磁路和鐵磁性材料

磁路和鐵磁性材料第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)磁路的基礎(chǔ)知識(shí)電流流過(guò)的路徑是電路，同樣，磁通經(jīng)過(guò)的路徑叫做磁路。如圖6-1所示，繞在鐵芯上的線圈產(chǎn)生的磁通在鐵芯中流動(dòng)。（a）（b）圖6-1磁路第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鐵磁材料：含有鐵、鈷、鎳及其合金的材料稱為鐵磁材料。鐵磁材料具有很強(qiáng)的磁化特性。磁化：鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部分子磁矩有秩序地排列，從而顯示出磁性的現(xiàn)象。鐵磁材料在外加磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生遠(yuǎn)大于外加磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)，利用鐵磁材料的這個(gè)特性，使用鐵磁材料做成鐵心，可以用較小的電流來(lái)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)。第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于鐵磁性材料具有較高的磁導(dǎo)率，導(dǎo)磁性能好，所以通常利用鐵磁性材料做鐵芯，以使磁通盡可能地集中在鐵芯中。但是，空間內(nèi)仍可能存在磁通，也就是存在漏磁現(xiàn)象。我們把集中在鐵芯內(nèi)的大部分磁通稱為主磁通，不在鐵芯內(nèi)的極小部分磁通稱為漏磁通。由此可見(jiàn)，磁路中的磁通是由主磁通和漏磁通構(gòu)成。I

主磁通

漏磁通鐵心線圈第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通電線圈的電流是產(chǎn)生磁通的原因，電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁通也越大。通電線圈的每一匝都要產(chǎn)生磁通，所有磁通合在一起構(gòu)成了磁路中的磁通。線圈的匝數(shù)越多，磁通也就越大。磁通與線圈中的電流強(qiáng)度和線圈的匝數(shù)有密切關(guān)系。通電線圈中的電流與線圈匝數(shù)的乘積被定義為磁動(dòng)勢(shì)（也稱磁通勢(shì)），即：

Em=NI（6-1）第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路中往往存在電阻，它對(duì)電流起到阻礙作用。磁路中同樣存在一個(gè)阻礙磁通的物理量，即磁阻。與導(dǎo)體的電阻相似，磁路中磁阻Rm與磁路的長(zhǎng)度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，與構(gòu)成磁路的材料的磁導(dǎo)率μ成反比，可利用下面的公式6-2描述：

由上面式子可以得出：Rm=l/μS

（6-2）若磁導(dǎo)率μ以H/m的單位，長(zhǎng)度l和截面積分別以m和m2為單位，則磁阻的單位為1/亨（H-1）第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)磁路的相關(guān)定律一、磁路的歐姆定律電路中存在歐姆定律，磁路中也存在歐姆定律，即通過(guò)磁路的磁通與磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁阻成反比。

Φ=Em/Rm（6-3）與電路相比，磁路中的磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于電路中的電動(dòng)勢(shì)，磁阻相當(dāng)于電阻，而磁通相當(dāng)于電流。需要注意的是，磁路與電路在本質(zhì)上不相同。電路斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)依然存在，但磁路卻總是閉合的。第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)線圈的互感一、互感現(xiàn)象在自然界中，除了自感現(xiàn)象外，還存在另一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即互感現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化，使另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫互感現(xiàn)象。互感現(xiàn)象可利用圖6-2所示的電路來(lái)說(shuō)明。圖6-2中，線圈L1與線圈L2靠得很近，L2接有檢流計(jì)G，用于檢驗(yàn)L2內(nèi)是否有電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合的瞬間，L1內(nèi)的電流I從無(wú)到有，L1中產(chǎn)生變化的磁通Φ1。Φ1的一部分磁通Φ12穿過(guò)L2，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，L2內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于L2與檢流計(jì)G串聯(lián)構(gòu)成了閉合的回路，因而L2內(nèi)有電流流過(guò)，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但是，S閉合一段時(shí)間后，由于I恒定不變，L2內(nèi)不再感生電動(dòng)勢(shì)，G的指針便回到零位。第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖6-2互感現(xiàn)象由互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)?；ジ须妱?dòng)勢(shì)的大小正比于穿過(guò)本線圈的磁通的變化率。當(dāng)L1中的磁通完全穿過(guò)L2時(shí)，互感電動(dòng)勢(shì)最大；當(dāng)L1和L2垂直時(shí)，L1中的磁通完全不穿過(guò)L2，此時(shí)的互感電動(dòng)勢(shì)最小?；ジ须妱?dòng)勢(shì)的方向仍用楞次定律判定，即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙原來(lái)磁場(chǎng)的變化?；ジ鞋F(xiàn)象如果利用恰當(dāng)，能夠給人們帶來(lái)許多益處，例如電源變壓器、電流互感器、電壓互感器等都利用了互感現(xiàn)象；如果利用不當(dāng)，它也會(huì)給我們的生活帶來(lái)不便，例如有線電話常由于兩路電路間的互感而串音，無(wú)線電設(shè)備也常由于互感現(xiàn)象造成相互干擾。第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、耦合系數(shù)對(duì)于兩個(gè)線圈，我們把一個(gè)線圈通有1A的電流時(shí)，在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生的磁通（也稱互感磁鏈）叫做互感系數(shù)，簡(jiǎn)稱互感。互感的國(guó)際單位與自感的相同，也是亨利（H）。互感的大小取決于兩個(gè)耦合線圈的幾何尺寸、匝數(shù)、相對(duì)位置和周圍磁介質(zhì)。如果磁介質(zhì)為非鐵磁性材料，互感則為常數(shù)。線圈中的互感電動(dòng)勢(shì)，與互感系數(shù)和另一個(gè)線圈中電流的變化率的乘積成正比。圖6-2中的兩個(gè)線圈，它們除了互感以外，每個(gè)線圈還有自感。兩線圈間的互感系數(shù)M和各自的自感系數(shù)L1、L2之間的關(guān)系為：第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月k稱為兩線圈的耦合系數(shù)，它反映了兩個(gè)線圈之間的耦合程度。由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以0≤k≤1。k=0表明兩個(gè)線圈不產(chǎn)生互感磁通；k=1表明兩個(gè)線圈耦合得最緊，互感磁通也最大，這時(shí)又叫做全耦合。第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、同名端在工程中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的有磁耦合的線圈，常常需要知道了互感電動(dòng)勢(shì)的極性，才能選擇正確的連接方式?；ジ须妱?dòng)勢(shì)的極性不但與原磁通及其變化方向有關(guān)，還與線圈的繞向有關(guān)。盡管可以利用楞次定律來(lái)判斷互感電動(dòng)勢(shì)的極性，但這并不方便，實(shí)際中常利用標(biāo)記同名端的方式來(lái)說(shuō)明互感電動(dòng)勢(shì)的極性。第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖6-3（a）所示，兩個(gè)線圈L1、L2繞在同一個(gè)鐵芯上。假設(shè)L1中通有隨時(shí)間逐漸增大的電流i，電流i產(chǎn)生的磁通φ1也隨時(shí)間的增加而增大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯中的磁通φ1在增大的過(guò)程中，L1中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，L2中將產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)，它們都會(huì)阻礙φ1的增大。根據(jù)安培右手定則可以判斷L1、L2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性如圖所示。其中，端點(diǎn)1和3的極性相同，端點(diǎn)2和4的極性相同。如果改變L1中電流的方向，仍讓其隨時(shí)間逐漸增大，那么L1、L2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性如圖6-3（b）所示。

（a）（b）圖6-3互感線圈的同名端第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顯然，端點(diǎn)1和3的極性仍相同，端點(diǎn)2和4的極性也相同。這說(shuō)明，如果兩個(gè)線圈按圖6-3的形式繞在同一個(gè)鐵芯上，那么不管電流的方向如何改變，大小如何改變，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在端點(diǎn)1和3上的極性始終保持相同，在端點(diǎn)2和4上的極性也始終相同。我們把這種在同一磁通作用下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的端點(diǎn)稱為同名端，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相反的端點(diǎn)稱為異名端。同名端利用“·”表示。工程中通常只標(biāo)出一對(duì)同名端，如圖6-4所示。

圖6-4同名端的標(biāo)記第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)變壓器變壓器是利用互感原理工作的一種電磁裝置。在電力系統(tǒng)中，變壓器常用于將某一數(shù)值的交流電壓或電流，變換成另一數(shù)值的交流電壓或電流。除了可以變換電壓電流之外，變壓器常用于變換阻抗和改變相位。變壓器的種類很多，有輸電和配電使用的電力變壓器，實(shí)驗(yàn)用的整流變壓器，電解用的整流變壓器，電子技術(shù)中使用的輸入和輸出變壓器等。盡管不同類型的變壓器在結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，并具有不同的功能，但它們的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的。第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器由鐵芯、繞組和一些附件構(gòu)成，其中鐵芯和繞組是其最主要的組成部分。變壓器的鐵芯是磁路的通道。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，變壓器鐵芯常用磁導(dǎo)率較高的、相互絕緣的硅鋼片疊裝而成，鋼片的厚度約為0.35～0.5mm。也有的變壓器采用鐵氧體或其他磁性材料作鐵芯。按鐵芯的結(jié)構(gòu)可將變壓器分成芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在鐵芯柱上；殼式變壓器的繞組被鐵芯所圍繞。大型的變壓器多采用芯式結(jié)構(gòu)，小型的變壓器多采用殼式結(jié)構(gòu)。第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變壓器的繞組是電流的通道，通常由具有良好絕緣性質(zhì)的漆包線繞在線圈框架上構(gòu)成。大型變壓器的繞組也使用紗包線和絲包線繞制。變壓器的繞組分為一次繞組（或稱初級(jí)繞組、原邊線圈）和二次繞組（或稱次級(jí)繞組、副邊線圈），其中一次繞組與電源相連，二次繞組與負(fù)載相連。變壓器的繞組和鐵芯之間、繞組與繞組之間以及繞組的每一匝之間都要保持良好的絕緣性，否則很容易燒壞。第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變壓器的附件有很多，例如屏蔽裝置，冷卻裝置等。為了使變壓器不受外界電磁場(chǎng)的干擾，常利用鐵殼或鋁殼將其罩起來(lái)，在一次繞組和二次繞組之間也常加一層金屬靜電屏蔽層。變壓器在正常工作時(shí)還需及時(shí)散熱，否則容易發(fā)生事故。變壓器的冷卻方式主要有油冷和自冷兩種。小型變壓器多采用自冷式，即靠空氣的流動(dòng)自然散熱；大型變壓器多采用油冷式，即把變壓器的鐵芯和繞組全部浸在油箱中。變壓器在電路中的符號(hào)如圖6-7所示。第18頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（a）（b）圖6-7變壓器的符號(hào)第19頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、變壓器的工作原理1.變換電壓理想的變壓器模型如圖6-8所示。讓一次繞組與交流電壓源相連，二次繞組不接任何負(fù)載，這時(shí)變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài)，一次繞組上的電流i0為空載電流。磁動(dòng)勢(shì)i0N1在鐵芯磁路中產(chǎn)生交變的磁通。與一次和二次繞組交鏈，使得一次繞組和二次繞組上分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e1和e2。如果φ=Φmsin2πft，f是交流電壓源的頻率，那么e1和e2的有效值E1、E2分別為:于是:E1/E2=N1/N2第20頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于變壓器的空載電流非常小，由一次繞組內(nèi)阻形成的電壓可以忽略不計(jì)，因而一次繞組上的感應(yīng)電壓E1的有效值與交流電壓源的有效值U1近似相等。另外，由于二次繞組未接負(fù)載，其感應(yīng)電壓的有效值E2就等于其端電壓的有效值U2。因此:U1/U2≈E1/E2=N1/N2=K（6-8）上式表明，變壓器空載時(shí)，兩繞組的電壓之比近似等于匝數(shù)之比。這個(gè)比值K稱為變壓比，簡(jiǎn)稱變比。K＞1的變壓器稱為降壓變壓器，K＜1的變壓器稱為升壓變壓器。圖6-8變壓器的空載運(yùn)行第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.變換電流如果在圖6-8所示的變壓器的二次繞組上接負(fù)載Z，那么變壓器由空載運(yùn)行變?yōu)橛休d運(yùn)行，如圖6-9所示。變壓器處于有載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，二次繞組上將產(chǎn)生電流i2。對(duì)于理想變壓器，根據(jù)能量守恒定律，一次繞組從電源獲取的能量應(yīng)等于二次繞組上負(fù)載消耗的能量，即變壓器從電源獲取的功率P1應(yīng)等于它的輸出功率P2。根據(jù)交流電路的功率計(jì)算公式可知,P1=U1I1cosφ1，P2=U2I2cosφ2，式中，U1和U2分別為交流電壓源電壓的有效值和負(fù)載電壓的有效值，I1和I2分別為一次繞組內(nèi)和二次繞組內(nèi)電流的有效值，cosφ1和cosφ2分別為一次繞組電路和二次繞組電路的功率因數(shù)。由于φ1與φ2通常相差較小，在工程中可近似認(rèn)為它們是相等的，因而U1I1≈U2I2，即：

（6-9）第22頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖6-9變壓器的有載運(yùn)行可見(jiàn)，變壓器在有載狀態(tài)下工作時(shí)，一次繞組和二次繞組中的電流跟兩個(gè)繞組的匝數(shù)成反比，可以通過(guò)改變變壓器的匝數(shù)比來(lái)改變電流。電流互感器就是根據(jù)這一原理制成的。3.變換阻抗在電子電路中，常利用變壓器將負(fù)載電阻變成與信號(hào)源的內(nèi)阻相等，以使負(fù)載獲得最大功率。此時(shí)稱為阻抗匹配。上式表明，如果在變壓器的二次側(cè)接上負(fù)載|Z2|，那么相當(dāng)于使電源接上大小為|Z1|=K2|Z2|的阻抗。

第23頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、變壓器的銘牌變壓器的銘牌上面標(biāo)有變壓器的型號(hào)、額定值等技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)查看變壓器的銘牌，我們能夠初步了解變壓器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。變壓器的型號(hào)上標(biāo)有變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、額定容量（單位是kV·A）和高壓側(cè)的電壓等級(jí)（單位是kV），如圖6-10所示。電力變壓器型號(hào)中常用符號(hào)的含義見(jiàn)表6-2。圖6-10變壓器的型號(hào)表6-2變壓器型號(hào)中常用符號(hào)的含義（見(jiàn)書(shū)126頁(yè)）第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)鐵磁性材料的基礎(chǔ)知識(shí)一、鐵磁性物質(zhì)的磁化當(dāng)把一根鐵棒插入通有電流的線圈時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)鐵棒能夠吸引鐵屑，這是由于鐵棒被磁化的緣故。所謂磁化是指使原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)具有磁性的過(guò)程。只有鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化，非鐵磁性物質(zhì)不能被磁化。鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化的主要原因是其內(nèi)部存在大量的磁性小區(qū)域，即磁疇。在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，鐵磁物質(zhì)中磁疇的排列雜亂無(wú)章，磁性相互抵消，物質(zhì)對(duì)外界并不顯磁性。但是，在外磁場(chǎng)作用下，磁疇將沿著磁場(chǎng)的方向排列，從而產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，如圖6-11所示。附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)疊加在一起，使得總磁場(chǎng)增強(qiáng)。有些鐵磁性物質(zhì)在去掉外磁場(chǎng)后對(duì)外仍顯磁性，于是它們變成了永久磁鐵。第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（a）（b）

圖6-11鐵磁性物質(zhì)的磁疇第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、磁化曲線鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生磁場(chǎng)。表征鐵磁性物質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的曲線，稱為磁化曲線，也稱為B-H曲線。如果鐵磁性物質(zhì)從完全無(wú)磁的狀態(tài)進(jìn)行磁化所得到的磁化曲線稱為起始磁化曲線。磁化曲線是非線性的。起始磁化曲線應(yīng)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖6-12所示。圖6-12鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線第27頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在磁化曲線起始的Oa段，曲線上升緩慢，這是由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇的慣性造成的，這個(gè)階段稱為起始磁化階段。隨著H的增大，B也增大，磁化曲線中ab段的變化接近于直線，這是由于大量的磁疇在外磁場(chǎng)作用下沿著磁場(chǎng)的方向排列，附加磁場(chǎng)增強(qiáng)。然后，在bc段，隨著H的增大，B也增大，但增大的速度變慢，這是由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部只剩下了少數(shù)的磁疇。最后，在cd段，由于鐵磁性物質(zhì)幾乎全部被磁化，繼續(xù)增大H，B幾乎沒(méi)有變化，即B達(dá)到了飽和值。不同的鐵磁性物質(zhì)具有不同的磁化曲線。第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、磁滯回線上面介紹的磁化曲線只反映了鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)由零逐漸增強(qiáng)時(shí)的磁化過(guò)程。但是，在實(shí)際使用中，許多鐵磁性材料往往工作在大小和方向交替變化的磁場(chǎng)中，這時(shí)由于鐵磁性物質(zhì)具有滯后效應(yīng)和粘滯性，使得B的值不僅與相應(yīng)的H有關(guān)，還與物質(zhì)之前的磁化狀態(tài)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，如果B達(dá)到飽和值后，逐漸減小H，這時(shí)B并不是沿著圖6-12中的磁化曲線減小，而是沿著另一條曲線下降，如圖6-13所示的de段。當(dāng)H減小至零時(shí)，B的值不是零，而是Br，Br稱為剩磁。圖6-13磁滯回線第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為了消除剩磁，必須施加反向的磁場(chǎng)。當(dāng)反向磁場(chǎng)由零增大到Hc時(shí)，B的值為零。Hc稱為矯頑力，它反映了鐵磁性物質(zhì)保持剩磁的能力。繼續(xù)增大反向磁場(chǎng)，B的值將從零變?yōu)樨?fù)值，即B的方向發(fā)生改變，鐵磁性物質(zhì)被反向磁化。反向磁化使B達(dá)到飽和值后，減小反向磁場(chǎng)，磁化曲線將沿gk段變化，在k點(diǎn)處H為零。繼續(xù)增大正向磁場(chǎng)，磁化曲線將沿khd變化。從磁化的整個(gè)過(guò)程可以看出，B的變化總