第六章磁路與變壓器機(jī)械工業(yè)出版社高職高?！笆晃濉睓C(jī)電類專業(yè)規(guī)劃教材

6.1磁場(chǎng)的基本物理量及磁性材料6.2磁路及其基本定律6.3交流鐵心線圈電路6.4變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理6.5變壓器的運(yùn)行特性6.6常用變壓器

第六章磁路與變壓器重點(diǎn):①磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁化特性、磁滯回線等概念。②磁路歐姆定律、磁路基爾霍夫定律。③變壓器的結(jié)構(gòu)、變壓器的變換電壓、電流及阻抗變換的工作原理。④變壓器的外特性。難點(diǎn):①磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁化特性、磁滯回線等概念。②磁路歐姆定律、磁路基爾霍夫定律。③變壓器原理、變壓器的外特性。6.1磁場(chǎng)的基本物理量及磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述空間某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向的物理量，可用通過垂直于磁場(chǎng)方向的單位面積內(nèi)磁力線的數(shù)目來表示。它是矢量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:

特斯拉(T)，高斯(Gs)

6.1.1磁場(chǎng)的基本物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度

B1T=104GS磁通量是曲面上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該處面元dA的標(biāo)積·dA的面積分。2.磁通量

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和通過它的面積垂直且它在該面積中均勻分布時(shí)磁通量還可以描述為穿過某一面積的磁力線的條數(shù)，上式磁感應(yīng)強(qiáng)度等于單位面積上的磁通量。因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度。在國(guó)際單位制中，磁通量的單位韋伯（Wb）或3．磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)強(qiáng)度H是描述磁場(chǎng)的一個(gè)輔助物理量，它是一個(gè)矢量。磁場(chǎng)強(qiáng)度與產(chǎn)生該磁場(chǎng)電流的關(guān)系，由安培環(huán)路定律確定。

安培環(huán)路定律：即磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任一閉合路徑的線積分等于此閉合路徑所包圍的電流代數(shù)和。磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是:安/米（A/m）。電流的正負(fù)規(guī)定為：任意選取閉和曲線的環(huán)繞方向，當(dāng)電流與環(huán)繞方向符合右手螺旋定則時(shí)取正，反之為負(fù)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向：與B相同，它和場(chǎng)中同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系是

式中，為場(chǎng)中該點(diǎn)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率。4．磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是描述物質(zhì)導(dǎo)磁性能或磁化能力的物理量，大小為在真空中，磁導(dǎo)率為一常數(shù)，其數(shù)值為H/m相對(duì)磁導(dǎo)率r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。相對(duì)磁導(dǎo)率的數(shù)值表示了物質(zhì)的導(dǎo)磁性質(zhì)。稱為順磁質(zhì)；稱為抗磁質(zhì)；稱為鐵磁質(zhì)；1rm＝6.1.2磁性材料的磁特性磁性材料被廣泛用于電氣設(shè)備中。2.磁飽和性

磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)的方向一致。磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。1.高導(dǎo)磁性磁性材料的導(dǎo)磁性能高，如鐵、鎳、鈷及其合金材料，這些材料的值很高，從幾百到幾萬，這類材料稱為鐵磁性材料。磁化曲線（B-H

曲線):OA段:B

隨H的增長(zhǎng)緩慢增長(zhǎng)；AC段：B

隨H的增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)；其后，B

隨H的增長(zhǎng)又趨緩慢;CS段:

B幾乎不隨H的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，曲線接近水平線,此時(shí)磁化達(dá)到飽和。：飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度。該曲線叫起始磁化曲線。3.磁滯性磁滯性：磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)。

軟磁材料（磁滯回線窄長(zhǎng)。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（磁滯回線接近矩形?？捎米鲇洃浽└鶕?jù)磁滯回線的形狀，磁性材料又可分為三種：磁滯回線：磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線。幾種磁性材料的磁化曲線a為鑄鐵b為鑄鋼c為硅鋼片6.2磁路及其基本定律6.2.1磁路1.磁路利用具有高磁導(dǎo)率的材料作成一定的形狀結(jié)構(gòu)，其周圍繞制電流線圈或其中裝有永久磁鐵，人為制造磁通的路徑，使磁通主要集中在這一路徑上，這種結(jié)構(gòu)的總體稱為磁路。2．磁動(dòng)勢(shì)稱為該線圈的電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

磁動(dòng)勢(shì)的方向由線圈電流按右手定則確定。在國(guó)際單位中，磁動(dòng)勢(shì)單位是安(A)。3．磁壓降

表示，即磁壓降的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度一致。

在國(guó)際單位中，磁壓的單位是安A。

繞在磁路上的某一線圈電流與其匝數(shù)的乘積某一磁路段中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁路長(zhǎng)度的乘積叫做該路段的磁壓降。用符號(hào)6.2.2磁路基本定律1．磁路的基耳霍夫第一定律在磁路中任意閉合面，任意時(shí)刻穿入的磁通必定等于穿出的磁通。

圖6-6

磁路定律說明圖2．磁路的基耳霍夫第二定律在任一時(shí)刻，磁路中的任一閉合路徑，沿該路徑中的各段磁壓降之和等于圍繞此閉合路徑的所有磁動(dòng)勢(shì)之和。

在應(yīng)用基耳霍夫第二定律時(shí)，必須規(guī)定回路的繞行方向，上式中等號(hào)兩端各項(xiàng)的符號(hào)與繞行方向一致者為正，否則為負(fù)。注意：例如，在圖6-6中3．磁路的歐姆定律，磁阻為Rm，則稱為磁阻，表示磁路對(duì)磁通的阻礙作用。式中，歐姆定律多用作定性分析，不做定量計(jì)算。注意：由于磁性材料的是非線性的，磁路一段均勻磁路，設(shè)某路的磁通為，磁壓降為磁路與電路的比較電路磁路歐姆定律歐姆定律電阻電流磁阻磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)磁通6.3交流鐵心線圈電路6.3.1電磁關(guān)系

交流鐵心線圈電路注意:主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。通常，漏磁通很少,可以忽略不計(jì)；線圈電阻很小，內(nèi)阻電壓降可以忽略不計(jì)。根據(jù)基耳霍夫電壓定律，則有:

設(shè)主磁通按正弦規(guī)律變化，即由電磁感應(yīng)定律,得:有效值即:6.3.2交流鐵心線圈的電流與磁阻的關(guān)系根據(jù)磁路歐姆定律，得可見，當(dāng)、和一定時(shí)，磁阻Rm的變化，將直接影響線圈電流Im。設(shè)鐵心為電磁鐵，鐵心吸合前空氣隙交大，磁阻大，那么電流大；當(dāng)銜鐵吸合后磁阻小，則電流小。因此，交流電磁鐵起動(dòng)電流比吸合后的工作電流要大幾倍到幾十倍。６.3.3鐵心損耗1.磁滯損耗磁滯損耗：在交流電源作用下，鐵心反復(fù)磁化，分子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向不停的在變化，引起分子間磨擦生熱，產(chǎn)生不可逆損耗。

磁滯損耗的大小和鐵心的體積，電流頻率及磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯損耗引起鐵心發(fā)熱。

減小磁滯損耗的方法:選用磁滯回線較窄的磁性材料(如:硅鋼片)制作鐵心。2.渦流及應(yīng)用渦流

:

鐵心材料是導(dǎo)電材料在交變磁通作用下，垂直磁通的截面上必然產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流成旋渦狀，稱為渦流。

渦流損耗:渦流與材料電阻相互作用產(chǎn)生熱能，造成功率損耗。

減小渦流損耗的方法:交流電器的鐵心由許多０.35mm或者0.5mm厚的硅鋼片疊加而成。渦流的應(yīng)用:感應(yīng)爐

渦流示意圖6.4變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理6.4.1變壓器的結(jié)構(gòu)1.鐵心用厚度為０.３５mm～０.５mm表面涂有絕緣漆膜的硅鋼片疊加而成。

2.繞組一次繞組(原繞組):接電源二次繞組(副繞組):接負(fù)載3.冷卻系統(tǒng)圖6-10變壓器示意圖及符號(hào)6.4.2變壓器的額定值1．額定電壓:根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度而規(guī)定的一次繞組的正常工作電壓

:當(dāng)變壓器空載，一次側(cè)在額定電壓下，二次側(cè)的端電壓。

在三相變壓器中，一、二次側(cè)額定電壓均指線電壓。

注意:2．額定電流

一次繞組接額定電壓時(shí)，根據(jù)變壓器容許溫升而規(guī)定的一次、二次側(cè)繞組長(zhǎng)期通過的最大電流值。三相變壓器的額定電流是指一、二次側(cè)的線電流。注意:3．額定容量單相變壓器:

三相變壓器

:4.額定頻率變壓器額定運(yùn)行時(shí)一次側(cè)所加電壓的頻率。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電力頻率為50HZ。6.4.3變壓器的工作原理變壓器基本原理如圖6-11所示，它有閉合鐵心和兩個(gè)繞組耦合而成。左側(cè)的一次繞組和電源相接，右側(cè)的二次繞組通過開關(guān)與負(fù)載連接，經(jīng)過電磁感應(yīng)，一次側(cè)把電能傳遞給負(fù)載。圖6-11變壓器的空載運(yùn)行1.變壓器的空載運(yùn)行及電壓變換

空載運(yùn)行:變壓器一次繞組接入交流電壓，二次繞組S斷開。

由于二次側(cè)開路，此時(shí)變壓器的一次側(cè)電路相當(dāng)于交流鐵心線圈電路，空載電流就是勵(lì)磁電流,在鐵心中產(chǎn)生主磁通主磁通在一、二次繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E1、E2

。而

N1i0→Φ

有效值關(guān)系式為

2．變壓器的負(fù)載運(yùn)行及電流變換

N1i1↓↑N2i2

N1i0→Φ

磁動(dòng)勢(shì)平衡方程：負(fù)載運(yùn)行:變壓器的二次繞組接負(fù)載。

由式知，當(dāng)輸入電壓、頻率及不變時(shí)，無論是空載還是有載，Φm都不變。

其中,(1)i1與i2反相位

(2)i1與i2的大小關(guān)系結(jié)論:可見,變壓器在負(fù)載情況下，一次電流由兩部分組成，一部分是用來產(chǎn)生主磁通的勵(lì)磁電流，另一部分是一負(fù)載分量，大小等于二次電流中對(duì)主磁通起去磁作用的部分。

空載時(shí)電流很小，可以忽略,得:

在理想情況下，即繞組無內(nèi)阻，無鐵損，無漏磁，

變壓器的輸入功率為變壓器的輸出功率為上式說明，變壓器輸入、輸出的功率相等；因此，當(dāng)變壓器負(fù)載電流增加時(shí)，其輸出功率增加，通過鐵心內(nèi)磁通的聯(lián)系，使變壓器一次繞組電流相應(yīng)增加，從而使電源輸送給變壓器一次側(cè)的電功率增加。例6.1

一臺(tái)變壓器一次側(cè)額定電壓為220V，二次側(cè)額定電壓為44V，鐵心中磁通最大值為Wb，電源頻率為50HZ。求：（1）變壓器原、二次繞組的匝數(shù)；（2）如果二次側(cè)所接負(fù)載電阻為1k，則變壓器原、二次電流分別為多少?解：一次側(cè)匝數(shù)

二次側(cè)匝數(shù)

（2）二次側(cè)接電阻后，一次側(cè)的電流二次側(cè)的電流(1)

3.變壓器的阻抗變換阻抗變換:采用變壓器來獲得輸出電路所需要的等效阻抗。圖6-12阻抗匹配變壓器二次繞組有負(fù)載后，對(duì)電源來說，相當(dāng)于接上阻抗為的負(fù)載。

解:

[例6.2]已知交流信號(hào)源的電壓為150V，信號(hào)源內(nèi)阻，負(fù)載電阻為，試求負(fù)載與信號(hào)源直接連接時(shí)，信號(hào)源輸出多大功率？若要使信號(hào)源輸出給負(fù)載的功率達(dá)到最大，采用變壓器進(jìn)行阻抗變換，則變壓器的匝數(shù)比為多少？阻抗變換后，信號(hào)源的輸出功率多大？直接連接時(shí)信號(hào)源輸出功率=0.218W達(dá)到最大輸出功率時(shí)變壓器的匝數(shù)比為阻抗變換后信號(hào)源輸出功率==6.25W

接入變壓器以后，輸出功率大大提高。結(jié)論：6.5變壓器的運(yùn)行特性6.5.1變壓器的外特性及電壓變換率圖6-13變壓器的外特性曲線會(huì)下降。1.外特性2.電壓變換率當(dāng)電源電壓不變，二次電因此二次側(cè)繞組的端電壓流增加時(shí)，由于一、二次側(cè)繞組中的電流以及它們內(nèi)部的阻抗壓降都要增加，6.5.2變壓器的損耗與效率6.6常用變壓器6.6.1自耦變壓器特點(diǎn)