鐵心線圈與變壓器

鐵心線圈與變壓器15.3電磁鐵15.1磁路的基本概念15.2鐵心線圈電路15.4變壓器第15章鐵心線圈與變壓器第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解磁路的基本物理量和基本定律；了解鐵磁性材料的磁性能以及磁損耗概念；理解交流鐵心線圈電路的基本電磁關(guān)系以及電壓電流關(guān)系；了解電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理；了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、同極性端及特殊變壓器的特點(diǎn)；掌握變壓器的工作原理及額定值的意義。第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。

F

線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。F：主磁通

F：漏磁通鐵心（導(dǎo)磁性能好的鐵磁性材料）線圈15.1磁路的基本概念i第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.1.1磁路的基本物理量SBF=磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）：B：單位：特斯拉（T）磁通：F

：單位：韋伯（Wb）磁動勢：F：單位：安（A）磁場強(qiáng)度：H：單位：安/米（A/m）磁導(dǎo)率：

：單位：亨/米（H/m）F=NIlHNI=表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量mBH=第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)0m稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率

一般材料的磁導(dǎo)率m和真空中的磁導(dǎo)率m0之比，，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料-70104=pm·非磁性材料：磁導(dǎo)率低，如真空、空氣；磁性材料：磁導(dǎo)率高，如鐵磁物質(zhì)。第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天分子中的電子環(huán)繞原子核運(yùn)動和本身的自轉(zhuǎn)運(yùn)動形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場。每個(gè)分子基本上相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。磁性物質(zhì)內(nèi)，分成許多小區(qū)域，分子間的特殊作用力使每個(gè)區(qū)域內(nèi)的分子磁鐵排列整齊，顯示磁性，稱為：磁疇。磁疇在沒有外電場作用時(shí)，各磁疇排列混亂，磁場互相抵消，對外不顯磁性。15.1.2鐵磁性材料的磁性能第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天B0在鐵心上繞上線圈，通入

電流，產(chǎn)生磁場：B0

B0：以空氣為介質(zhì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。B0Bj在外磁場的作用下，磁疇就順向外磁場的方向，顯示出磁性，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化磁場。B0外電流越大，磁化磁場越大，當(dāng)外電流增大到一定值時(shí)，磁疇全部轉(zhuǎn)向外磁場的方向，Bj最大。Bj第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論：（1）用鐵磁材料作磁路時(shí)，通入不大的勵磁電流，可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。（2）用鐵磁材料作磁路時(shí)，可以做成大電感。非磁性材料沒有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化的特性。第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

H（4）鐵磁材料的不是常數(shù)，

隨電流變化。（5）鐵心線圈的電感是隨電流變化的。鐵心線圈是非線性電感。（3）磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)，當(dāng)外磁場增大到一定值時(shí)，全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外磁場的方向一致。這時(shí)：磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bj

即達(dá)到飽和值。空心線圈是線性電感。第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天非線性！m不是常數(shù)矯頑力矯頑磁力剩磁剩磁磁滯性磁飽和非線性鐵磁性材料的磁性能非線形；強(qiáng)磁化性；磁飽和性；磁滯性。基本磁化曲線：B=f（H）或

F=f（I）H（I）B(F)0QPB（

F）H（I）ti勵磁電流勵磁電流ti001122334455661第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、永磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（滯回線接近矩形?？捎米鲇洃浽（

F）H（I）B（

F）H（I）B（

F）H（I）第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天對于均勻磁路15.1.3磁路的歐姆定律則：

INSL由于磁性材料的

不為常數(shù)，磁路歐姆定律只用作定性分析，不做定量計(jì)算。slRmm=令：Rm

稱為磁阻φmRLSNIF==m注意！第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天磁路和電路的比較磁通Φ磁壓降HL磁動勢INF=電動勢電流電壓降UEI電路R+_EIU磁路IN

磁阻SlRmμ=電阻SlRγ=mRF=Φ歐姆定律REI=歐姆定律第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天F——反映通電線圈勵磁能力的大小Rm——表示磁路的材料對磁通起阻礙作用的物理量。反映磁路導(dǎo)磁性能的強(qiáng)弱，它只與磁路的尺寸、材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。對于不同材料或不同截面組成的幾段磁路，磁路的總磁阻為各段磁阻之和。第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天INF=SlRmm=

一定：

大Rm小F小I小

小Rm大F大I大I一定：

大Rm小

大

小Rm大

小第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天對帶有空氣隙的磁路l1、

1l2、

20.5l0Rm0中，雖然l0很小，但

0很小，因此Rm0很大，使整個(gè)磁路的磁阻大大增加。I不變：Rm大

小

不變：Rm大I大電工設(shè)備的磁路中要盡量減小空氣隙.第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天例1一環(huán)型鐵心線圈，尺寸如圖示，鐵心材料為鑄鋼，磁路中含有長度為0.2厘米的空氣隙。設(shè)線圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求線圈匝數(shù)。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均長度為L=(10+15)*3.14=39.2cm鑄鋼磁路的長度為L1=39.2-0.2=39cm查磁化曲線,當(dāng)B=0.9T時(shí)，H=500AH1L1=500·39·10-2=195A氣隙磁路長度為H0L0=B0L0/

0

=1440ANI=H1L1+H0L0=1635A?L0=0.2cm

0=410-7Hm第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流。（線圈中的電流）15.2鐵心線圈電路分類：直流鐵心線圈交流鐵心線圈勵磁電流為直流電勵磁電流為交流電將線圈繞制在鐵心上就構(gòu)成了鐵心線圈。第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.2.1直流鐵心線圈勵磁電流為直流：

RUI=（R

為線圈的電阻）IUU一定I一定，與磁路特性無關(guān)；

磁動勢恒定：F=NI

磁通：)(mRFΦ=Rm一定Φ

一定，恒定磁通，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生；

功率損耗：P=I2R只由線圈中的電流和線圈電阻決定。第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天直流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。IU1）因電流只與電源電壓和線圈電阻有關(guān)，所以，吸合前后電流不變：I=U/R2）因磁動勢一定，F(xiàn)=NI吸合前，磁路中氣隙大，磁阻大，Φ?。晃虾?，磁路中氣隙小，磁阻小，Φ大。)(mRFΦ=例2第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天：主磁通：漏磁通uΦsΦesei15.2.2交流鐵心線圈交流勵磁：線圈中上加正弦交流電壓，勵磁電流為交流電流產(chǎn)生交變磁通在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢uΦsΦi（iN）e=-NdΦdtes=-NdΦsdt電流與磁通方向符合右螺旋法則第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天電路方程：eeuuR-+-+=)()(sΦ

：漏磁通，很小；R：線圈電阻，很小，1.基本電磁關(guān)系uΦsΦesei假設(shè)則tfNΦmwpcos2=最大值有效值mmfNΦUU44.42

=tNΦumwwcos

mmfNΦUp2

第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2、功率損耗

P=Pcu+Pfe

銅損：Pcu=I2Rcu鐵損：Pcu=Ph+Pe

Ph：磁滯損耗：

鐵心材料的磁滯回線面積采用軟磁性材料做鐵心可以減少磁滯損耗。Pe：渦流損耗：與鐵心的截面積、電源頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。采用順磁場方向的硅鋼片疊成的鐵心可以減少渦流損耗。第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天mNfUF44.4

當(dāng)外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時(shí)，

便一定。與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無關(guān)。mΦ3.交流磁路的特點(diǎn)mR

一定，磁動勢IN隨磁阻

的變化而變化；mΦmRΦIN=uiX0RFeRcuX

線圈鐵心交流鐵心線圈的串聯(lián)等效電路：

第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天uiX0RFeRcuX

線圈鐵心RCu:線圈電阻。X

:漏磁通引起的感抗。RFe:鐵心電阻。X0:鐵心存儲能量引起的感抗。第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天在吸合過程中若外加電壓U不變,則Φ

不變。iumRΦIN=

電磁鐵吸合后(氣隙小）

小電流小。mR

如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時(shí)間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。交流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。電磁鐵吸合前(氣隙大）

大電流大；mR例3注意！第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天(U不變，I不變）(I

隨Rm

變化）（U不變時(shí)，基本不變）直流磁路交流磁路磁路小結(jié)（隨Rm變化）第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天思考(1)將交流鐵心線圈接到與其額定電壓值相等的直流電壓上，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？(2)將直流鐵心線圈接到有效值與其額定電壓值相等的交流電壓上，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？感抗XL以及與PFe對應(yīng)的等效電阻RFe將不存在線圈電流U/RCu將很大，以至燒壞線圈。將產(chǎn)生感抗XL以及與PFe對應(yīng)的等效電阻RFe磁路的磁通達(dá)不到額定狀態(tài)，且鐵心（整塊鐵）將會嚴(yán)重發(fā)熱。第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.3電磁鐵結(jié)構(gòu)：鐵心、繞組、銜鐵IU工作原理：線圈通電產(chǎn)生電磁力吸合銜鐵線圈斷電電磁力消失釋放銜鐵應(yīng)用：工業(yè)控制線圈鐵心銜鐵氣隙電磁吸力：f=1078

B02S0

（牛頓）經(jīng)驗(yàn)公式氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度氣隙截面面積第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.3.1直流電磁鐵勵磁線圈加直流電壓—直流鐵心線圈。電磁吸力：F=1078

B02S0

（牛頓）線圈電流：銜鐵吸合過程中吸力不斷增強(qiáng)。為什么？銜鐵吸合過程中電流不變。第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.3.2交流電磁鐵勵磁線圈加交流電壓—交流鐵心線圈。電磁吸力：問題：電磁吸力以兩倍的電源頻率波動，引起震動和噪聲。解決：在部分磁路上加分磁環(huán)，使兩部分磁路中的磁通產(chǎn)生相位差，消除震動和噪聲。第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天為什么？線圈電流：銜鐵吸合過程中電流不斷減小。銜鐵吸合過程中吸力大小不變。電磁吸力：使用交流電磁鐵時(shí)不允許通電后長時(shí)間不吸合！第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天交流電磁鐵：勵磁線圈加交流電壓—交流鐵心線圈。直流電磁鐵：勵磁線圈加直流電壓—交流鐵心線圈。交、直流電磁鐵的區(qū)別：1）交流電磁鐵的鐵心是硅鋼片疊成，直流電磁鐵的鐵心可以是一整塊軟鋼；2）交流電磁鐵吸合前后電流要變，直流電磁鐵吸合前后電流不變；3）交流電磁鐵吸合前后吸力不變，直流電磁鐵吸合前后吸力要變。思考產(chǎn)生以上三個(gè)不同點(diǎn)的原因是什么？第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天變壓器功能：變電壓：電力系統(tǒng)變阻抗：電子電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器）變電流：電流互感器15.4變壓器第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

發(fā)電廠1.05萬伏輸電線22萬伏升壓變電站

1萬伏降壓

變壓器應(yīng)用舉例…降壓實(shí)驗(yàn)室380/220伏降壓儀器36伏降壓第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天單相變壓器鐵芯原邊繞組副邊繞組15.4.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心：變壓器的磁路。高、低壓繞組.原邊（一次繞組）：接電源的繞組副邊（二次繞組）：接負(fù)載的繞組變壓器符號：第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天15.4.2變壓器的工作原理工作過程u2Φi1N1u1i2N2參考方向的確定

原邊是電源的負(fù)載；

副邊是負(fù)載的電源；N1N2e1e2

原、副邊的e與

符合右螺旋法則；第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天空載運(yùn)行：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(yīng)電動勢1i

i10

產(chǎn)生磁通

（交變）e,方向符合右螺旋法則1.電壓變換原理注意第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比1u根據(jù)交流鐵心線圈的電磁關(guān)系分析可得：mΦNfE1144.4=

U1mΦNfE2244.4=

U2第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天有載運(yùn)行：副邊接入負(fù)載。E1

U1E2

U2忽略線圈電阻和漏磁通的影響所以，電壓比為第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2.電流變換原理ZNiNiNi102211

+因?yàn)椋嚎蛰d時(shí)：勵磁電流是：

i10磁動勢是：i10N1有載時(shí)：勵磁電流是：i1與

i2磁動勢是：i1N1+i2N2所以：當(dāng)電源電壓的大小和頻率一定時(shí)，鐵心中的磁通大小一定。產(chǎn)生同樣磁通的磁動勢相等磁勢平衡方程式：44.411mΦNfU

第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高，空載勵磁電流很小，可忽略。10i0Z0

+11NI22NI11NI22NI-NiNiNi102211

+即：第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1）原、副邊電流的大小與匝數(shù)成反比；結(jié)論2）副邊電流對原邊電流起去磁作用；3）副邊電流取決于負(fù)載，原邊電流取決于副邊電流。ZRL

i2

i1

負(fù)載電阻增大時(shí)，原邊電流如何變化？第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天LZ3.阻抗變換原理22IUZL=u1i1

22222211KZKIUKIKUIUZLL====

第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天信號源電動勢E=80V

，內(nèi)阻R0=400

，負(fù)載電阻RL=4

。1）負(fù)載直接接在信號源上時(shí)，信號源的輸出功率。1）將負(fù)載直接接到信號源上，得到的輸出功率為：例2求：2）阻抗匹配時(shí)變壓器的變比及輸出功率功率。解：2）阻抗匹配時(shí)應(yīng)使RL=R0將負(fù)載通過變壓器接到信號源上變換阻抗。第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天ELR1N2NR0輸出功率為：21=10

NNK則變比：LLRKR2=

=400

′′′第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許的電流值。NNNNNIUIUS2211==（理想）15.4.3變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)和額定值變壓器副邊開路（空載）時(shí)，原、副邊繞組允許的電壓值。1）額定電壓U1N/U2N2）額定電流I1N/I2N3）額定容量SN變壓器輸出的額定視在功率。第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天變壓器輸出功率與輸入功率的比值。4）額定效率hN5）額定頻率fN電源的工作頻率。50Hz6）電壓調(diào)整