《电工学（第七版）》课件 第四章变压器与电动机

§4-1磁场与电磁感应一、电流的磁场用铁屑模拟磁场分布

当两个磁极靠近时,它们之间会产生相互作用的力:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。在磁体周围的空间中存在着一种特殊的物质——磁场,磁极之间的作用力就是通过磁场进行传递的。根据铁屑的分布和磁场中各点的小磁针N极的指向,我们可以画出一些曲线来描述磁场。这样的曲线称为磁感线。

1．磁场与磁感线

在磁体外部由N极指向S极,在磁体内部由S极指向N极。磁感线是闭合曲线。蹄形磁铁的磁感线磁感线方向与磁场方向

在磁场的某一区域里,如果磁感线是一些方向相同、分布均匀的平行直线,这一区域称为均匀磁场。距离很近的两个异名磁极之间的磁场,除边缘部分外,就可以认为是均匀磁场。把小磁针放在通电导线下方,小磁针转动接通电源,绕上漆包线的铁钉也就成了磁铁2．电流的磁场

不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场，这种现象称为电流的磁效应。右手螺旋定则用右手握住通电螺线管,让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致,则大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向,也就是通电螺线管的磁场N极的方向用右手握住导线,让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致,则弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向二、磁场对电流的作用1．磁场对通电直导体的作用通常把通电导体在磁场中受到的力称为电磁力。

平伸左手,使大拇指与其余四个手指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内,让磁感线垂直穿入掌心,并使四指指向电流的方向,则大拇指所指的方向就是通电导体所受电磁力的方向。左手定则在磁场中,垂直于磁场方向的通电导线,所受电磁力F与电流I和导线长度L的乘积IL的比值称为该处的磁感应强度,用B表示,即B=F/IL磁感应强度的单位是特斯拉(T),简称特。磁感应强度是个矢量,它的方向就是该点的磁场的方向。

设在磁感应强度为B的均匀磁场中,有一个与磁场方向垂直的平面,面积为S,我们把B与S的乘积定义为穿过这个面积的磁通量,简称磁通。用Φ表示,则有Φ=BS

磁通的单位是韦伯(Wb),简称韦。a)通入同方向电流的平行导线相互吸引b)通入反方向电流的平行导线相互排斥2．通电平行直导线间的作用3．磁场对通电线圈的作用磁场对通电矩形线圈的作用是电动机旋转的基本原理。许多利用永久磁铁来使通电线圈偏转的磁电式仪表，也利用这一原理制成的。直流电动机原理磁电式仪表三、电磁感应变压器

一台大型发电机的转子1.电磁感应现象电流能产生磁场，那么磁场能否产生电流呢？

磁铁插入线圈

磁铁拔出线圈将一条形磁铁放置在线圈中，当其静止时，检流计的指针不偏转，但将它迅速地插入或拔出时，检流计的指针都会发生偏转，说明线圈中有电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，产生的电流称为感应电流，产生感应电流的电动势称为感应电动势。2.电磁感应定律在线圈回路中产生感应电动势和感应电流的原因是由于磁铁的插入和拔出导致线圈中的磁通发生了变化。楞次定律指出了磁通的变化与感应电动势在方向上的关系，即感应电流产生的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通的变化。（1）楞次定律（2）法拉第电磁感应定律如果改变磁铁插入或拔出的速度，就会发现，磁铁运动速度越快，指针偏转角度越大，反之越小。而磁铁插入或拔出的速度，反映的是线圈中磁通变化的速度。即：线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。用ΔΦ表示时间间隔Δt内一个单匝线圈中的磁通变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈有N匝，则感应电动势的大小为3．感应电动势的产生直导体切割磁感线产生感应电动势感应电动势的方向可用右手定则判断。平伸右手，大拇指与其余四指垂直，让磁感线穿入掌心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指所指的方向就是感应电动势的方向。右手定则

当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时，导体中的感应电动势为：e=Blv如果导体运动方向与磁感线方向有一夹角α，则导体中的感应电动势为e=Blvsinα导体运动方向与磁感线方向示意图发电机就是应用导线切割磁感线产生感应电动势的原理发电的，实际应用中，将导线做成线圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。发动机原理示意图

在磁感应强度为B的均匀磁场中,有一直导体AB沿平行导电轨道滑动。当导体以速度v向左匀速运动时,导体切割磁感线的有效长度为L,试确定导体中感应电动势的方向和大小。解:（1）导体向左运动时，导电回路中磁通将增加，根据楞次定律判断，导体中感应电动势的方向是B端为正，A端为负。用右手定则判断，结果相同。（2）设导体在Δt时间内左移距离为d，则导电回路中磁通的变化量为ΔΦ=BΔS=BLd=BLvΔt所以感应电动势如果导体和磁感线之间有相对运动时，用右手定则判断感应电流方向较为方便。如果导线与磁感线之间无相对运动，只是穿过闭合回路的磁通发生了变化，则用楞次定律来判断感应电流的方向。合上开关，VD1亮，VD2不亮；再断开开关，VD1熄灭，VD2闪亮一下然后熄灭。当线圈中的电流发生变化时，线圈中就会产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中原来电流的变化。4．自感（1）自感现象

这种由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象称为自感现象，简称自感。在自感现象中产生的感应电动势称为自感电动势，用eL表示，自感电流用iL表示。（2）自感系数自感电流产生的磁通称为自感磁通。一个线圈中通过单位电流所产生的自感磁通称为自感系数（简称电感），用L表示，即L的单位是亨利，用H表示。常采用较小的单位有毫亨（mH）和微亨（μH）。线圈的电感是由线圈本身的特性决定的。线圈越长，单位长度上的匝数越多，截面积越大，电感就越大。有铁心的线圈，其电感要比空心线圈的电感大得多。电感为常数的线圈称为线性电感。空心线圈当其结构一定时，可近似地看成线性电感。有铁心的线圈，其电感不是一个常数，称为非线性电感。（3）自感电动势由

代入

，可得5．互感

在开关SA闭合或断开的瞬间,以及闭合开关后改变RP的阻值时,检流计的指针都会发生偏转。（1）互感现象和互感电动势两个线圈间的互感我们把由一个线圈中的电流发生变化而在另一线圈中产生电磁感应的现象称为互感现象，简称互感。由互感产生的感应电动势称为互感电动势，用eM表示。互感电动势的计算公式为

式中M称为互感系数，简称互感，单位和自感一样，也是亨（H）。当两个线圈互相平行，且第一个线圈的磁通变化全部影响到第二个线圈，这时也称全耦合，互感电动势最大。（2）互感线圈的同名端我们把由于线圈绕向一致而产生感应电动势的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端，用“·”或“*”表示。图中1、4、5就是一组同名端。SA闭合瞬间，A线圈有电流i从1端流进，根据楞次定律，在A线圈两端产生自感电动势，极性为左正右负。利用同名端可确定B线圈的4端和C线圈的5端皆为互感电动势的正端。互感线圈的同名端

当线圈的绕向难以确定时，可用如下方法判别两个线圈的同名端。线圈B(副线圈)接检流计。合上开关的瞬间如果电压表指示为正向电压，则3与1为同名端，否则，3与1为异名端。同名端的判断四、铁磁物质的磁现象和磁路使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。只有铁磁材料才能被磁化，而非铁磁性材料是不能被磁化的。这是因为铁磁物质可以看作是由许多被称为磁畴的小磁体所组成。1．铁磁物质的磁化当一个线圈的结构、形状、匝数都已确定时，线圈中的磁通Φ随电流I变化的规律可用Φ—I曲线来表示，称为磁化曲线，它反映了铁心的磁化过程。磁化实验与磁化曲线

利用电流产生的磁场磁化铁芯

磁化曲线各种电器的线圈中，一般都装有铁芯以获得较强的磁场。为了尽可能增强线圈中的磁场，还常将铁芯制成闭合的形状，使磁感线沿铁芯构成回路。铁芯构成的磁路当线圈中电流变化到零时，由于磁畴存在的惯性，铁芯中的Φ并不为零，而是仍保留部分剩磁。必须加反向电流，并达到一定数值才能使剩磁消失。上述现象称为磁滞.

图b中的封闭曲线称为磁滞回线。

铁芯在反复磁化的过程中，由于要不断克服磁畴惯性将损耗一定的能量，称为磁滞损耗，这将使铁芯发热。反复磁化和磁滞回线

理想情况

磁滞回线不同的铁磁材料具有不同的磁滞回线，它们的用途也不相同，一般可分为硬磁材料、软磁材料、矩磁材料三大类。2．铁磁材料的分类硬磁材料软磁材料矩磁材料a)磁电系仪表b)变压器c)电动机磁通所通过的路径称为磁路。几种常见的电气设备磁路如下：3．磁路

磁路可分为无分支磁路和有分支磁路。

与电路比较，磁路的漏磁现象要比电路的漏电现象严重得多。全部在磁路内部闭合的磁通称主磁通，部分经过磁路周围物质而自成回路的磁通称为漏磁通。由于制造和结构上的原因，磁路中常有气隙，当气隙很小时，气隙中的磁感线是平行而均匀的，只有极少数磁感线扩散出去形成所谓的边缘效应。主磁通、漏磁通和边缘效应我们把通过线圈的电流I和线圈匝数N的乘积称为磁动势，用Em表示，即磁动势的单位是安培（A）。电路中有电阻，磁路中也有磁阻。磁阻就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用符号Rm表示。磁路中磁阻的大小与磁路的长度L成正比，与磁路的横截面积S成反比，并与组成磁路材料的磁导率有关，其公式为

式中μ、L、S的单位分别为H/m、m、m2，磁阻Rm的单位为H-1。§4-2单相变压器和三相变压器手机充电器中的变压器电力变压器电动自行车充电器中的变压器变压器的主要功能是改变交流电压的大小，此外还有改变电流、变换阻抗等作用。一、变压器的基本结构变压器基本结构变压器符号变压器的主要组成部分是铁芯和绕组。工作时和电源相连的绕组称为一次绕组(原线圈、初级绕组)，与负载相连的线圈称为二次绕组(副线圈、次级绕组)。芯式

壳式根据绕组和铁芯的安装位置不同，可分为芯式和壳式两种。二、单相变压器的工作原理忽略绕组电阻和各种电磁能量损耗的变压器称为理想变压器。变压器的控制运行就是变压器一次绕组加额定电压、二次绕组开路的工作状态，此时，二次绕组没有接负载，所以二次绕组中没有电流流过。1．变压器的空载运行三、单相变压器的运行特性理想变压器一次、二次绕组端电压之比等于绕组的匝数比。匝数比又称变比。变压原理当N1>N2时，U1>U2，变压器使电压降低，这种变压器称为降压变压器。当N1<N2时，U1<U2，变压器使电压升高，这种变压器称为升压变压器。若N2=N1，则U2=U1，变压器变比为1，虽然这种变压器并不改变电压，但它可以将用电器与电网隔离开来，所以称隔离变压器。2．变压器的负载运行当变压器的二次绕组接上负载，一次绕组接上交流电源后，二次绕组有电流通过，此时一次绕组的电流也随之发生变化。如果增加负载，则二次绕组电流增大，一次绕组电流也随着增大。根据能量守恒定律，理想变压器的输出功率P2应与变压器从电源中获得的功率P1相等。当变压器只有一个二次绕组时，应有如下关系：I1U1=I2U2，因而得到上式表明，变压器工作时，一次、二次绕组中的电流跟匝数成反比。（1）变流原理（2）变换阻抗原理把带负载的变压器（图中阴影部分）看成是一个新的负载，并用RL’表示。忽略变压器的损耗，应有上式表明，在变压器二次侧接上负载RL，就相当于在电源上直接接上一个

的负载。也就是说，是RL在变压器一次侧中的交流等效电阻。变压器变换阻抗提高输出功率变压器的变换阻抗特性常用于电子电路中的阻抗匹配，使负载获得最大功率。b)变换阻抗前输出功率小c)变换阻抗后输出功率大

在输、配电过程中，常常需要对三相电源进行升压（实现高压输电）和降压（实现低压供电），这就需要使用三相变压器，在输、配电过程中使用的三相变压器也称为电力变压器。常用的三相变压器有三相干式变压器和三相油浸式变压器。四、三相变压器三相干式变压器

三相油浸式变压器

电路符号1．三相变压器的结构三相变压器按磁路系统可分为三相组合式变压器和三相芯式变压器。三相组合式变压器是由三台单相变压器按一定的连接方式组合而成，其特点是各相磁路各自独立而互不相关。三相芯式变压器是三相共用一个铁芯的变压器，其特点是各相磁路关联。

当三相电压平衡时，磁路也对称，可以省去中间铁芯类似于三相对称电路中省去中线。

在实际应用中，把三相铁芯布置在同一平面上。2．三相芯式变压器绕组的连接星形联结是将三个绕组的末端连接在一起，接成中性点，再将三个绕组的首端引出。如果中性点也引出，称为中点引出的星形联结以符号“YN”表示。星形联结三角形联结是将三个绕组的各相首尾相连构成闭合回路，将三个连接点分别连接电源。因为首尾连接的顺序不同，可分为正相序和反相序两种接法。正相序三角形联结

反相序三角形联结

§4-3特殊变压器自耦变压器一、自耦变压器原理图符号自耦变压器的优点是结构简单，节省材料。但由于一次侧与二次侧不仅通过磁路耦合，而且电路也直接相通，为了保证安全，必须加强绝缘。

一般在变比较小，一次侧与二次侧电压相差不大的情况下使用。普通自耦变压器的一次绕组和二次绕组是分开的，称为双绕组变压器。如果把整个绕组作为一次绕组，二次绕组只取线圈的一部分，就成为自耦变压器。自耦变压器的一次侧与二次侧有直接的电联系，如果将相线和中线接反，当人触及二次侧任一接线端时，都会发生危险。因此，自耦变压器不能用作安全照明用变压器。自耦变压器的错误接法交流弧焊机

电焊变压器结构电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分。二、电焊变压器JDZJ-3/6/10Q型电压互感器三、仪用互感器和钳形电流表LZZBW-10户外干式电流互感器JLS-10型三相电力计量箱1.仪用互感器图为接有电压互感器（TV）和电流互感器（TA）的单相电路。电压互感器实质上就是一个降压变压器，一般规定二次绕组的额定电压为100V。电流互感器实质上就是一个降流变压器，它能把一次绕组的大电流变换成二次绕组的小电流。常用的钳形电流表是一种附有测量仪表的电流互感器。测量时先松开铁芯，将被测载流导线放入钳口中，这根导线便成为电流互感器的单匝一次绕组，铁芯上已绕好的二次绕组直接与测量仪表连接，就可以读出电流的数值。2.钳形电流表指针式

数字式§4-4三相异步电动机电动葫芦是工厂车间里常用的起重、搬运工具，其升降和移动的动力通常是由三相异步电动机提供的。

移动电动机升降电动机如右图所示，使三个相同的线圈的平面互成120º，并把它们接入三相交流电路中，通电后可以看到放在线圈中间的笼型导体也转动起来。如左图所示，在磁铁中间放一个笼型导体，如果转动磁铁，造成一个旋转磁场，笼型导体就随着转动。三相异步电动机的原理三相笼型异步电动机主要由定子和转子两部分组成。

一、三相笼型异步电动机的结构

定子的作用是产生旋转磁场，转子的作用是产生电磁转矩。定子绕组和未装绕组的定子冲片定子是电动机静止部分，包括机座、定子铁芯和定子绕组。三、相笼型异步电动机的定子部分

定子铁芯由相互绝缘的硅钢片叠制而成。铁芯内圈有孔，定子绕组嵌在槽内。三角形联结

定子绕组是电动机的电路部分，由对称三相绕组组成。按照电动机铭牌上的说明，可将定子绕组接成星形或三角形。星形联结定子绕组的接法转子是电动机的旋转部分，由轴、转子铁芯和转子导体三部分组成。

嵌放铜条的笼型转子

铸铝的笼型转子三相笼形异步电动机的转子部分二、三相笼型异步电动机的工作原理及极数与转速1.三相笼型异步电动机的工作原理上面讨论的旋转磁场只有一对磁极（一个N极和一个S极），所以称为两极旋转磁场。三个对称绕组U1-U2、V1-V2、W1-W2互成120º嵌入铁芯槽中，并作星形联结。三相绕组中通入三相交流电，则三个绕组中都会产生同样按正弦规律变化的磁场，在不同瞬间这三个磁场的合成磁场有着不同的旋转方向。旋转磁场的产生2.三相异步电动机的极数和转速异步电动机的转速n必定小于旋转磁场转速n0

（又称同步转速）磁场的转速旋转磁场转速n0与n之差称为转差，转差△n与旋转磁场转速n0之比称为转差率，用S表示，即电动机转速的计算式为笼型转子转动原理电源频率为50Hz时磁极数与旋转磁场转速的关系三、三相异步电动机的选择和使用1．三相异步电动机的铭牌三相异步电动机铭牌说明额定功率

4.0kW是指电动机在额定状态下运行能输出的机械功率为4.0KW。额定电压

380V是指电动机额定绕组规定使用的线电压。型号

Y—112M—4是指国产Y系列异步电动机，机座中心高度112mm，中机座（M表示中机座，L表示长机座，S表示短机座），磁极数为4极。三相异步电动机铭牌说明接法△，是指电动机定子绕组应采用△接法。额定电流

8.8A是指电动机在输出额定功率时，定子绕组所允许通过的线电流为8.8A、额定转速

1440r/min，指电动机在额定负载下的转速为1440r/min。绝缘等级

B级绝缘,指电动机绝缘等级为B,最高工作温度为130℃。绝缘等级见下表。绝缘等级EBFHC最高工作温度（°C）120130155180大于180Y系列电动机采用B级绝缘，新型Y2系列电动机采用F级绝缘。三相异步电动机铭牌说明防护等级

IP44,表示防护等级为封闭型。IP后第一个数字表示防固体异物的等级,第二个数字表示防水等级。例如IP44表示可防大于1mm的颗粒进入电动机内,且防溅水。工作制

S1,表示电动机为连续工作制,即在额定状态下可连续工作。机床、水泵、通风机等设备所用的异步电动机即为连续工作制。

S2表示短时工作制,即在额定状态下持续运行时间不允许超过规定的时限,否则会使电动机过热。短时工作制分10min、30min、60min、90min共4种。

S3表示断续周期工作制,即电动机工作与停歇交替进行,时间都很短,如吊车、起重机等所用的电动机。噪声等级

LW82dB表示为噪声等级为82dW。产品名称代号代号含义适用场合笼型异步电动机Y异步一般用途绕线转子异步电动机YR异步绕线小容量电源防爆型异步电动机YB异步防爆石油、化工、煤矿井下高起动转矩异步电动机YQ异步启动超负荷、惯性较大的机械常用三相异步电动机常用电动机外形图YS系列Y2系列YEJ系列2．三相异步电动机的选用（1）选择功率根据负载设备所要求的工作制、工作条件、起动特性合理选择电动机的功率。（2）选择转速根据负载设备的最高机械转速和传动机构的变速比选择电动机的转速。（3）综合选择根据负载设备的特性、生产工艺、安装方式、使用环境、维护及价格等方面综合考虑电动机类型。

（4）更换电动机时的选择可用额定电压、额定功率接近的新型电动机替换旧型电动机，但对特殊情况下使用的电动机，不可降低防护等级。3．三相异步电动机的使用（1）电动机启动前的检查

1）检查电动机铭牌所标电压、频率是否与使用的电源电压、频率相等，接法与铭牌所标是否相符。2）新电动机或长期不用的电动机，使用前应检查各相绕组间绕组及对地的绝缘电阻（正常值都应为无穷大）。绝缘电阻表测各相对地的绝缘电阻测各相绕组间的绝缘电阻（2）电动机运行中的巡查电压监视电源电压与额定电压的偏差不应超过±5%，三相电压不平衡度不应超过1.5%。电流监视用钳形表测量电动机的电流，对较大的电动机还要经常观察运行中电流是否三相平衡或超过允许值。机组转动监视检查皮带连接处是否良好，皮带松紧是否合适，机组转动是否灵活，有无卡位、窜动及不正常的现象。用钳形电流表检测电流温度监视用手触及外壳，看电动机是否过热烫手，如发现过热，应立即停止运行。响声、气味监视检查响声是否正常，电动机是否有焦臭气味，如有异常则应停机检修。

感测电动机温度检查电动机响声§4-5单相异步电动机一、单相异步电动机的结构交流电波形单相交流电产生的交变脉动磁场电流正半周产生的磁场电流负半周产生的磁场二、单相电容分相式异步电动机的工作原理

实物图电容启动式电容运转式为了使单相异步电动机能够按预期的方向自行起动旋转，最常用的方法是在电动机的定子铁心槽中嵌放两个绕组，一个是工作绕组(也称主绕组），另一个是启动绕组（也称副绕组），两者在空间互成90º，在启动绕组中还串接一只电容器。单相电容分相式电动机旋转磁场的产生单相电容分相式电动机旋转磁场的产生工作绕组呈电感性，电流i1

滞后电源电压φ1。启动绕组呈电容性，电流i2超前电源电压φ2。适当选择电容，可使φ1+φ2=90°。运用类似三相旋转磁场的分析方法可知，当具有90°相位差的两个电流分别通入在空间中相差90°的两个绕组时，也能产生一个旋转磁场，从而带动转子旋转。如果要改变单相异步电动机的旋转方向，可将任一绕组的两个接线端换接。

三、单相异步电动机的调速方法1.串电抗器调速将电抗器与电动机定子绕组串联，利用电抗器上产生的电压降，使加到电动机定子绕组上的电压下降，从而将电动机转速下调。调节整机电压

调节启动绕组电压2.绕组内部抽头调速通过开关改变中间绕组与工作绕组及启动绕组的接法，从而改变电动机内部气隙磁场的大小，使电动机的输出转矩也随之改变，在一定的负载转矩下，电动机的转速也发生变化。内置抽头

外置抽头3.晶闸管调速利用改变晶闸管的导通角改变加在单相异步电动机上的交流电压，从而调节电动机转速。四、单相异步电动机的应用单相异步电动机具有结构简单，噪声小，运行可靠等优点，被广泛应用于家用电器、医疗设备、小型电动工具中。实用的单相异步电动机效率都较小，一般在0.75KW以下，且大多数使用电容分相式。常用的单相异步电动机有电容分相式和电阻分相式两种。电钻

电风扇

吸尘器

1.电容分相式单相异步电动机

2.电阻分相式单相异步电动机电冰箱压缩机使用的电动机采用电阻分相，即一个绕组串电阻，与另一个感性绕组中的电流相位近似相差90º，也能产生旋转磁场。§4-6特种电动机一、直线电动机1.直线电动机的结构直线电动机也称线性电动机，线性马达，直线马达，推杆马达。是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电动机按径向剖开，并展成平面而成。直线电动机经常简单描述为旋转电动机被展平，由定子演变而来的一侧称为初级，由转子（在直线电动机中也称为动子）演变而来的一侧称