铁心线圈与变压器

铁心线圈与变压器15.3电磁铁15.1磁路的基本概念15.2铁心线圈电路15.4变压器第15章铁心线圈与变压器第2页,共54页，2024年2月25日，星期天学习目标

了解磁路的基本物理量和基本定律；了解铁磁性材料的磁性能以及磁损耗概念；理解交流铁心线圈电路的基本电磁关系以及电压电流关系；了解电磁铁的基本结构以及工作原理；了解变压器的基本结构、同极性端及特殊变压器的特点；掌握变压器的工作原理及额定值的意义。第3页,共54页，2024年2月25日，星期天磁路：主磁通所经过的闭合路径。

F

线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。F：主磁通

F：漏磁通铁心（导磁性能好的铁磁性材料）线圈15.1磁路的基本概念i第4页,共54页，2024年2月25日，星期天15.1.1磁路的基本物理量SBF=磁感应强度（磁通密度）：B：单位：特斯拉（T）磁通：F

：单位：韦伯（Wb）磁动势：F：单位：安（A）磁场强度：H：单位：安/米（A/m）磁导率：

：单位：亨/米（H/m）F=NIlHNI=表征各种材料导磁能力的物理量mBH=第5页,共54页，2024年2月25日，星期天

真空中的磁导率()为常数0m称为这种材料的相对磁导率

一般材料的磁导率m和真空中的磁导率m0之比，，则称为磁性材料，则称为非磁性材料-70104=pm·非磁性材料：磁导率低，如真空、空气；磁性材料：磁导率高，如铁磁物质。第6页,共54页，2024年2月25日，星期天分子中的电子环绕原子核运动和本身的自转运动形成分子电流，分子电流产生磁场。每个分子基本上相当于一个小磁铁。磁性物质内，分成许多小区域，分子间的特殊作用力使每个区域内的分子磁铁排列整齐，显示磁性，称为：磁畴。磁畴在没有外电场作用时，各磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外不显磁性。15.1.2铁磁性材料的磁性能第7页,共54页，2024年2月25日，星期天B0在铁心上绕上线圈，通入

电流，产生磁场：B0

B0：以空气为介质产生的磁感应强度。B0Bj在外磁场的作用下，磁畴就顺向外磁场的方向，显示出磁性，产生很强的磁化磁场。B0外电流越大，磁化磁场越大，当外电流增大到一定值时，磁畴全部转向外磁场的方向，Bj最大。Bj第8页,共54页，2024年2月25日，星期天结论：（1）用铁磁材料作磁路时，通入不大的励磁电流，可产生足够大的磁通和磁感应强度。（2）用铁磁材料作磁路时，可以做成大电感。非磁性材料没有磁畴的结构，不具有磁化的特性。第9页,共54页，2024年2月25日，星期天

H（4）铁磁材料的不是常数，

随电流变化。（5）铁心线圈的电感是随电流变化的。铁心线圈是非线性电感。（3）磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强，当外磁场增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时：磁化磁场的磁感应强度Bj

即达到饱和值。空心线圈是线性电感。第10页,共54页，2024年2月25日，星期天非线性！m不是常数矫顽力矫顽磁力剩磁剩磁磁滞性磁饱和非线性铁磁性材料的磁性能非线形；强磁化性；磁饱和性；磁滞性。基本磁化曲线：B=f（H）或

F=f（I）H（I）B(F)0QPB（

F）H（I）ti励磁电流励磁电流ti001122334455661第11页,共54页，2024年2月25日，星期天

根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。B（

F）H（I）B（

F）H（I）B（

F）H（I）第12页,共54页，2024年2月25日，星期天对于均匀磁路15.1.3磁路的欧姆定律则：

INSL由于磁性材料的

不为常数，磁路欧姆定律只用作定性分析，不做定量计算。slRmm=令：Rm

称为磁阻φmRLSNIF==m注意！第13页,共54页，2024年2月25日，星期天磁路和电路的比较磁通Φ磁压降HL磁动势INF=电动势电流电压降UEI电路R+_EIU磁路IN

磁阻SlRmμ=电阻SlRγ=mRF=Φ欧姆定律REI=欧姆定律第14页,共54页，2024年2月25日，星期天F——反映通电线圈励磁能力的大小Rm——表示磁路的材料对磁通起阻碍作用的物理量。反映磁路导磁性能的强弱，它只与磁路的尺寸、材料的导磁率有关。对于不同材料或不同截面组成的几段磁路，磁路的总磁阻为各段磁阻之和。第15页,共54页，2024年2月25日，星期天INF=SlRmm=

一定：

大Rm小F小I小

小Rm大F大I大I一定：

大Rm小

大

小Rm大

小第16页,共54页，2024年2月25日，星期天对带有空气隙的磁路l1、

1l2、

20.5l0Rm0中，虽然l0很小，但

0很小，因此Rm0很大，使整个磁路的磁阻大大增加。I不变：Rm大

小

不变：Rm大I大电工设备的磁路中要尽量减小空气隙.第17页,共54页，2024年2月25日，星期天例1一环型铁心线圈，尺寸如图示，铁心材料为铸钢，磁路中含有长度为0.2厘米的空气隙。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均长度为L=(10+15)*3.14=39.2cm铸钢磁路的长度为L1=39.2-0.2=39cm查磁化曲线,当B=0.9T时，H=500AH1L1=500·39·10-2=195A气隙磁路长度为H0L0=B0L0/

0

=1440ANI=H1L1+H0L0=1635A?L0=0.2cm

0=410-7Hm第18页,共54页，2024年2月25日，星期天励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流。（线圈中的电流）15.2铁心线圈电路分类：直流铁心线圈交流铁心线圈励磁电流为直流电励磁电流为交流电将线圈绕制在铁心上就构成了铁心线圈。第19页,共54页，2024年2月25日，星期天15.2.1直流铁心线圈励磁电流为直流：

RUI=（R

为线圈的电阻）IUU一定I一定，与磁路特性无关；

磁动势恒定：F=NI

磁通：)(mRFΦ=Rm一定Φ

一定，恒定磁通，无感应电动势产生；

功率损耗：P=I2R只由线圈中的电流和线圈电阻决定。第20页,共54页，2024年2月25日，星期天直流电磁铁磁路如图示。分析在衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。IU1）因电流只与电源电压和线圈电阻有关，所以，吸合前后电流不变：I=U/R2）因磁动势一定，F=NI吸合前，磁路中气隙大，磁阻大，Φ小；吸合后，磁路中气隙小，磁阻小，Φ大。)(mRFΦ=例2第21页,共54页，2024年2月25日，星期天：主磁通：漏磁通uΦsΦesei15.2.2交流铁心线圈交流励磁：线圈中上加正弦交流电压，励磁电流为交流电流产生交变磁通在线圈中产生感应电动势uΦsΦi（iN）e=-NdΦdtes=-NdΦsdt电流与磁通方向符合右螺旋法则第22页,共54页，2024年2月25日，星期天电路方程：eeuuR-+-+=)()(sΦ

：漏磁通，很小；R：线圈电阻，很小，1.基本电磁关系uΦsΦesei假设则tfNΦmwpcos2=最大值有效值mmfNΦUU44.42

=tNΦumwwcos

mmfNΦUp2

第23页,共54页，2024年2月25日，星期天2、功率损耗

P=Pcu+Pfe

铜损：Pcu=I2Rcu铁损：Pcu=Ph+Pe

Ph：磁滞损耗：

铁心材料的磁滞回线面积采用软磁性材料做铁心可以减少磁滞损耗。Pe：涡流损耗：与铁心的截面积、电源频率、磁感应强度有关。采用顺磁场方向的硅钢片叠成的铁心可以减少涡流损耗。第24页,共54页，2024年2月25日，星期天mNfUF44.4

当外加电压U、频率f

与线圈匝数N一定时，

便一定。与磁路的导磁材料和尺寸无关。mΦ3.交流磁路的特点mR

一定，磁动势IN随磁阻

的变化而变化；mΦmRΦIN=uiX0RFeRcuX

线圈铁心交流铁心线圈的串联等效电路：

第25页,共54页，2024年2月25日，星期天uiX0RFeRcuX

线圈铁心RCu:线圈电阻。X

:漏磁通引起的感抗。RFe:铁心电阻。X0:铁心存储能量引起的感抗。第26页,共54页，2024年2月25日，星期天在吸合过程中若外加电压U不变,则Φ

不变。iumRΦIN=

电磁铁吸合后(气隙小）

小电流小。mR

如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。交流电磁铁磁路如图示。分析在衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。电磁铁吸合前(气隙大）

大电流大；mR例3注意！第27页,共54页，2024年2月25日，星期天(U不变，I不变）(I

随Rm

变化）（U不变时，基本不变）直流磁路交流磁路磁路小结（随Rm变化）第28页,共54页，2024年2月25日，星期天思考(1)将交流铁心线圈接到与其额定电压值相等的直流电压上，会产生什么现象？(2)将直流铁心线圈接到有效值与其额定电压值相等的交流电压上，会产生什么现象？感抗XL以及与PFe对应的等效电阻RFe将不存在线圈电流U/RCu将很大，以至烧坏线圈。将产生感抗XL以及与PFe对应的等效电阻RFe磁路的磁通达不到额定状态，且铁心（整块铁）将会严重发热。第29页,共54页，2024年2月25日，星期天15.3电磁铁结构：铁心、绕组、衔铁IU工作原理：线圈通电产生电磁力吸合衔铁线圈断电电磁力消失释放衔铁应用：工业控制线圈铁心衔铁气隙电磁吸力：f=1078

B02S0

（牛顿）经验公式气隙磁感应强度气隙截面面积第30页,共54页，2024年2月25日，星期天15.3.1直流电磁铁励磁线圈加直流电压—直流铁心线圈。电磁吸力：F=1078

B02S0

（牛顿）线圈电流：衔铁吸合过程中吸力不断增强。为什么？衔铁吸合过程中电流不变。第31页,共54页，2024年2月25日，星期天15.3.2交流电磁铁励磁线圈加交流电压—交流铁心线圈。电磁吸力：问题：电磁吸力以两倍的电源频率波动，引起震动和噪声。解决：在部分磁路上加分磁环，使两部分磁路中的磁通产生相位差，消除震动和噪声。第32页,共54页，2024年2月25日，星期天为什么？线圈电流：衔铁吸合过程中电流不断减小。衔铁吸合过程中吸力大小不变。电磁吸力：使用交流电磁铁时不允许通电后长时间不吸合！第33页,共54页，2024年2月25日，星期天交流电磁铁：励磁线圈加交流电压—交流铁心线圈。直流电磁铁：励磁线圈加直流电压—交流铁心线圈。交、直流电磁铁的区别：1）交流电磁铁的铁心是硅钢片叠成，直流电磁铁的铁心可以是一整块软钢；2）交流电磁铁吸合前后电流要变，直流电磁铁吸合前后电流不变；3）交流电磁铁吸合前后吸力不变，直流电磁铁吸合前后吸力要变。思考产生以上三个不同点的原因是什么？第34页,共54页，2024年2月25日，星期天变压器功能：变电压：电力系统变阻抗：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）变电流：电流互感器15.4变压器第35页,共54页，2024年2月25日，星期天

发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站

1万伏降压

变压器应用举例…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压第36页,共54页，2024年2月25日，星期天单相变压器铁芯原边绕组副边绕组15.4.1变压器的基本结构铁心：变压器的磁路。高、低压绕组.原边（一次绕组）：接电源的绕组副边（二次绕组）：接负载的绕组变压器符号：第37页,共54页，2024年2月25日，星期天15.4.2变压器的工作原理工作过程u2Φi1N1u1i2N2参考方向的确定

原边是电源的负载；

副边是负载的电源；N1N2e1e2

原、副边的e与

符合右螺旋法则；第38页,共54页，2024年2月25日，星期天空载运行：原边接入电源，副边开路。接上交流电源原边电流

i1等于励磁电流i10

产生感应电动势1i

i10

产生磁通

（交变）e,方向符合右螺旋法则1.电压变换原理注意第39页,共54页，2024年2月25日，星期天结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比1u根据交流铁心线圈的电磁关系分析可得：mΦNfE1144.4=

U1mΦNfE2244.4=

U2第40页,共54页，2024年2月25日，星期天有载运行：副边接入负载。E1

U1E2

U2忽略线圈电阻和漏磁通的影响所以，电压比为第41页,共54页，2024年2月25日，星期天2.电流变换原理ZNiNiNi102211

+因为：空载时：励磁电流是：

i10磁动势是：i10N1有载时：励磁电流是：i1与

i2磁动势是：i1N1+i2N2所以：当电源电压的大小和频率一定时，铁心中的磁通大小一定。产生同样磁通的磁动势相等磁势平衡方程式：44.411mΦNfU

第42页,共54页，2024年2月25日，星期天由于变压器铁芯材料的导磁率高，空载励磁电流很小，可忽略。10i0Z0

+11NI22NI11NI22NI-NiNiNi102211

+即：第43页,共54页，2024年2月25日，星期天1）原、副边电流的大小与匝数成反比；结论2）副边电流对原边电流起去磁作用；3）副边电流取决于负载，原边电流取决于副边电流。ZRL

i2

i1

负载电阻增大时，原边电流如何变化？第44页,共54页，2024年2月25日，星期天LZ3.阻抗变换原理22IUZL=u1i1

22222211KZKIUKIKUIUZLL====

第45页,共54页，2024年2月25日，星期天信号源电动势E=80V

，内阻R0=400

，负载电阻RL=4

。1）负载直接接在信号源上时，信号源的输出功率。1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为：例2求：2）阻抗匹配时变压器的变比及输出功率功率。解：2）阻抗匹配时应使RL=R0将负载通过变压器接到信号源上变换阻抗。第46页,共54页，2024年2月25日，星期天ELR1N2NR0输出功率为：21=10

NNK则变比：LLRKR2=

=400

´´´第47页,共54页，2024年2月25日，星期天变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNNNNIUIUS2211==（理想）15.4.3变压器的主要技术指标和额定值变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。1）额定电压U1N/U2N2）额定电流I1N/I2N3）额定容量SN变压器输出的额定视在功率。第48页,共54页，2024年2月25日，星期天变压器输出功率与输入功率的比值。4）额定效率hN5）额定频率fN电源的工作频率。50Hz6）电压调整