CH6磁路与铁心线圈.ppt

复习,一、磁场的基本物理量,2. 磁通,3. 磁场强度 H,4. 磁导率,1. 安培环路定律（全电流律）：,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和。,二、 磁路及其基本定律,在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。,对于均匀磁路,2. 磁路的欧姆定律：,磁路和电路的比较：,磁路,电路,磁动势 F,磁通 ,磁感应强度B,磁阻 R= l / S,电动势E,电流 I,电流密度 J,电阻 R= l / S,返回,2交流铁心线圈电路,铁心线圈分为两种：,1直流铁心线圈电路,返回,6-2 交流铁心线圈电路,6.2.1 电磁关系,磁动势F=iN产生的磁通绝大多数通过铁心而闭合，这部分磁通称为工作磁通 。,u,e,e,i,N,铁心如图所示，,如果在铁心上绕有N匝线圈，,并在线圈两端加上电压u，,则在线圈中就会产生电流 i，,此外还有一少部分通过空气等非磁性材料而闭合，这部分磁通称为漏磁通，用表示。,这两个磁通在线圈中产生感应电动势e和e。e为主磁电动势，e为漏磁电动势。,返回,这个电磁关系可表示如下：,式中N=Li中的 L为常数，称为漏电感，而i与不存在线性关系，即 L不是常数。,因此，铁心线圈是一个非线性的电感元件。,与i和L的关系如图所示。,L,6.2.2电压与电流的关系,据KVL有：,由于R和L很小 ，UR和U与U/相比可忽略,设,则,式中：,返回,的变化也为同频率的正弦量,有效值为：,Bm为铁心中磁感应强度的最大值。S为铁心面积,所以：,返回,又因为：,6.2.3 功率损耗,2铁损,1铜损, 磁滞损耗, 涡流损耗,在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：,返回,磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。,返回, 磁滞损耗,在交变磁场中，铁磁材料要反复磁化，就产生了类似摩擦发热的能量损耗，我们称之为磁滞损耗。可以证明，交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。, 涡流损耗,由涡流所产生的铁损称为涡流损耗Pe,当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为涡流，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。,返回,涡流损耗也要引起铁心发热。为了减小涡流损耗，在顺磁场方向铁心可由彼此绝缘的硅钢叠成，这样就可以限制涡流只能在较小的截面内流通。此外，通常所用的硅钢片中含有少量的硅（0.84.8%），因而电阻率较大，这也可以使涡流减小。,返回,返回,6-3.变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。 在电力系统中，电压愈高，则线路电流愈小。因此，在输电时必须利用变压器将电压升高。而在用电方面，为了保证用电的安全和合乎用电设备的电压要求，还要利用变压器将电压降低。 在电子线路方面，除电源变压器外，变压器还用来耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。,此外，尚有自耦变压器、互感器及各种专用变压器。变压器的种类很多，但是它们的基本构造和工作原理是相同的。 变压器的工作原理的分析方法有两种： 1一是把变压器看作互感耦合电路的耦合电路分析法（在许多书中采用） 2一种是把磁通分成主磁通和漏磁通的所谓主磁通分析法。即我们要学的分析方法，一般电机学中采用此方法。,变压器,返回,一、变压器的工作原理,变压器一般是有两部分组成,1、闭合铁心,2、绕组,N1,N2,为了便于分析，我们将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与电源相联的称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组）；,与负载相联的称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组）。原、副绕组的匝数分别为N1和N2。,返回,下面我们就来讨论变压器的工作原理。,u1,1,e1,e1,i1,N1,u2,e2,e2,i2,N2,当原绕组接上电压u1时，原绕组中便有电流i1通过。原绕组的磁动势i1N1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。,如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流i2通过。副绕组的磁动势i2N2也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。,因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用表示。主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e1和e2。,此外，原、副绕组的磁动势还分别产生漏磁通1和2（仅与本绕组相链），从而在各自的绕组中分别产生漏磁电动势e1和e2.,返回,2,1、电压变换,据KVL可得：,如用相量表示可得：,返回,电压变换,式中：,和,分别为原绕组的电阻和感抗,由于原绕组的电阻和感抗较小，因而它们两端的电压降也较小，与主磁电动势比较起来，可以忽略不计。于是,电动势的有效值为,返回,同理可得,如用相量表示可得：,式中：,和,分别为副绕组的电阻和感抗,为副绕组的端电压,电动势的有效值为,返回,电压变换,在变压器空载时，,I2=0，E2=U20,式中U20为空载时副绕组的端电压,原、副绕组的电压之比为,式中，K称为变压器的变比，亦即原、副绕组的匝数比。可见，当电源电压一定时，只要改变匝数比，就可以得出不同的输出电压。,返回,电压变换,变比在变压器的名牌上注明，它表示原、副绕组的额定电压之比，例如“6000/400伏”（K=15）。这表示原绕组的额定电压为6000V，副绕组的额定电压为400V。所谓副绕组的额定电压是指原绕组加上额定电压时副绕组的空载电压。由于变压器有内阻抗压降，所以副绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5-10%。,返回,电压变换,2、电流变换,由,可见，当电源电压U1和,频率f不变时，E1和m也都近于常数。就是说，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+ i2N2）应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1差不多相等，即：,i1N1+ i2N2 i0N1,如用相量表示可得：,返回,变压器的空载电流是励磁用的。由于铁心的磁导率高，空载电流是很小的。它的有效值在原绕组额定电流的10%以内。因此常可忽略。即：,额定容量：,它是视在功率（单位是伏安），与输出功率不同。,返回,电流变换,3、阻抗变换,上面讲过变压器能起变换电压和变换电流的作用。此外它还有变换负载阻抗的作用，以实现“匹配”。,在前图中，负载阻抗|Z|接在变压器的副边，而后图中的虚线框部分可以用一个阻抗|Z/|来等效代替。两者的关系可通过下面计算得出。,返回,根据,可得出,匝数比不同，负载阻抗|Z|折算到原边的等效阻抗|Z/|也不同。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。,返回,例6.3.1：已知E=120V，R0=800， RL=8。（1）当RL折算到原边的等效电阻R/L=R0时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；,（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？,解：,（1）变压器的匝数比为,返回,（2）当负载直接接在信号源时，,返回,二、变压器的外特性,当电源电压不变时，随着副绕组电流的增加，原副绕组上的电压降便增加，从而使副绕组的端电压发生变动。当电源电压和负载功率因数为常数时，U2和I2的变化关系称为变压器的外特性。如图所示。,U20,I2N,通常希望电压U2的变动愈小愈好。从空载到额定负载，副绕组电压的变化程度用电压变化率U表示，,在一般变压器中电压变化率约为5%左右。,返回,三、变压器的损耗与效率,和交流铁心线圈一样，变压器的功率损耗包括铁心中的铁损,和铜损,两部分。,铁损的大小与铁心内磁感应强度的最大值Bm有关，与负载的大小无关，而铜损则与负载的大小有关。,变压器的效率：,式中，P2为变压器的输出功率， P1为输入功率,返回,四、特殊变压器,1、自耦变压器,返回,2、电流互感器,返回,1. 副边不能断开，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，在副边出现过压。,注意！,五、变压器绕组极性的测定,1、同极性端,所谓同极性端就是当电流从两个线圈的同极性端流入（或流出）时，产生的磁通的方向相同；或者说，当磁通变化（增大或减小）时，在同极性端感应电动势的极性也相同。,例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的同极性端。,返回,例如：如图所示的线圈电路，试判断两线圈的同极性端。,*,a,b,c,d,e,f,*,2、线圈的等效电路,返回,3、变压器绕组的联接,110V,110V,110V,220V,返回,4、变压器绕组极性的测定,（a）交流法,用交流法测定绕组极性的电路如图所示,其中1-2为一个绕组，,3-4为另一个绕组，,将两个绕组的任意两端联接在一起（如2和4）；,在其中一个绕组（如1-2）两端加一个较低的电压。,用电压表分别测量U13、U12、U34。如果U13是两绕组电压之差，则1和3是同极性端。如果U13是两绕组电压之和，则1和3是异极性端， 1和4是同极性端。,返回,1,2,3,4,（b）直流法,S,+,+,-,-,用直流法测定绕组极性的电路如图所示。,当开关S闭合瞬间，如果毫安计的指针正向偏转，则1和3是同极性端；反向偏转时，则1和3是异极性端，1和4是同极性端。,返回,6-4.电磁铁,返回,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。,用途： 起重电磁铁。 制动电磁铁。 电磁吸盘。 开关；洗衣机的自动阈门。 自动控制系统；枪炮的击发等等。,一、简介,1,2,3,1,2,3,二、构成部分,电磁铁的基本结构如图所示,返回,三、电磁吸力,电磁铁线圈通电后，铁心吸引衔铁的力，称为电磁吸力。电磁吸力的大小，是由电能转换为机械能的平衡关系得出的。在此给出结果。,1直流电磁吸力,（牛顿）,式中：B0：为气隙中的磁感应强度 S0：气隙有效截面积,直流电磁铁的特征： （1）F的大小不变； （2）无磁滞损耗和涡流损耗，铁心由用整块软钢制成； （3）励磁电流仅与线圈电阻有关，与气隙大小无关。当气隙减小时，励磁电流不变。,返回,2交流电磁吸力,设气隙中,则吸力为,吸力的最大值,式中,计算