第五章磁路与铁心线圈电路

1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1.1.研究对象：铁心线圈研究对象：铁心线圈 电工技术课程所要讲到的变压器、电动机以及继电器电工技术课程所要讲到的变压器、电动机以及继电器接触器等控制电器的内部结构都有铁心和线圈，其目的都接触器等控制电器的内部结构都有铁心和线圈，其目的都是为了当线圈通有较小电流时，能在铁心内部产生较强的是为了当线圈通有较小电流时，能在铁心内部产生较强的磁场，使线圈上感应出电动势或者对线圈产生电磁力。磁场，使线圈上感应出电动势或者对线圈产生

2、电磁力。 线圈通电属于电路问题，而产生的磁场又局限于铁心线圈通电属于电路问题，而产生的磁场又局限于铁心内部内部称为铁心磁路，属于磁路问题称为铁心磁路，属于磁路问题. .下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2.2.研究方法研究方法 在物理学中，研究的是电场、磁场这些在物理学中，研究的是电场、磁场这些“场场”的规律，的规律，建立起建立起“场场”的基本概念。而在电工技术中，各种电器设的基本概念。而在电工技术中，各种电器设备都含有铁心备都含有铁心使原本弥散在整个空间的磁通的绝大部使原本弥散在整个空间的磁通的绝大部分都集中在铁心中构成闭合回路，这就使研究范围大大地分都集中在铁心中构

3、成闭合回路，这就使研究范围大大地缩小了。因而，将缩小了。因而，将“场场”的问题简化为的问题简化为“路路”的问题，是的问题，是电工技术的研究的基本出发点。电工技术的研究的基本出发点。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 对磁场特性的描述，已在大学物理中进行了详尽对磁场特性的描述，已在大学物理中进行了详尽的讨论。这里将对几个基本物理量做以下复述。的讨论。这里将对几个基本物理量做以下复述。一、磁感应强度一、磁感应强度（B，单位：，单位：T）磁感应强度磁感应强度B是表示磁场空间某点的磁场强弱是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量。它是矢量。和方向的物理量。它是矢量。下一页下一

4、页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 磁感应强度磁感应强度B在面积在面积S上的通量积分称为磁通上的通量积分称为磁通SdSB如果是均匀磁场，即磁场内各点磁感应强度的如果是均匀磁场，即磁场内各点磁感应强度的大小和方向均相同，且与面积大小和方向均相同，且与面积S垂直，则该面垂直，则该面积上的磁通为积上的磁通为BS或或SB故又可称磁感应强度的数值为磁通密度。故又可称磁感应强度的数值为磁通密度。若用磁力线描述磁场，磁力线的密度反映了磁场的大小。若用磁力线描述磁场，磁力线的密度反映了磁场的大小。二、磁通（二、磁通（，单位，单位Wb）下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 磁

5、场强度磁场强度H 是计算磁场时常用的物理量，也是计算磁场时常用的物理量，也是矢量。它与磁感应强度矢量的关系为是矢量。它与磁感应强度矢量的关系为/BH三、磁场强度三、磁场强度(H，)mA/H与与B的区别：的区别： H代表电流本身所产生的磁场强弱，反映代表电流本身所产生的磁场强弱，反映电流的励磁能力，与介质无关。电流的励磁能力，与介质无关。B代表电流所代表电流所产生的以及介质被磁化后所产生的总磁场的强产生的以及介质被磁化后所产生的总磁场的强弱，不仅与电流大小有关，而且还与介质的性弱，不仅与电流大小有关，而且还与介质的性质有关。质有关。H相当于激励，相当于激励，B相当于响应。相当于响应。下一页下一页

6、总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页工程上常根据安培环路定律来确定磁场与电流工程上常根据安培环路定律来确定磁场与电流的关系的关系IdlHl上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分；右上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分；右侧是穿过由闭合回线所围面积的电流的代数和。侧是穿过由闭合回线所围面积的电流的代数和。电流的符号规定为：闭合回线的围绕方向与电流成电流的符号规定为：闭合回线的围绕方向与电流成右旋系时为正，反之为负。右旋系时为正，反之为负。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页四、磁导率四、磁导率( () ) 磁导率磁导率是表示磁场空间是表示磁场空间媒质媒质磁性

7、质的物理量，磁性质的物理量，是物质导磁能力的标志量。是物质导磁能力的标志量。真空磁导率真空磁导率0 0：实验测得，真空的磁导率：实验测得，真空的磁导率mH /10470 BH下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页一、高磁导率一、高磁导率磁性材料的磁导率很大，磁性材料的磁导率很大，r1，可达，可达102105量级。量级。二、磁饱和性二、磁饱和性磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场当外磁场(或激励磁场的电流或激励磁场的电流)增大到一定程度时，增大到一定程度时，磁感应强度将达到饱和值。磁感应强度将达到饱和值。下一页下一页

8、总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页三、磁滞性三、磁滞性在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。如图为磁性物质的如图为磁性物质的滞回曲线滞回曲线。BHO12345磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性磁滞性。要使剩磁消失，通常需进行要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将反向磁化。将B=0时的时的H值值称为称为Hc，（，（3、6点。）点。）6当当H减少为零时，减少为零时，B 并未回到零值，并未回到零值，出现剩磁出现剩磁Br（2、5点。）点。）下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页

9、上一页磁性物质的分类磁性物质的分类根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：(1)软磁材料软磁材料矫顽磁力较小，矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。磁滞回线较窄。易于磁化，也易于磁化，也易于退磁。易于退磁。(铁心铁心)(2)永磁材料永磁材料矫顽磁力较大，矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。磁滞回线较宽。磁化后不易退磁化后不易退磁，能长期保磁，能长期保留磁性。留磁性。(磁磁铁铁)(3)矩磁材料矩磁材料剩磁大而矫顽剩磁大而矫顽磁力小，磁滞磁力小，磁滞回线为矩形。回线为矩形。易于磁化，不易于磁化，不易退磁。易退磁。(记忆记忆元件元件)HBHBHB下一页下一页总目录总目录

10、 章目录章目录返回返回上一页上一页 为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备或电磁元件中要放置一定形状的铁心。绝大部备或电磁元件中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径分磁通将通过铁心形成闭合路径磁路。磁路。图示为交流接触器的磁图示为交流接触器的磁路路IdlHllSlBHlIN得出得出或或mRFSlIN/下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页式中：式中：F=IN 称为磁动势，此为产生磁通的激励；称为磁动势，此为产生磁通的激励；Rm为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量；为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量

11、；l 为磁路的平均长度；为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。为磁路的截面积。mRFSlIN/上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：对照如下：磁路磁路电路电路磁动势磁动势F磁通磁通磁感应强度磁感应强度B磁阻磁阻R= l / SmRF电动势电动势E电流电流I电流密度电流密度J电阻电阻R= l / SREI NI +EIR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页磁路的计算磁路的计算计算磁路问题时，可以应用上面介绍的磁路欧姆计算磁路问题时，可以应用上面介绍的磁路欧姆定律，但由于磁路的磁导率定律，但由于磁路的磁导率不是常数不是常数

12、(随励磁电随励磁电流而变流而变)，往往要借助于磁场强度，往往要借助于磁场强度H这个物理量。这个物理量。lINH 或或lHIN 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页例例 一均匀闭合铁心线圈，匝数为一均匀闭合铁心线圈，匝数为300，铁心中磁感应强度为，铁心中磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度为磁路的平均长度为45cm,I lS试求：试求：(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流；铁心材料为铸铁时线圈中的电流；(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。解：解：先从磁化曲线中查出磁场强度的先从磁化曲线中查出磁场强度的H值，然后再计算电流。值，然后再计算电流

13、。(1)H1=9000A/m，ANlHI5 .1330045. 0900011(2)H2=260A/m，ANlHI39. 030045. 026022可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则所需要的磁动势或励磁电流是不同的。因此，采用高磁导率所需要的磁动势或励磁电流是不同的。因此，采用高磁导率的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页铁心线圈分为两种：铁心线圈分为两种：电磁铁是利用电磁力来实现某一机械动作的电磁铁是利用电磁力来实现某一机械动作的

14、多用途的电磁元件，主要由线圈、铁心和衔铁三多用途的电磁元件，主要由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈通电，衔铁吸合，执行动作。部分组成。线圈通电，衔铁吸合，执行动作。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，所以分析直流铁心圈和铁心中不会感应出电动势来，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。线圈比较简单。本课不讨论。交流铁心线圈通交流来励磁（如交流电机、变交流铁心线圈通交流来励磁（如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈）。其电压、电流等关压器及各种交流电器的线圈

15、）。其电压、电流等关系与直流不同，下面我们就来讨论之。系与直流不同，下面我们就来讨论之。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 磁动势磁动势 F = iN F = iN 产生产生的磁通绝大多数通过铁的磁通绝大多数通过铁心而闭合，这部分磁通心而闭合，这部分磁通称为工作磁通称为工作磁通。 ueeiN铁心如图所示，铁心如图所示， 此外还有一少部分通过空气等非磁性材料而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，用闭合，这部分磁通称为漏磁通，用表示。表示。 这两个磁通在线圈中产生感应电动势这两个磁通在线圈中产生感应电动势e e和和e e。e e为主磁电动势，为

16、主磁电动势，e e为漏磁电动势。为漏磁电动势。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页据据KVLKVL有：有：当当为正弦量时，为正弦量时，tUum sin伏伏Ruuuu上式中的各量可视作正弦量，于是上式可用相量表示：上式中的各量可视作正弦量，于是上式可用相量表示：ueeiNRUUjXIU下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页UIjXUUR UjXRI)( 由于由于R R和和X X很小很小 ，U UR R和和U U与与U U/ /相比可忽略相比可忽略EUU下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页设设 则则 tm sin)90sin()90s

17、in(2cos00tEtfNtNdtdNemmm 有效值为：有效值为：mmmfN44.42fN22EE EUU即即SfNBfNUmm44.444.4 B Bm为铁心中磁感应强度的最大值。为铁心中磁感应强度的最大值。S S为铁心面积为铁心面积下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2 2铁损铁损三、功率损耗三、功率损耗1 1铜损铜损RIPCu2 磁滞损耗磁滞损耗由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗。可以证明，交由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗。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。能量与磁滞

18、回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应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。变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。 磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗ehFePPP下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 涡流损耗涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗Pei当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是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

19、电动势，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。内环流着。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为P=UIcos =I2R+PFe下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页例题：要绕制一个铁心线圈，已知电源电压例题：要绕制一个铁心线圈，已知电源电压U=220VU=220V，频率频率f=50Hz,

20、f=50Hz,今量得铁心截面为今量得铁心截面为30.230.2cmcm2 2，铁心由硅钢，铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为片叠成，设叠片间隙系数为0.910.91（一般取（一般取0.9-0.930.9-0.93）。）。（1 1）如取）如取B Bm m=1.2T,=1.2T,问线圈匝数应为多少？（问线圈匝数应为多少？（2 2）如磁）如磁路平均长度为路平均长度为60cm60cm，问励磁电流应为多大？，问励磁电流应为多大？解：铁心的有效面积为解：铁心的有效面积为 S=30.2S=30.20.91=27.5cm0.91=27.5cm2 2(1)(1)线圈匝数可根据线圈匝数可根据 求出求出SfNB44

21、.4Um300105 .272 .15044.4220SfB44.4UN4m（2 2）从图）从图5.1.55.1.5中可查出，当中可查出，当B Bm m=1.2T=1.2T时，时， H Hm m=550A/m=550A/m，所以所以255060100.7822300mHLIAN下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页变压器是一种常见的电气设备，变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。发电厂欲将发电厂欲将P=3UIcos的电功率输送到用电的区域，在的电功率输送到用电的区域

22、，在P、cos为一定值时，若采用的电压愈高，则输电线路中的为一定值时，若采用的电压愈高，则输电线路中的电流愈小，因而可以减少输电线路上的损耗，节约导电材料。电流愈小，因而可以减少输电线路上的损耗，节约导电材料。所以远距离输电采用高电压是最为经济的。所以远距离输电采用高电压是最为经济的。目前，我国交流输电的电压最高已达目前，我国交流输电的电压最高已达500kV。这样高的。这样高的电压，无论从发电机的安全运行方面或是从制造成本方面考电压，无论从发电机的安全运行方面或是从制造成本方面考虑，虑，都不允许由发电机直接生产。都不允许由发电机直接生产。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一

23、页一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈（绕组）变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈（绕组）构成。构成。铁心铁心和和线圈线圈是变压器的基本组成部分。是变压器的基本组成部分。变压器和电源相连的线圈称为一次绕组（或原绕组变压器和电源相连的线圈称为一次绕组（或原绕组,或或初级绕组），和负载相连的线圈称为二次绕组（或副绕组初级绕组），和负载相连的线圈称为二次绕组（或副绕组,或次级绕组）。或次级绕组）。变压器结变压器结构示意图构示意图接 负 载接 电 源原 线 圈副 线 圈闭 合 铁 芯下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 当变压器

24、的一次绕组当变压器的一次绕组接上交流电压接上交流电压 时，一次绕组时，一次绕组中便中便有电流有电流 i1 1 通过通过。电流。电流 i1在铁心中在铁心中产生闭合磁通产生闭合磁通 ，磁通磁通 随随 i1 的变化而变化，的变化而变化，从而在二次绕组中从而在二次绕组中产生感产生感应电动势。应电动势。1U 如果二次绕组如果二次绕组接有负载接有负载，在二次绕组和负载组成回路中，在二次绕组和负载组成回路中有负载电流产生。有负载电流产生。KNNfN44. 4fN44. 4EEUU21m2m12121（1 1）变压器的变压比）变压器的变压比 变压器中一、二次绕组的电压变压器中一、二次绕组的电压之比之比二、二、

25、变压器的作用变压器的作用（三变一隔离）（三变一隔离）下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页（2 2）变压器的变流比）变压器的变流比变压器中一、二次绕组的电流变压器中一、二次绕组的电流之比之比KNNII11221012211INININ磁通势平衡方程式磁通势平衡方程式空载时，主磁通是有磁通势空载时，主磁通是有磁通势产生的，有载时，产生的，有载时，主磁通是磁通势主磁通是磁通势共同产生的。共同产生的。很小，可以忽略。很小，可以忽略。01IN2211ININ和0I下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页（3）变压器的阻抗变换）变压器的阻抗变换在如图在如图所示电路中，负载阻抗所示电路中，负载阻抗与变压器二次绕组连接，与变压器二次绕组连接，虚虚线框内部分线框内部分为折算到一次绕组的等效阻抗为折算到一次绕组的等效阻抗。LZZL21121122LZKZIUK1KIKUIUZ 这表明变压器的这表明变压器的副边接上负载副边接上负载 后