第6章磁路與鐵心線圈電路

電工學(xué)（第七版）電子教案沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電工教研室第6章磁路與鐵心線圈電路電子教案沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電工教研室第6章磁路與鐵心線圈電路6.2交流鐵心線圈電路6.3變壓器6.4電磁鐵

6.1磁路及其分析方法2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)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;本章要求：第6章磁路與鐵心線圈電路5.了解電磁鐵的基本工作原理及其應(yīng)用知識(shí)。1.理解磁場(chǎng)的基本物理量的意義，會(huì)分析計(jì)算交流鐵心線圈電路;在很多電工設(shè)備（如變壓器、電機(jī)、電磁鐵、電工測(cè)量?jī)x器等）中，不僅有電路的問(wèn)題，同時(shí)還有磁路的問(wèn)題。只有同時(shí)掌握了電路和磁路的基本理論，才能對(duì)以上電工設(shè)備進(jìn)行全面分析。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(guò)鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。磁路問(wèn)題與磁場(chǎng)和磁介質(zhì)有關(guān)，而磁場(chǎng)往往與電流相關(guān)聯(lián)，所以本章將研究磁路和電路的關(guān)系及磁和電的關(guān)系。本章討論對(duì)象將以變壓器和電磁鐵為主，重點(diǎn)研究其電磁特性，為以后研究電動(dòng)機(jī)的基本特性作基礎(chǔ)。磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)

電流的磁效應(yīng)是：只要導(dǎo)線中有電流就會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，即所謂的電生磁。一般用磁感應(yīng)線（磁力線）來(lái)描述磁場(chǎng)。如圖所示：磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)大拇指方向表示導(dǎo)線電流方向四指回轉(zhuǎn)方向表示磁感線方向。右手螺旋定則：大拇指方向表示導(dǎo)線電流方向四指回轉(zhuǎn)方向表示磁感線方向。右手螺旋定則：磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)右手螺旋定則：磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)

四指回轉(zhuǎn)方向表示線圈電流方向大拇指方向表示線圈內(nèi)部磁感線方向。磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量①、磁感應(yīng)強(qiáng)度B

為了表征磁場(chǎng)的特性，常用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。磁感應(yīng)強(qiáng)度B是一個(gè)矢量，磁場(chǎng)中任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B

的方向是通過(guò)該點(diǎn)磁感應(yīng)線的切線方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為通過(guò)該點(diǎn)與B垂直的單位面積上磁感應(yīng)線的數(shù)目。B=ΦA(chǔ)Wb/m2

磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量①、磁感應(yīng)強(qiáng)度B②、磁通量Φ

穿過(guò)某一截面積A的磁感應(yīng)線的數(shù)目稱為磁感應(yīng)通量，簡(jiǎn)稱磁通量。

對(duì)于均勻磁場(chǎng)磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量①、磁感應(yīng)強(qiáng)度B②、磁通量Φ③、磁場(chǎng)強(qiáng)度H

μ0=4π×10－7H/m

H與B的區(qū)別①H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。②

B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。單位：A/m磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量②、磁路定律2、基本電磁定律①、電路定律KCL、KVL和VCR磁路基爾霍夫第一定律磁路基爾霍夫第二定律磁路歐姆定律磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量2、基本電磁定律3、電磁感應(yīng)定律

變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，是導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在我們的學(xué)習(xí)中有下面的兩個(gè)方面：

（1）導(dǎo)體與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為切割電動(dòng)勢(shì)。

（2）線圈中的磁通變化時(shí)，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為變壓器電動(dòng)勢(shì)。磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量2、基本電磁定律3、電磁感應(yīng)定律②、變壓器電動(dòng)勢(shì)①、切割電動(dòng)勢(shì)磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律1、磁場(chǎng)的基本知識(shí)a、電流的磁效應(yīng)b、磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量2、基本電磁定律3、電磁感應(yīng)定律4、電磁力定律6.2

交流鐵心線圈電路2．交流鐵心線圈電路鐵心線圈分為兩種：1．直流鐵心線圈電路直流鐵心線圈通直流來(lái)勵(lì)磁（如直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈）。因?yàn)閯?lì)磁是直流，則產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來(lái)，在一定的電壓U下，線圈電流I只與線圈的R有關(guān)，P也只與I2R有關(guān)，所以分析直流鐵心線圈比較簡(jiǎn)單。本課不討論。

交流鐵心線圈通交流電來(lái)勵(lì)磁（如交流電機(jī)、變壓器及各種交流電器的線圈）。其電壓、電流等關(guān)系與直流不同，下面我們就來(lái)討論之。6.2

交流鐵心線圈電路6.2.1電磁關(guān)系–+e–+e+–ui(磁通勢(shì))主磁通：通過(guò)鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過(guò)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

交流鐵心線圈電路6.2.1電磁關(guān)系–+e–+e+–ui線圈鐵心6.2.2電壓電流關(guān)系式中：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(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：6.2

交流鐵心線圈電路6.2.1電磁關(guān)系–+e–+e+–ui線圈鐵心6.2.2電壓電流關(guān)系設(shè)主磁通則有效值6.2

交流鐵心線圈電路6.2.1電磁關(guān)系–+e–+e+–ui線圈鐵心6.2.2電壓電流關(guān)系有效值

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(dòng)勢(shì)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]；A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銅損和鐵損兩種。1.銅損(Pcu)在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu

表示。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。它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比。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?。航蛔兇呕恢茉阼F心的單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。

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。(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(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。由此可見所以，在鐵心線圈電路中Bm不能取的太大。（為什么?）一般取0.8-1.2T。如何減少渦流損耗呢？(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(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(通常由于硅鋼片）。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(guò)程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）6.3.1概述UIP=I2RlIA電力工業(yè)中常采用高壓輸電，以減小遠(yuǎn)距離傳輸中的線路損耗。在到達(dá)目的地后，再由配電變壓器降低電壓等級(jí)，以降低電氣設(shè)備的絕緣等級(jí)和保證用電安全。具體如下：發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實(shí)驗(yàn)室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓變壓器的分類電力變壓器(輸配電用)電壓互感器電流互感器按用途分儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分單相變壓器三相變壓器按制造方式殼式心式干式變壓器

高燃點(diǎn)全密封變壓器

330KV變壓器

樹脂澆注干式變壓器單相變壓器變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組由高導(dǎo)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鐵心單相變壓器6.3.2

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。一次繞組N1二次繞組N2鐵心單相變壓器(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。i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。+–+–+–+–1+–(2)帶負(fù)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)接負(fù)載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

22i2+–e2+–e2+–u2Z有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢(shì)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(dòng)勢(shì)變壓器一次側(cè)等效電路如圖繞組電阻R1和漏磁通較小,其兩端的電壓也較小,忽略不計(jì),則(2)一次、二次側(cè)電壓變壓器空載時(shí):變壓器空載電壓（匝比）K為變比結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。故有變比在變壓器的名牌上標(biāo)注，它表示一、二次繞組的額定電壓值比，例如：

“6000/400V”(K=15)由于變壓器有內(nèi)阻抗壓降,所以,二次繞組的空載電壓一般應(yīng)較滿載時(shí)的電壓高5%~10%。

二次繞組的額定電壓

(指一次繞組加額定電壓時(shí)，二次繞組的空載電壓)

U2N=400V表明一次繞組的額定電壓

(一次繞組上應(yīng)加的電源電壓)U1N=6000V三相電壓的變換三相變壓器焊機(jī)變壓器(1)三相變壓器的結(jié)構(gòu)3.電流變換有載運(yùn)行當(dāng)U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)?？蛰d：有載：由磁勢(shì)平衡式：空載磁勢(shì)有載磁勢(shì)一般情況下：I0一般為10%I1N以內(nèi)很小可忽略。結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比?；颍捍艅?shì)平衡式：所以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K2倍。

(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為解:例1:

如圖,交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=120V,內(nèi)阻R0=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(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）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？信號(hào)源的輸出功率為電子線路中，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(hào)源上時(shí)，輸出功率(1)變壓器的型號(hào)5.變壓器的銘牌和技術(shù)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(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)(2)額定值額定電壓U1N、U2N

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

U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓

額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流

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(cè)輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系(單相)效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運(yùn)行時(shí)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1.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(shí)，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(shí)，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

變化不大)，電壓變化率約在5%左右。電壓變化率：cos2=0.8（滯后）U2I2U20I2Ncos2=1O電壓變化率越小，供電電壓穩(wěn)定性越好。2.變壓器的效率()變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。與負(fù)載大小（正比于電流平方）有關(guān)。

鐵損(PFe)：變壓器的效率一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí),最大。輸出功率輸入功率磁滯損耗：渦流損耗它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm

的平方成正比。與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。AXax當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出)端稱為同極性端。??1.同極性端(同名端)或者說(shuō)，當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。同極性端用“?”表示。增加+–+–同極性端和繞組的繞向有關(guān)。6.3.4

變壓器繞組的極性?AXax++––?聯(lián)接

2－3變壓器原一次側(cè)有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組：2.線圈的接法

聯(lián)接

1－3，2－4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+–+–電源電壓為110V時(shí)：1324??1324

??ii使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置,便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：一次、二次側(cè)千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用，以防變壓器損壞。因?yàn)镹變小時(shí)，磁通增大，電流會(huì)迅速增加。6.3.5

特殊變壓器1.自耦變壓器被測(cè)電壓=電壓表讀數(shù)N1/N22.電壓互感器實(shí)現(xiàn)用低量程的電壓表測(cè)量高電壓其中：一次電壓U1N是電網(wǎng)的額定電壓,且已標(biāo)準(zhǔn)化(如10,35,110，220,330,500千伏等),

二次電壓U2N,一般設(shè)計(jì)為100伏。電壓表U1N/U2N

=K被測(cè)電壓=電壓表讀數(shù)N1/N22.電壓互感器實(shí)現(xiàn)用低量程的電壓表測(cè)量高電壓電壓表1.二次側(cè)不能短路，以防產(chǎn)生過(guò)流；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。使用注意事項(xiàng)：JDZ-15電壓互感器JDZ2-1澆注式電壓互感器JDJ2-35油浸式電壓互感器JZW-12型電壓互感器被測(cè)電流=電流表讀數(shù)N2/N1(1)二次側(cè)不能開路，以防產(chǎn)生高電壓；(2)鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)過(guò)壓。使用注意事項(xiàng)：3.電流互感器實(shí)現(xiàn)用低量程的電流表測(cè)量大電流二次線圈額定電流I2N一般為5安。電流表電流互感器鉗式電流表支持式電流互感器穿墻式電流互感器6.4

電磁鐵1.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(shí)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(dòng)作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。根據(jù)使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵(lì)磁；交流電磁鐵：用交流電源勵(lì)磁。2.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。鐵心銜鐵線圈線圈銜鐵鐵心銜鐵有時(shí)是機(jī)械零件、工件充當(dāng)銜鐵線圈鐵心3.電磁鐵吸力的計(jì)算電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積A0及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的平方成正比?；竟饺缦拢菏街校築0的單位是特[斯拉]

A0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(chǎng)是交變的，設(shè)則吸力瞬時(shí)值為:式中：為吸力的最大