單元四磁路與變壓器2變壓器１磁路知識目標1．簡單表達磁路根本物理量和根本定律；鐵磁材料的磁性能。2．簡單表達特殊變壓器各自的特點。3．正確描述變壓器的工作原理和使用方法。能力目標1．會進行磁路分析；判別同名端。2．會識別變壓器類型，能正確使用。3．對汽車點火線圈的工作原理、使用有較全面的了解。學習目標單元四磁路與變壓器2.１磁路實際電路中經常采用電感元件，如電磁鐵、變壓器、電機等，一般電感線圈中都有鐵心，線圈通電后鐵心就構成磁路，磁路又會影響電路。在物理學中已經知道，電流產生磁場，也就是說通電導體周圍存在著磁場。在電磁鐵、變壓器、電機等電工設備中，為了用較小的電流產生較大的磁場，通常把線圈繞在由鐵磁材料制成的鐵心上。這時當電流通過線圈時，產生的磁通絕大局部也通過鐵心，通過鐵心的磁通稱為主磁通，用字母表示；小局部沿鐵心以外空間閉合的磁通，稱為漏磁通，用表示。主磁通通過的閉合路徑稱為磁路。用以產生磁場的電流稱為勵磁電流。單元四磁路與變壓器3.1.1磁路的根本物理量１磁路磁感應強度B:

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度B的大小:磁感應強度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定那么。磁感應強度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:

各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。4.1.1磁路的根本物理量１磁路〔二〕磁通磁通

：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數。

說明:如果不是均勻磁場，那么取B的平均值。在均勻磁場中

=BS或

B=/S

磁感應強度B在數值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通

的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s〔三〕磁場強度磁場強度H

：介質中某點的磁感應強度B與介質磁導率

之比。磁場強度H的單位：安培/米〔A/m)5.1.1磁路的根本物理量１磁路真空的磁導率為常數，用

0表示，有：磁導率

：表示磁場媒質磁性的物理量，衡量物質的導磁能力。相對磁導率

r：

任一種物質的磁導率

和真空的磁導率

0的比值。磁導率的單位：亨/米〔H/m〕非磁性物質μr的近似為１，鐵磁性物質μr的遠大于１真空的磁導率μ0是一個常數，而鐵磁物質μ的磁導率不是常數，當勵磁電流改變時，μ也改變。〔四〕磁導率6.1.2磁路的根本定律１磁路任意選定一個閉合回線的圍繞方向，但凡電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定那么的電流作為正、反之為負。式中：是磁場強度矢量沿任意閉合線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；

I

是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數和。安培環路定律電流正負的規定：安培環路定律〔全電流定律〕I1HI2安培環路定律將電流與磁場強度聯系起來。

在均勻磁場中

Hl=IN7.1.2磁路的根本定律１磁路磁路的歐姆定律是分析磁路的根本定律

環形線圈如圖，其中媒質是均勻的，磁導率為，試計算線圈內部的磁通

。解：根據安培環路定律，有設磁路的平均長度為l，那么有1.引例Sx

HxIN匝8.1.2磁路的根本定律１磁路式中：F=NI

為磁通勢，由其產生磁通；

Rm

稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長度；

S

為磁路的截面積。磁路的歐姆定律假設某磁路的磁通為，磁通勢為F，磁阻為Rm，那么即有：此即磁路的歐姆定律。9.1.2磁路的根本定律１磁路磁路與電路的比較

磁路磁通勢F磁通

磁阻電路電動勢E電流密度J

電阻磁感應強度B電流I

NI+_EIR10.1.2磁路的根本定律１磁路電磁感應定律11.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路一、物質的磁性1.非磁性物質

非磁性物質分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導率都是常數，有：

所以磁通

與產生此磁通的電流I成正比，呈線性關系。當磁場媒質是非磁性材料時，有：即B與H成正比，呈線性關系。由于OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)12.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路2.磁性物質

磁性物質內部形成許多小區域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區域內的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區域為磁疇。

在外磁場作用下，磁疇方向發生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質能被磁化。磁疇外磁場

在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇13.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路1

高導磁性

磁性材料的磁導率通常都很高，即

r1磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。

磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。

磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵芯。

磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵芯。在這種具有鐵芯的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產生較大的磁通和磁感應強度。二、鐵磁材料的磁性能14.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。2

磁飽和性BJ

磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0

磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質的全部磁疇的磁場方向都轉向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值。如圖。15.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路

有磁性物質存在時，B與H不成正比，磁性物質的磁導率

不是常數，隨H而變。

有磁性物質存在時，

與I不成正比。

磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHBB0BJB?a?b磁化曲線OHB,

BB和

與H的關系B-H磁化曲線的特征：Oa段：B與H幾乎成正比地增加；ab段：B的增加緩慢下來；b點以后：B增加很少，到達飽和。16.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路磁滯性

磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應強度Br(剩磁)：

當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵芯中的磁感應強度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。

磁性物質不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。矯頑力剩磁17.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路

幾種常見磁性物質的磁化曲線a

鑄鐵b

鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.40.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12344678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc18.1.3鐵磁材料的磁性能１磁路按磁性物質的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵芯。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩定性良好。在計算機和控制系統中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。19.1.4交流鐵心線圈電路１磁路1電磁關系

–+e〔磁通勢〕主磁通

：通過鐵芯閉合的磁通。漏磁通

：經過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。

–+e

+–uNi線圈鐵芯

i，鐵芯線圈的漏磁電感

與i不是線性關系。20.1.4交流鐵心線圈電路１磁路2電壓電流關系根據KVL:

+––+–+ee

uNi式中：R——線圈導線的電阻;

L——漏磁電感。當u是正弦電壓時，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，那么電壓、電流關系的相量式為：21.1.4交流鐵心線圈電路１磁路設主磁通則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，與主磁電動勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵芯中磁感應強度的最大值，單位[T]；

S是鐵芯截面積，單位[m2]。22.1.4交流鐵心線圈電路１磁路3功率損耗1.銅損〔Pcu〕

在交流鐵芯線圈中,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〕

在交流鐵芯線圈中，處于交變磁通下的鐵芯內的功率損耗稱鐵損，用

PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產生。

+–ui23.1.4交流鐵心線圈電路１磁路〔1〕磁滯損耗〔Ph〕由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗〔Ph〕。

磁滯損耗的大小：單位體積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。OHB

磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵芯發熱。

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芯。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設計時應適中選擇值以減小鐵芯飽和程度。24.1.4交流鐵心線圈電路１磁路(2)渦流損耗〔Pe〕渦流損耗:由渦流所產生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵芯內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環流。渦流損耗轉化為熱能，引起鐵芯發熱。減少渦流損耗措施：

提高鐵芯的電阻率。鐵芯用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。

鐵芯線圈交流電路的有功功率為：25.1.4交流鐵心線圈電路１磁路

先將實際鐵芯線圈的線圈電阻R、漏磁感抗X

分出，得到用理想鐵芯線圈表示的電路；

+––+uiRX

++––uRu

實際鐵芯線圈電路理想鐵芯線圈電路線圈電阻漏磁感抗

+––+–+ee

ui4等效電路

用一個不含鐵芯的交流電路來等效替代鐵芯線圈交流電路。

等效條件：在同樣電壓作用下，功率、電流及各量之間的相位關系保持不變。26.1.4交流鐵心線圈電路１磁路+––+uiRX

++––uRu

X0

R0

式中：

PFe為鐵損，QFe為鐵芯儲放能量的無功功率。故有：

+––+–+ee

u理想鐵芯線圈的等效電路理想鐵芯線圈有能量的損耗和儲放，可用具有電阻R0和感抗X0串聯的電路等效。其中：電阻R0是和鐵芯能量損耗(鐵損)相應的等效電阻，感抗X0是和鐵芯能量儲放相應的等效感抗。其參數為：等效電路27.1.4交流鐵心線圈電路１磁路28.2.1變壓器的工作原理2變壓器

變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統和電子線路中應用廣泛。變電壓：電力系統

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：

在能量傳輸過程中，當輸送功率P=UIcos

及負載功率因數cos

一定時：電能損耗小節省金屬材料〔經濟〕一、概述U

I

P=I2RlI

S29.2.1變壓器的工作原理2變壓器二、變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵芯

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。30.2.1變壓器的工作原理2變壓器(1)空載運行情況1.電磁關系一次側接交流電源，二次側開路。i0(i0N1)

1空載時，鐵芯中主磁通

是由一次繞組磁通勢產生的。+–+–+–+–+–

1

31.2.1變壓器的工作原理2變壓器(2)帶負載運行情況

一次側接交流電源，二次側接負載。+–+–+–

1

1i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時，鐵芯中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢共同產生的合成磁通。

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

32.2.1變壓器的工作原理2變壓器2.電壓變換〔設加正弦交流電壓〕有效值:同理：主磁通按正弦規律變化，設為則33.2.1變壓器的工作原理2變壓器忽略線圈電阻

和漏磁通，有變壓器空載時:式中U20為變壓器空載電壓。故有（匝比）K為變比結論：改變匝數比，就能改變輸出電壓。34.2.1變壓器的工作原理2變壓器三相電壓的變換1)三相變壓器的聯結方式高壓繞組接法低壓繞組接法三相配電變壓器動力供電系統（井下照明）高壓、超高壓供電系統常用接法:變壓器的額定電流I1N和I2N是指原繞組加上額定電壓U1N，原、副繞組允許長期通過的最大電流。三相變壓器的I1N和I2N均為線電流。

三相變壓器的額定容量為：

35.2.1變壓器的工作原理2變壓器〔1〕三相變壓器Y/Y0聯結線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–36.2.1變壓器的工作原理2變壓器〔2〕三相變壓器Y0/聯結線電壓之比：ACBabc+–+–+–37.2.1變壓器的工作原理2變壓器一般情況下：I0(2%~3%)I1N很小可忽略。或結論：一次、二次側電流與匝數成反比。或：1.提供產生

m的磁勢2.提供用于補償作用

的磁勢磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢3.電流的變換38.2.1變壓器的工作原理2變壓器4.阻抗變換由圖可知：

結論：變壓器一次側的等效阻抗模，為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍。+–+–+–39.變壓器的外特性2變壓器1.變壓器的外特性

當一次側電壓U1和負載功率因數cos

2保持不變時，二次側輸出電壓U2和輸出電流I2的關系，U2=f(I2)。U20：一次側加額定電壓、二次側開路時，二次側的輸出電壓。一般供電系統希望要硬特性〔隨I2的變化，U2變化不大〕，電壓變化率約在4%左右。電壓變化率：cos

2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos

2=1O40.變壓器的外特性2變壓器2.

變壓器的效率(

)為減少渦流損耗，鐵芯一般由導磁鋼片疊成。

變壓器的損耗包括兩局部：銅損(

PCu)：繞組導線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵芯中產生的感

應電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現象引起鐵芯發熱，造

成的損耗。

鐵損(

PFe)：變壓器的效率為一般

94%,負載為額定負載的40%～74%時，

最大。輸出功率輸入功率41.變壓器的外特性2變壓器當電流流入(或流出〕兩個線圈時，假設產生的磁通方向相同，那么兩個流入(或流出〕端稱為同極性端。??AXax?AXax1.同極性端(同名端)

或者說，當鐵芯中磁通變化時，在兩線圈中產生的感應電動勢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。?42.變壓器的外特性2變壓器

變壓器原一次側有兩個額定電壓為110V的繞組：2.線圈的接法連接

2－3??1324??1324

連接

1－3，2－4當電源電壓為220V時：+–+–電源電壓為110V時：43.變壓器的外特性2變壓器方法一：交流法把兩個線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX上加一低電壓uAX

。測量：

若說明A與x

或X與a

是同極性端.若

說明A與a或X與x

為同極性端。

結論：VaAXxV3.同極性端的測定方法+–44.變壓器的外特性2變壓器方法二：直流法設S閉合時

增加。感應電動勢的方向，阻止

的增加。如果當S閉合時，電流表正偏，那么A-a為同極性端;結論：Xx電流表+_Aa+–S如果當S閉合時，電流表反偏，那么A-x為同極性端。??AXax+_S+–45.知識擴展

使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調壓器就是根據此原理制作的。注意：一次、二次側千萬不能對調使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。1.自耦變壓器ABP+–+–特殊變壓器46.知識擴展二次側不能短路，以防產生過流；2.鐵芯、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側出現高壓。使用本卷須知：被測電壓=電壓表讀數

N1/N22.電壓互感器實現用低量程的電壓表測量高電壓電壓表VR

N1（匝數多）熔斷絲

N2（匝數少）~u（被測電壓）47.知識擴展被測電流=電流表讀數

N2/N1二次側不能開路，以防產生高電壓；2.鐵芯、低壓繞組的一端搭鐵，以防在絕緣損壞時，在二次側出現過壓。使用本卷須知：3.電流互感器實現用低量程的電流表測量大電流R（被測電流）N1（匝數少）N2（匝數多）Ai1i2電流表48.實例分析汽車點火系統的點火線圈與電路1.汽車用點火線圈

汽車點火線圈按磁路和結構的不同，可分為開磁路和閉磁路點火線圈。開磁路點火線圈多用于傳統點火系及普通電子點火系；閉磁路點火線圈多用于高能電子點火系及電控點火系。49.實例分析〔1〕開磁路點火線圈開磁路點火線圈的結構如下圖：鐵芯用互相絕緣的硅鋼片疊制而成，以減少渦流損耗，外面套有絕緣的紙板套管，套管上分層繞有次極繞組，約11000～26000匝,其導線為直徑0.06～0.10mm的漆包線。〔2〕閉磁路點火線圈閉磁路點火線圈結構如下圖，它的結構與開磁路點火線圈不同。在“日’字形鐵心內繞有一次繞組，在一次繞組外面繞有二次繞組，其磁路如下圖。50.實例分析2．點火系的根本組成與電路〔1〕組成點火系組成示意圖如圖4—21所示，主要由一組蓄電池、點火開關、點火線圈、分電器〔包括配電器和斷電器〕、火花塞等組成。①電源電源為蓄電池和發電機，供給點火系所需電能，一般電壓為12V。②點火開關作用是接通或斷開點火系一次電路。③點火線圈它實際上是一個變壓器，將12V低壓電轉變為15000－20000V的高壓電。它有兩個繞組，一次繞組和二次繞組。④分電器它包括配電器和斷電器，斷電器作用是接通和切斷低壓電路，根據電磁感應原理，使點火線圈次級產生高壓電；配電器作用是按發動機點火順序向各氣缸火花塞分配高壓電。⑤電容器它與斷電器觸點并聯，當斷電器觸點斷開時，用來吸收一次繞組的自感電動勢，減小斷電器觸點火花，延長觸點的使用壽命，并可提高點火線圈的次級電壓。51.實例分析〔2