第6章 磁路与铁心线圈

邯郸大学机电系杨佩兰第6章磁路与铁心线圈电路返回6.1磁路及其分析方法6.2交流铁心线圈电路6.3变压器6.4电磁铁目录返回磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁磁导率等几个物理量表示。一、磁感应强度与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向。SIlFBB的单位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的单位：韦伯矢量6.1.1磁场的基本物理量高斯二、磁通磁感应强度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。如磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，这样的磁场则称为均匀磁场。＝BS的单位：伏•秒，通称为韦[伯]Wb或麦克斯韦Mx1Wb＝108Mx三、磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。BHH的单位：安／米的单位：亨／米安培环路定律（全电流定律）：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.即矢量HI1I2I3电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。IHdl在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可写成：IxHx)3.1.6(2节NIIxHlHHdlxxxxxlNIH其中lx＝2x是半径为x的圆周长Hx是半径x处的磁场强度F＝NI即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势单位为安[培]（A）四、磁导率磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量物质导磁能力的物理量。讨论磁场内某一点的磁场强度H与有关吗？xxxlNIHB由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与无关xxlNIH•真空中的磁导率为常数mH/10470•一般材料的磁导率和真空磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r0r或00BBHHr磁性材料非磁性材料11rr返回磁性材料的磁性能一、高导磁性指磁性材料的磁导率很高，r1，使其具有被强烈磁化的特性。二、磁饱和性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。6.1.2磁性材料的磁性能高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性BBB00BJba磁化曲线图6.1.5B和与H的关系图6.1.3B，BHO注当有磁性物质存在时B与H不成比例，与I也不成比例。三、磁滞性当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化，当H已减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。磁滞回线图6.1.4剩磁：当线圈中电流减到零（H＝0），铁心在磁化时所获的磁性还未完全消失，这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br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（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。返回1u2uis一、磁路线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通S。线圈铁心6.1.3磁路的分析方法二、磁路的欧姆定律对于环形线圈)1.1.6(lSlBHlNI)3.1.6(mRFSlNI磁路的欧姆定律说明F=NI为磁通势Rm为磁阻l为磁路的平均长度S为磁路的截面积INR+_EIU磁路与电路对照磁路电路磁通势F电动势E磁通电流I磁感应强度B电流密度J磁阻Rm电阻RSlRmSlR磁路的计算在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势F＝NI。计算均匀磁路要用磁场强度H，即NI＝Hl，如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成。NI＝H1l1＋H2l2＋＝（Hl）（6.1.4）如：由三段串联而成的继电器磁路图6.1.7继电器的磁路解磁路的平均长度为l＝（（10＋15）／2）＝39.2cm查铸钢的磁化曲线，当B＝0.9T时，H1＝500A／m于是H1l1＝195A空气隙中的磁场强度为H0＝B0／0＝0.9／（410－7）＝7.2105A/m有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为15cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。例题6.1.2H0＝7.21050.210-2＝1440A总磁通势为NI＝（Hl）＝H1l1＋H0＝195＋1440＝1635线圈匝数为N＝NI／I＝1635若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量大为降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定）结论返回6.2.1、电磁关系铁心线圈分为：直流铁心线圈和交流铁心线圈＋u－－e＋－es＋si图6.2.1铁心线圈的交流电路ui（Ni）seesdtdNedtdiLdtdNess6.2交流铁心线圈电路OL，Li图6.2.2和L与i的关系注励磁电流i与s之间线性关系i与之间不存在线性关系6.2.2电压电流关系][44.444.4VSfNBfNEUmm铁心中磁感应强度的最大值铁心截面积6.2.4式6.2.5式6.2.3功率损耗铜损Pcu：线圈电阻R上的功率损耗。铁损Pfe：在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流产生的功率损耗。包括磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe。返回涡流磁滞有FeCuFe2PPPRIUIcosPPhPe变压器的功能：变电压、变电流、变阻抗发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压变压器的种类6.3变压器额定电压变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。NNUU21、额定电流变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNII21额定容量传送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）＋u1－－e1＋－es1＋s1is2+e2－＋es2－N2N1＋u2－1i2z6.3.1变压器的工作原理电磁关系原绕组副绕组u1i1（N1i1）s1e1es1e2s2i2（N2i2）es2图6.3.2电压变换根据交流磁路的分析可得：E1＝4.44fN1mE2＝4.44fN2mKNNEEUU2121201空载时副绕组的端电压变比结论：改变匝数比，可得到不同的输出电压电流变换102211NiNiNi由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（i0）很小，可忽略。写成相量为02211NINIKNNII11221结论：变压器原、副绕组的电流与匝数成反比(6.3.8)(6.3.9)(6.3.10)阻抗变换结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。22222111IUKIKKUIUZKZ2'R0RLIE（1）匝数比为108800'21LLRRNN信号源输出功率为WRRREPLL5.4'2'0有如下图：交流信号源的电动势E＝120V,内阻R0＝800，负载电阻RL＝8（1）当RL折算到原边的等效电阻为=R0时，求匝数比和信号源输出功率；（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？例题6.3.1图6.3.6LR（2）当将负载直接接在信号源上时WP176.08880012026.3.2变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系U2＝f（I2）U2U20OI2I2NU20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压图6.3.8变压器的外特性曲线例6.3.2作业滞后）0.8(cos21cos2二次绕组从空载到额定负载电压变化率%5%100UUUU20220一般6.3.3变压器的损耗与效率变压器的功率损耗包括铁心中的铁损Pfe和绕组上的铜损Pcu。变压器的效率：CuFePPPPPP22126.3.4特殊变压器ABP1u2u1i2iLR1N2NKNNIIKNNUU1122121211.自耦变压器图6.3.92.电流互感器（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2注意！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。图6.3.116.3.5变压器绕阻的极性当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。123图6.3.13123123两绕阻串联两绕阻并联若将两绕阻的其中一个线圈反绕，则1和4为同极性端注返回图6.3.13容量SN输出功率P2原边输入功率P1输出功率P2注意：变压器几个功率的关系NNNIUS11容量：21PP原边输入功率：cos222IUP输出功率：变压器的功率因数变压器的效率F线圈铁心衔铁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。电磁铁吸合过程的分析：在吸合过程中若外加电压不变，则基本不变mRmRΦIN电磁铁吸合前(气隙大）大起动电流大电磁铁吸合后(气隙小）小电流小mR6.4电磁铁图6.4.1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。注意：电磁铁的吸力][8100207NSBF气隙截面积气隙磁感应强度交流电磁铁中磁场是交变的，设tBBmsin0（6.4.1）交流电磁铁：铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。直流电磁铁：铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。则吸力为：tFFtBfmmm2cos2121sin810227平均值为：][16102110270NSBFfdtTFmmT返回（6.4.2）（6.4.3）结束第6章返回