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1、铁心线圈与变压器,第15章,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,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。,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,铁心 （导磁性能好 的铁磁性材料）,线圈,15.1 磁路的基本概念,15.1.1 磁路的基本物理量,表征各种材料
2、导磁能力的物理量,称为这种材料的相对磁导率,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。,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,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。,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。,外电流
3、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。,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。,（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。,非线性！m不是常数,磁滞性
4、,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）,0,Q,P,1,对于均匀磁路,15.1.3 磁路的欧姆定律,则：,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。,令：,Rm 称为磁阻,注意！,磁路和电路的比较,磁通,磁压降,HL,磁动势,电动势,电流,电压降,U,E,I,磁阻,电阻,欧姆定律,欧姆定律,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
5、各段磁阻之和。,一定：,I小,I大,I一定：,大,小,对带有空气隙的磁路,Rm0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。,电工设备的磁路中要尽量减小空气隙.,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。,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=500A,H1L1=5003910-2=195A,气隙磁路长度为,H0L0= B0 L0/ 0 =1440A
6、,NI=H1L1+ H0L0 =1635A,?,L0=0.2cm, 0=410-7Hm,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。,15.2.1 直流铁心线圈,（R 为线圈的电阻）,只由线圈中的电流和线圈电阻决定。,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。,1）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/R,2）因磁动势一定，F=NI,吸合前，磁路中气隙大，磁阻大， 小；,吸合后，磁路中气隙小，磁阻小，
7、 大。,：主磁通,：漏磁通,15.2.2 交流铁心线圈,u,电流与磁通方向符合右螺旋法则,电路方程：, ：漏磁通，很小； R：线圈电阻， 很小，,1.基本电磁关系,假设,则,最大值,有效值,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。,3.交流磁路的特点,交流铁心线圈的串联等效电路：,RCu: 线圈电阻。,X: 漏磁通引起的感抗。,RFe: 铁心电
8、阻。,X0: 铁心存储能量引起的感抗。,在吸合过程中若外加电压U不变,则 不变。,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。,注意！,(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,思考,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。,15.3 电磁铁,结构：,铁心、绕组、衔铁,
9、工作原理：,应用：,工业控制,线圈,铁心,衔铁,气隙,电磁吸力：,经验公式,气隙磁感应强度,气隙截面面积,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：,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。,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。,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！
10、,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？,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,变压器应用举例,单相变压器,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
11、.,原边（一次绕组）：,接电源的绕组,副边（二次绕组）：,接负载的绕组,15.4.2 变压器的工作原理,工作过程,参考方向的确定, 原边是电源的负载；, 副边是负载的电源；,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,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,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K为变比,根据交流铁心线圈的电磁关系分析可得：,有载运行 ：副边接入负载。,E1 U1,E2 U2,忽略线圈电阻和漏磁通的影响,所以，电压比为,2.电流变换原理,因为：,空载时：,励磁电流是： i10磁动势是
12、： 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：,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 。,即：,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。,RL i2 i1 ,负载电阻增大时，原边电流如何变化？,3. 阻抗变换原理,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
13、接到信号源上，得到的输出功率为：,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。,输出功率为：,则变比：,变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。,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。,变压器输出的额定视在功率。,变压器输出功率与输入功率的比值。,电源的工作频率。50Hz,6） 电压调整率,（一般为5%左右）,15.4.4 变压器的同极性端,1.同极性端(同名端),当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相 同，则两个流入(或流出）端称为同极性端
14、（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。,*,*,联结 23，顺串,*,*,串联,顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加；,反串：两同名端相连，相当于两匝数相减；,联结 13，反串,并联,同名端两两相连。,1-3连，2-4连,2. 线圈的正确连接,220V：联结 2 3，1-4接电源。,励磁,两种接法下线圈工作情况的分析：,两线圈的额定电压为110V，若接于220V的电源，应如何连接？,220v,若1-3连接，2-4接电源，可能出现什么现象？,在极性不明确时，一定要先测定极性再通电！,两个线圈中的磁通抵消,烧毁,感应电势,电流 很
15、大,注意,110V：联结 1 3，2 4,若1-4、2-3分别连接后接电源，两线圈产生的磁通相互抵消，无感应电动势产生，110V电压将全部降在线圈电阻上，线圈将被烧毁。,若异名端两两相连，会出现什么现象？,1.自耦变压器,15.4.5 特殊变压器,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。 N2连续可调，U2连续可调。,注意, 原、副边千万不能对调使用。, 公共绕组部分不能断开。, 公共端不能接火线。,为什么？,2.电流互感器,被测电流=电流表读数 N2/N1,1）. 副边不能开路，以防产生高电压；,使用注意事项：,用低量程的电流表测大电流,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。,END,