1、鐵心線圈和變壓器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； 掌握變壓器的工作原理及額定值的意義。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i15.1.1 磁路的基本物理量SBF=磁感應(yīng)強度（磁通

2、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）磁場強度：H：單位：安/米（A/m）磁導(dǎo)率：單位：亨/米（H/m）F=N IlHN I=表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量mBH= 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)。分子中的電子環(huán)繞原子核運動和本身的自轉(zhuǎn)運動形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場。每個分子基本上相當(dāng)于一個小磁鐵。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區(qū)域內(nèi)的分子

3、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，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，磁疇全部轉(zhuǎn)向外磁場的方向， Bj最大。Bj結(jié)論：（1）用鐵磁材料作磁路時，通入不大的勵磁電流，可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強度。（2）用鐵磁材料作磁路時，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。H（4）鐵磁材料的不是常數(shù)，隨

4、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而無限增強，當(dāng)外磁場增大到一定值時，全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外磁場的方向一致。這時：磁化磁場的磁感應(yīng)強度Bj 即達(dá)到飽和值。空心線圈是線性電感。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 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

5、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。可用做記憶元件）。B （ F）H （I）B （ F）H （I）B （ F）H （I）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，不做定量計算。slRmm=令：Rm 稱為磁阻mRLSNIF=m注意！磁路和電路的比較磁通磁壓降HL磁動勢INF=電動勢電流電壓降UEI電路R+_EIU磁路IN 磁阻SlRm=電阻SlR=mRF=歐姆定律REI=歐姆定律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)磁性能的強弱，它只與磁路的

6、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。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.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)強度，試求線圈匝數(shù)。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均長度為L=(10+15)*3.1

7、4=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，H=500AH1L1=5003910-2=195A氣隙磁路長度為H0L0= B0 L0/ 0 =1440ANI=H1L1+ H0L0 =1635A?L0=0.2cm 0=410-7Hm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。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=N I磁通：)(mRF=Rm

8、一定 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。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， 小；吸合后，磁路中氣隙小，磁阻小， 大。)(mRF=例2：主磁通：漏磁通usesei15.2.2 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usi （i N）e= -Ndd te s = -Nd sd t電流與磁通方向符合右螺旋法則電路方程：ee

9、uuR-+-+=)()(s ：漏磁通，很小；R：線圈電阻， 很小，1.基本電磁關(guān)系usesei假設(shè)則tfNmwpcos2=最大值有效值mmfNUU44.42=tNumwwcosmmfNUp22、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。mNfUF44.4 當(dāng)外加電壓U、頻率 f 與線圈匝數(shù)N一定時， 便一定。與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無關(guān)。m 3.交流磁路的特點mR

10、一定，磁動勢IN 隨磁阻 的變化而變化；mmRIN=uiX0RFeRcuX線圈鐵心交流鐵心線圈的串聯(lián)等效電路：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。在吸合過程中若外加電壓U不變,則 不變。iumRIN=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！(U不變，I不變）( I 隨 Rm 變化）（ U不變時， 基本

11、不變）直流磁路交流磁路磁路小結(jié)（隨Rm變化）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。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 =1078B02S0 （牛頓）經(jīng)驗公式氣隙磁感應(yīng)強度氣隙截面

12、面積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 =1078B02S0 （牛頓）線圈電流：銜鐵吸合過程中吸力不斷增強。為什么？銜鐵吸合過程中電流不變。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。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：使用交流電磁鐵時不允許通電后長時間不吸合！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)

13、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)生以上三個不同點的原因是什么？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 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)用舉例降壓實驗室380 / 220伏降壓儀器36伏降壓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（

14、二次繞組）：接負(fù)載的繞組變壓器符號：15.4.2 變壓器的工作原理工作過程u2i1 N1u1i2 N2參考方向的確定 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；空載運行 ：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：mNfE1144.4=U1mNfE2244.4=U2有載運行 ：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2

15、.電流變換原理ZNiNiNi102211+因為：空載時：勵磁電流是： i10磁動勢是： i10N1有載時：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，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：44.411mNfU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 。10i 0Z0+11NI22NI11NI22NI -NiNiNi102211+即：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，原邊電流如何變化

16、？LZ3. 阻抗變換原理22IUZL=u1i122222211KZKIUKIKUIUZLL=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，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）阻抗匹配時變壓器的變比及輸出功率功率。解：2）阻抗匹配時應(yīng)使RL=R0將負(fù)載通過變壓器接到信號源上變換阻抗。ELR1N2NR0輸出功率為：21=10NNK則變比： LLRKR2=400變壓器滿載運行時，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，

17、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。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)整率U=U20 - U2U20100%（一般為5%左右）U2I2U20I2NU2NUI2U215.4.4 變壓器的同極性端1.同極性端(同名端)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（同名端）。或者說，當(dāng)鐵芯中磁通變化（增大或減小）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。AXax*AXax*Z* 聯(lián)結(jié) 23，順串1324*串聯(lián)順串：兩異名端相連，相當(dāng)于兩匝數(shù)相加；反串：兩同名端相連，相當(dāng)于兩匝數(shù)相減； 聯(lián)結(jié) 13，反串并聯(lián)同名端兩兩相連。1-3連，2-4連2. 線圈的正確連接220V：聯(lián)結(jié) 2 3，1-4接電源。勵磁兩種接法下線圈工作情況的分析：*1324兩線圈的額定電壓為110V，若接于220V的電源，應(yīng)如何連接？220v若1-3連接，2-4接電源，可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？在極性不明確時，一定要先測定極性再通電！兩個線圈中的磁通抵消燒毀感應(yīng)電勢電流 很大*1324注意110V：聯(lián)結(jié) 1 3，2 41,32,41324*勵磁若1-4、2-3分別連接后接電源，兩線圈產(chǎn)生的