电子电工技术 第4章 磁路与变压器

第4章

磁路与变压器

在电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。因为很多电工设备与电路和磁路都有关系，如电动机、变压器、电磁铁及电工测量仪表等。磁路问题与磁场有关，与磁介质有关，但磁场往往与电流相关联，所以本章将首先介绍磁路和电路的关系，然后学习变压器的工作原理和基本特性。4.1磁场的基本物理量4.1.1磁感应强度磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量,它是一个矢量。磁感应强度B与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。其大小可用下式表示在国际单位制中，B的单位是特[斯拉]（T）或高斯（Gs））且

F:通过电流的导体在磁场中所受的电磁力;I:导体中通过的电流；L:为导体在磁场中的有效长度，即与磁场垂直的长度。如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则称为均匀磁场。4.1.2磁通

在匀强磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通φ，即在国际单位制中磁通的单位是韦伯（Wb）。在工程计算中也常采用麦克斯韦（Mx）且4.1.3磁导率

处在磁场中的任何物质均会或多或少地影响磁场的强弱，而影响程度则与该物质的导磁性能有关。磁导率μ就是用来衡量物质导磁性能的物理量。它的单位是亨/米（H/m）。经测定，真空磁导率为μ0=4π×10-7H/m，是一常数。通常用相对磁导率μr来比较物质导磁能力的高低，即：凡μr≈1的物质，它们的导磁能力都和真空差不多，统称为非磁性材料；μr》1的物质，如钢、铁、镍、钴及其合金，它们对磁场强弱影响很大，称为磁性材料。4.1.4磁场强度

磁场强度H也是矢量。它与磁感应强度的关系为工程上常根据安培环路定律来确定磁场强度与电流的关系

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

图4.1.1以环形线圈为例，如图4.1.1,计算线圈内的磁场强度。线圈内为均匀媒质，取磁力线作为闭合回线，且以磁场强度的方向为回线的绕行方向。于是其中N为线圈的匝数；Hx是半径为x处的磁场强度此式表明磁场内某点的磁场强度H只与电流大小I、线圈匝数N及该点的位置有关，而与该点处介质的磁导率μ无关。4.2磁性材料的主要特性

4.2.1高导磁性

磁性材料具有很强的导磁能力，其相对磁导率可达102~105量级。如图4.2.1(a)4.2.1(b)所示。铁、镍、钴及其合金等是常用的磁性材料

磁性物质内的磁感应强度大大增加物质被强烈的磁化了4.2.2磁饱和性当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外磁场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。如，变压器铁心线圈在励磁电流的作用下，铁心受到磁化，产生磁场，其B与H关系曲线，即磁化曲线如图4.2.2所示。B0是真空情况下的磁感应强度；Bｊ是磁化产生的磁感应强度；B是介质中的总磁感应强度。磁性材料的B与H不成正比，因此磁导率μ不是常数，其大小随H变化曲线如图4.2.3所示。4.2.3磁滞性当铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。但当H减少为零时，B并未回到零值(如4.2.4图示中“2”和“5”点)，出现剩磁Br。不同的磁性物质有不同的矫顽力和剩磁，因此它们的磁滞回线也不同。根据磁滞回线的形状常把磁性材料分成为：(1)软磁材料：这种材料的矫顽力、剩磁都较小，磁滞回线较窄。如图4.2.5所示。这种材料磁导率高，矫顽力小，容易磁化，也容易退磁。(2)硬磁材料：这类材料的矫顽力、剩磁都较大，磁滞回线较宽，如图4.2.6所示。这类材料不易退磁，很适合于制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等(3)矩磁材料：这种材料两个方向上的剩磁都很大，接近饱和。但矫顽力却很小，在很小的外磁场作用下就能使它正向或反向饱和磁化，即易于“翻转”；去掉外磁场后，与饱和磁化时方向相同的剩磁稳定地保持下去，即它具有记忆性，如图4.2.7所示。4.3磁路与磁路欧姆定律4.3.1磁路所谓磁路指的是主磁通经过的闭合回路。4.3.2磁路欧姆定律磁路欧姆定律是分析、计算磁路时应用到的最基本的定律。某均匀无分支磁路，如图4.3.1a所示，铁心磁导率为，截面积为，沿磁路各点的和均相同，取铁心中心磁力线为积分路径，长度为，线圈匝数为，电流有效值为。由式（4-5）可知那么铁心磁通，令，则有磁路欧姆定律表达式为式中，为磁通（）；称为磁通势（A），它是磁路中产生磁通的根源；称为磁阻，它表示磁路对磁通有阻碍作用，其大小由铁心材料及其形状尺寸决定。磁路欧姆定律和电路欧姆定律非常相似，两者之间的对照关系见表如果磁路是由不同的材料或不同长度和截面积的几段组成的，则可认为磁路是由磁阻不同的几段串联而成，其总磁通势和总磁阻分别表示为磁路中如果含有空气隙,那么空气隙的磁阻计算式为由上式可以看出,如果磁路中含有空气隙,那么磁阻将明显增大[例4-1]已知有一铁心线圈，线圈的匝数为1000，磁路平均长度为60cm，其中含有0.2cm的空气隙，若要使铁心中的磁感应强度为1.0T，问需要多大的励磁电流？（假定该铁心材料，磁感应强度为1.0T时，对应的磁场强度为600A/m）解：铁心中的磁动势为空气隙中的磁动势为总磁动势为已知线圈的匝数,则励磁电流为A4.4变压器变压器是一种常见的电器设备，它具有变换电压、变换电流、变换阻抗及隔离电源的作用，变压器种类很多，按其用途不同，有电源变压器、控制变压器、电焊变压器、自耦变压器、仪用互感器等。变压器种类虽多，但基本结构和工作原理是一样的。4.4.1变压器的基本结构根据铁心与绕组结构的不同，变压器可分为心式变压器和壳式变压器。图4.4.1为心式变压器，其特点是绕组包围铁心，多用于容量较大的变压器。图4.4.2为壳式变压器，它的部分绕组被铁心所包围，可以不要专门的变压器外壳，适用于容量较小的变压器，4.2.2变压器的工作原理原绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁电动势e1，漏磁电动势eσ1；副绕组匝数为N2，电压u2，电流i2，主磁电动势e2，漏磁电动势eσ2。它们的关系可表示如下：1．电压变换原绕组的电压方程：副绕组的电压方程：忽略电阻R1和漏抗Xσ1的电压，则：k称为变压器的变比。2．电流变换由U1≈E1=4.44N1fΦm可知，U1和f不变时，E1和Φm也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等，即：空载电流i0很小，可忽略不计。3．阻抗变换设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则：Z反映到原绕组的阻抗模|Z'|为：4.4.3变压器的特性和额定值1．外特性电压变化率反映电压U2的变化程度。通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。2．损耗与效率铁损ΔPFe包括磁滞损耗和涡流损耗。损耗：铜损：效率：3．额定值(1)额定电压UN：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。(2)额定电流IN：指允许绕组长时间连续工作的线电流。(3)额定容量SN：在额定工作条件下变压器的视在功率。三相变压器：单相变压器：三相变压器的两种接法及电压的变换关系4.5其他变压器4.5.1三相变压器4.5.2自耦变压器特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。4.5.3仪用互感器(1)电流互感