1、第六章 铁心线圈与变压器,第一节 磁 路 第二节 磁路的基本定律 第三节 铁心线圈 第四节 变压器 第五节 常用变压器简介,目录,第一节 磁 路,磁路的基本概念 磁性材料的磁性能,返回,一、磁路的基本概念,1. 磁 路,磁感应强度（B）：磁感应强度表示磁场中某点磁场强弱方向的物理量。 如果磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。,2. 磁路的基本物理量,磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径。 磁路是个闭合路径。,返回,磁通（）：磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，成为通过该面积的磁通。磁通的单位是韦伯（wb）。 = BS,磁场强度（H）：表示磁场中与磁铁材料无关
2、的磁场大小和方向的物理量。磁场强度的单位是安/米（A/m）。 H=B/,磁感应强度的单位是特斯拉（T）,返回,磁导率（） ：是用来衡量物质导磁能力的物理量，单位是亨/米(H/m) 真空磁导率 0 =410 7H/m 相对导磁系数 r=/0 若 r = 1 说明是非磁性材料，。 若 r 1 说明是磁铁材料。,返回,二、磁性材料的磁性能,1. 高导磁性 磁性材料之所以具有高导磁性是因为内部具有磁畴结构。 磁畴：由于磁性材料的分子之间有一种特殊的作用而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐，显示磁性，这些区域称为磁畴。,返回,磁畴：,返回,在无外磁场时磁畴任意排列，处于无序状态，对外不显磁性。,在有外磁场
3、作用时，磁场就顺外磁场方向转向，形成一个很强的与外磁场方向一致的磁化磁场，磁铁材料被磁化。,返回,2. 磁饱和性,磁化磁场不会随着外磁场的增加而无限地增加，当外磁场增加到一定值时，全部磁畴的方向都已与外磁场的方向一致，这时磁化磁场不在增强，B达到最大值，这一特性称为磁饱和性。,返回,当磁铁材料在交变磁场作用下，将受到交变磁化,曲线如图。,磁滞曲线,3. 磁滞性,可见，当H 为零时， 滞后一些时间才能到零值，这段为磁铁材料的磁滞性。,当H到零时，铁磁材料在磁化时所获得的磁性不能完全消失，还要保留一定的磁性，这种磁性称为剩磁Br 。 使B=0的H值，即HC 称为矫顽磁力。,返回,软磁材料：具有较小
4、的Br 和HC 磁滞回线较窄，它的导率很高，一般用来制作电极，变压器等的磁心。 硬磁材料：具有较大的Br 和HC 磁滞回线较宽，它们被磁化后，剩磁不易消失，一般用来制造永久磁铁。,磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类：,返回,全电流定律 磁路欧姆定律,第二节 磁路的基本定律,返回,在磁路中，磁场强度H沿任何一闭合路径的线积分，等于包围在闭合回路内各电流的代数和。,其中，凡是电流的方向与总积分路程的方向符合右手定则的取正，反之取负。,一、全电流定律,返回,若材料单一，结构均匀,H L = I N,若材料、结构分段均匀,返回,二、磁路欧姆定律,电动势E,磁动势 F=IN,电流I,磁通,电压U=E,磁
5、压F=HL,电阻R=l /S r,磁阻Rm=L / S,电路欧姆定律 I =U/ R,磁路欧姆定律 =F/ Rm,返回,Rm=L/S 称为磁阻 磁通与磁动势F成正比，与磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律。 注意：由于磁铁材料的磁导率不是常数，所以Rm不是常数。所以磁路欧姆定律一般用于定性分析磁路，而不是直接通用于计算磁路。磁路的定量计算要用全电流定律辅以物质的磁化曲线来进行。,返回,例1、在铁心线圈中通直流电，N=1000匝，磁路平均长度L=30cm，截面积S=10cm2，工作点上相对磁导率r=1137。与在铁心中建立磁通=0.001Wb，电流I=？,S,L,解：,由H L=I N,返回,例2、均
6、匀无分支磁路，S、L、N一定，若磁路中B保持不变，试分析用磁导率高的材料作铁心时，所需激励电流比用磁导率低的材料作铁心时是增加还是减少了？,解：,S一定，B 不变 =BS 不变,磁阻Rm=L / S ， L、S不变 Rm与成反比,磁路欧姆定律 =I N / Rm ， Rm ， ,返回,第三节 铁心线圈,交流铁心线圈 直流铁心线圈 交直流磁路的比较,返回,当铁心线圈的励磁电流为直流时成为直流铁心线圈，当励磁电流为交流时，就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电磁关系是分析交流电机、变压器等电器的基础。,1. 各物理量之间的关系,一、交流铁心线圈,返回,电磁关系如下：,u,i (iN),iR,漏磁通,返
7、回,列铁心线圈的 KVL 方程： u =ee + iR 一般线圈的电压降 e和漏感电动势都很小，所以上式近似写为： u - e = Nd/dt 设主磁通 = msint 则： e =Nd /dt = -Nmcost =2 f Nmsin(t 90) =Emsin(t90 ),返回,这是一个常用公式，它表明当线圈匝数N及电源频率f 一定时，主磁通 m的大小只取决于外加电压的有效值U。,Em =2 f N m E =Em / = 4.44 f Nm,返回,例、已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平均磁路长度L=20cm，截面积S=7cm2，N=1000匝，接在工频f =50Hz交流电路中，测得线圈
8、的电压有效值为192V。试求: 1）主磁通m；2）磁感应强度Bm；3）励磁电流I 。,解：把镇流器相当一个铁心线圈，则：,U4.44f Nm m=U4.44f N =1924.44501000 Wb =8.6510-4 Wb Bm= mS = 8.6510-4710-4 T=1.24T 查硅钢磁化曲线得：Hm=0.6103A/m,返回,2. 铁心线圈电路的能量损失,铁心线圈电路的铜损 无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损。 PCu =I 2 R,铁心线圈的功率损耗主要有两部分：,铁心线圈电路的铁损,返回,有铁心的线圈加上交流电时，它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热，这
9、种能量损耗称为铁损。,PFe=Ph+Pe,返回,磁滞损耗Ph ：铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量，使磁铁发热。 可以证明，铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比。所以一般为了减小磁滞损耗，常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心，通常采用硅钢。,涡流损耗Pe :磁铁材料既导磁又导电，在交变磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗。,返回,ic,返回,为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。 另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限
10、制涡流在较小的截面内流过；,交流铁心线圈的铁心都选用法。0.5mm或0.35mm 厚的彼此绝缘的硅钢片叠成。,返回,二、 直流铁心线圈,直流磁路的特点:,磁通和磁阻成反比,（线圈中没有反电动势）,( R 为线圈的电阻 ),返回,直流电流通过时线圈电阻产生铜损。 PCu =I 2 R,恒定的磁通在铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗。 PFe = 0,返回,三、交直流磁路的比较,1. 在直流磁路中，磁动势，磁通，磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的，而在交流磁路中，这些量应随时间不断地变化。,2.直流励磁电流的大小取决于线端 电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及气隙大小等）
11、无关，而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定。,返回,3.交流磁路的磁通基本上由线圈电 压决定，与磁路的性质无关，而在直 流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通 的大小与磁路的磁阻有关。,4. 交流磁路中，在交变磁通的作用下，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变的，所以无铁损。,返回,第四节 变压器,变压器的基本结构 变压器的工作原理 变压器的外特性与额定值 变压器的极性,返回,变压器是 用来改变电压大小的一种重要的电器设备,它在电力和供电系统中占有很重要的地位,在电子技术也得到广泛的应用。,变压器用途,1. 升压送电 2. 降压送电 3. 在电子线路中用作电
12、源变换、传递信号、阻抗变换等,返回,一、变压器的基本结构,变压器主要有硅钢片叠成的闭合铁心和高压、低压绕组组成。 按铁心和绕组的放置方式不同分为心式和壳式两种。 绕组包围铁心称为心式。铁心包围绕组称为壳式。,返回,壳式,心式,返回,二、变压器的工作原理,u2,u1,i 2,i 1,电磁关系如下：,u1,i 1 (i 1N1),e1 = - N1d/dt e2 = - N2d /dt,1,e1 = - L1di 1/dt,N1,N2,1,2,e2 e2,返回,1.空载运行和变换电压,二次侧无负载，i2=0, 此时一次绕组中的电流 称为空载电流 i0 。一次侧当忽略漏感和线圈电阻时有 U1= -
13、E1 = - 4.44 f N1 m U2 = E2 = 4.44 f N2 m,u2,u1,i2,i1,N1,N2,1,e1,e2,返回,所以有： U1 / U2 = E1 / E2 =N1/N2,2.有载运行和电流变换,变压器有载时与无载时一样 U1 / U2 =N1/N2 =K,返回,当有负载时，i 20, 这时一次电流用 i1 表示。 由U1 =4.44 f N1 m 知,当U 1和 f 不变时, m 基本不变 当变压器接上负载后，一次绕组的磁动势 i1N1 和二次绕组的磁动势 i2N2 共同产生磁通与变压器空载时产生的磁通基本相等，所以这两种情况下磁动势相等。即：,i1 N1 +i2
14、 N2 = i0 N1,返回,由于 i0 很小， 忽略不计：,i1N1 - i2N2 I1N1 = I2N2,所以一、二次侧的电流有效值的关系为：,返回,3.阻抗变换,i 1,z = U2 / U1 z= U1 / I1 = K U2 / ( I2 / K) = K2 U2 / I2,z=K2z,改变K，即可改变z 实现阻抗变换。,返回,z=K2z,升压 K 1 z z,返回,三、变压器的外特性与额定值,1. 外特性 外特性指当电源电压 U1 和负载的功率因数 cos2 不变时，U2 与 I2 之间的关系曲线，U2 =f (I2),外特性曲线：,U2,U20为空载电压 U=(U20-U2)/U
15、20100 一般为5左右,返回,2. 额定值,一次额定电压和电流：U1N， I1N 二次额定电压和电流：U2N， I2N 变压器的额定容量 SN =U2NI2N,返回,四、变压器的极性,同极性端又称同名端，是指铁心中的磁通变化时，在该端产生的感应电动势的极性相同，或电流从两个线圈的同极性端流入时，产生的磁通方向相同，用 或表示，在使用变压器时，必须知道同名端以便正确联接。,返回,例如，在图示电路中，每个原边线圈的额定电压为110V，二次线圈的额定电压分别为3V、9。,1 2 3 4,5 6 7 8,1. 当接到220的电源时，应将2、3相联，1、4与电源两个线圈串联。 当接110电源时，应将1
16、、3相联2、4相联，两线圈并联接到110电源上。,2. 若要得到12的输出时，应将6、8相联，从5、 7两个端子输出。 若要得到6的输出时，应将6、7相联，从5、 8两个端子输出。,返回,解： 灯泡是一个纯电阻的负载，功率因数为1， 所以： P =U2I2 I2 =P/U2 =60/36 A=1.67A K =U1/U2=380/60=10.56 I1 =I2/K =(1.6736)/380 A=0.158A 灯泡的电阻 : R =U22/P = 362/ 60 =21.6,例1、有一变压器，U1 =380V， U2 =36V， 如果接入一个36V，60W的灯泡 求：（1）一、二次侧的电流各是
17、多少？ （2）相当于一次侧接一个多少欧姆的电阻？,返回,一次侧等效电阻： R=K 2 R =（380/36）2 21.6 =2407,例2、某变压器额定SN=100VA，额定UN =220V/25V, Bm=1T, S=9cm2, 求：一、二次侧的绕组匝数N1、N2及额定电流I1N、I2N各是多少？,解：,U14.44f N1BmS N1=U1N4.44f BmS=220/4.4450910-4 =1100 N2=U2NN1U1N =251100 220=125,返回,I2N=SNU2N =100 25 A = 4A I1NN2I2N N1=1254 1100 A =0.454A,返回,第五节 常用变压器简介,自耦变压器 交流互感器,返回,一、自耦变压器,变压器除了有传输能量用的电力变压外，还有一些专用变压器，如电压互感器、电流互感器、自耦变压器等。 自耦变压器只有一个绕组，二次绕组是一次绕组的一部分，它同样有变换电压，电流和阻抗的作用。电路如图：,返回,N1,N2,返回,二、电流互感器,被测电流电流表读数 N2N1,1. 二次侧不能开路，以防产生高电压； 2. 铁心、低压绕组的一端 接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,返回,
