱為稱為同極性端同極性端（同名端同名端）。）。或者說，當(dāng)鐵芯中磁通變或者說，當(dāng)鐵芯中磁通變化（增大或減?。r(shí)，在化（增大或減?。r(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為勢(shì)極性相同的兩端為同極同極性端性端。123123 123 兩繞阻串聯(lián)兩繞阻串聯(lián)兩繞阻并聯(lián)兩繞阻并聯(lián)若將兩繞阻的其中一個(gè)線圈若將兩繞阻的其中一個(gè)線圈反繞反繞，則則1 1和和4 4為為同極性端同極性端注注返回返回容量容量 SN 輸出功率輸出功率 P2 原邊輸入功率原邊輸入功率 P1 輸出功率輸出功率 P2注意注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系NNNIUS11容量容量：21PP 原邊輸入功率：原邊輸入功率：cos222IUP 輸出功率：輸出功率： 變壓器的變壓器的功率因數(shù)功率因數(shù)變壓器的變壓器的效率效率F線圈線圈鐵心鐵心銜鐵銜鐵電磁鐵電磁鐵是利用通電的鐵心是利用通電