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本章主要探讨的问题本章主要探讨的问题:1磁路问题磁路问题第第1515章章 电磁与电动器件电磁与电动器件iu_+NiN3N2N1：局限于确定路径内的磁场问题。：局限于确定路径内的磁场问题。I2 2、磁场的各个基本物理量也适合磁路。、磁场的各个基本物理量也适合磁路。B、H、Rm3磁路与电路往往是相关联的，因此我们也要探讨磁路和电路的磁路与电路往往是相关联的，因此我们也要探讨磁路和电路的 关系及磁和电的关系。关系及磁和电的关系。5作为应用实例探讨变压器和电磁铁。作为应用实例探讨变压器和电磁铁。4分析与计算磁路的基本方法。分析与计算磁路的基本方法。磁化过程相当困难磁化过程相当困难 并具有明显的非线性并具有明显的非线性6探讨三相异步电动机的结构与特性。探讨三相异步电动机的结构与特性。7低压限制电器和基本继电限制电路。低压限制电器和基本继电限制电路。15-1 磁磁 路路一、概念一、概念励磁电流励磁电流空气隙空气隙铁芯铁芯磁路：磁通集中的局部空间磁路：磁通集中的局部空间主磁通经过铁芯、空气主磁通经过铁芯、空气气隙而形成的闭合通路气隙而形成的闭合通路为磁路为磁路漏磁通漏磁通 ：散布在外的磁通：散布在外的磁通主磁通主磁通 ：集中的磁通：集中的磁通线圈线圈Niu_+二、二、安培环路定律安培环路定律对于一般环路：对于一般环路：对于线圈：对于线圈：录录:i 磁化磁带磁化磁带放放:e i三、磁路的欧姆定律三、磁路的欧姆定律材料一样、面积一样材料一样、面积一样磁路是由若干段匀整磁场组合而成。磁路是由若干段匀整磁场组合而成。Niu-磁阻磁阻第第k k段磁路段磁路:-磁动势磁动势-磁路欧姆定律磁路欧姆定律iu_+N=NIRm1+Rm2+Rm3+Rm4=mFNI=11lH22lH13H24H=+k mkRNI=(磁路磁路 KVL)=0(磁路磁路 KCL)N3N2N11 磁路节点磁路节点2 3 铸钢铸铁硅钢片0.21.4200120040060080010000.40.60.81.01.2H(安安/米米)B(特斯拉特斯拉)三种导磁材料的磁化曲线i受交变磁势激励时的导磁材料的磁化曲线BHBrHc-Hc-Br空心线圈铁心线圈NINI四、四、磁阻概念的应用磁阻概念的应用1.电感线圈电感线圈所以，有铁芯的线圈所以，有铁芯的线圈无铁芯的线圈无铁芯的线圈2.空气气隙的影响空气气隙的影响铁芯：铁芯：空气隙：空气隙：则则LiLuL+_+_eL15-2 铁芯线圈铁芯线圈线圈线圈-电路问题电路问题 铁芯铁芯-磁路问磁路问题题一、直流励磁一、直流励磁 INU_+1 电路问题电路问题2磁路问题磁路问题I 不变不变*对电路无影响对电路无影响U确定确定 I确定（由于线圈做好后，确定（由于线圈做好后，R确定），确定），N确定确定*Fm=IN恒定恒定特性：特性：3.例例 直流电磁铁直流电磁铁通电瞬间：通电瞬间：通电后通电后(吸合后吸合后)：所以吸合后：所以吸合后：所以所以 直流电磁铁动作平稳，适直流电磁铁动作平稳，适合动作常见的机构。合动作常见的机构。I HB省电省电IU_+(牛顿牛顿)N二、沟通励磁二、沟通励磁1 恒磁通特性恒磁通特性达到电平衡。达到电平衡。iNu_+e+_忽视忽视R，则有，则有 N确定，确定，f 确定，当确定，当U 确定时，确定时，m 确定确定 电流电流I为非正弦为非正弦2.例例 沟通电磁铁沟通电磁铁通电瞬间：通电瞬间：通电后通电后(吸合后吸合后)：所以吸合后：所以吸合后：所以所以 沟通不适合动作常见的机构。沟通不适合动作常见的机构。衔铁长时间受阻线圈就会烧毁。衔铁长时间受阻线圈就会烧毁。Niu_+(牛顿牛顿)d d RmFm i 3沟通励磁功率沟通励磁功率P1)磁滞损耗磁滞损耗Ph2)涡流损耗涡流损耗PePe=Ke f 2Bm2Ph=Kh fBmn硅钢硅钢 硅钢片硅钢片感应式仪表感应式仪表4)铁芯线圈沟通电路的有用功率铁芯线圈沟通电路的有用功率PP=IUcos=Pcu+PFe=I2R+PFe3)铁芯损耗铁芯损耗-铁损铁损PFePFe=P h+Pe直流电磁铁直流电磁铁 和沟通电磁铁和沟通电磁铁 ZL15-3 变压器变压器一、结构原理一、结构原理1.工作原理工作原理 志向变压器（忽视损耗、志向变压器（忽视损耗、磁饱和、漏磁通）磁饱和、漏磁通）P1=P 2i2N2i2 u1i1i1N1同名端同名端(同极端同极端):1与与3、2与与4 为合成磁通为合成磁通 SN11243N2u1_+e1 +_ i1 原边原边副边副边e2 +_u2_+i22.变压比变压比(电压变换电压变换)3.变流比变流比磁势平衡方程式：磁势平衡方程式：其相量形式其相量形式:变压器中电流的大小由负载确定变压器中电流的大小由负载确定ZL SN11243N2u1_+e1 +_ i1 原边原边副边副边e2 +_u2_+i24.阻抗比阻抗比 通过变压器的变换阻抗的作用，可实现通过变压器的变换阻抗的作用，可实现“阻抗匹配阻抗匹配”I1I2I1U1+_U2+_U1+_RL*一正弦信号源的电动势一正弦信号源的电动势US=5V，RS=1000,负载电阻负载电阻RL=40.举例举例1)负载若干脆与信号源连接负载若干脆与信号源连接RL=4%RSU1 4%US=0.19VP=0.001W_+_+2)通过变压器将信号源与负载连在一起通过变压器将信号源与负载连在一起_+i)若若 Ku=10则则 RL*=100 RL=4RSU1=4V P1=0.04Wii)若若Ku=100，则则 RL*=1002 RL U1 5V但但 P1=0.0625mW考虑考虑P则则 RL*=RS 阻抗匹配阻抗匹配Ku若若Pmax_+二、变压器的额定值二、变压器的额定值1.额定电流额定电流I1N、I2N：长期通过的最大电流长期通过的最大电流2.额定电压额定电压U1N:在额定运行条件下在额定运行条件下,原边正常工作电原边正常工作电压压3.额定容量额定容量SN：SN=INUNSN表征变压器的传输实力表征变压器的传输实力变压器没有额定功率变压器没有额定功率额定电压额定电压 U2N：在在U1N条件下条件下,副边的空载电压副边的空载电压。受铁心饱和度的限制受铁心饱和度的限制.配置变压器配置变压器S!三、变压器的运行特性三、变压器的运行特性1.U2随负载随负载I2的增大而降低的增大而降低2.功率与效率功率与效率 P1=P2+PFe+PCu 副边开路副边开路1)功率功率U1=U1N时，测得原边侧功率为铁损时，测得原边侧功率为铁损 副边短路副边短路I2=I2N，原边侧功率为满载下的铜损，原边侧功率为满载下的铜损铁损可看为常数铁损可看为常数2)效率效率 PCu=PFe时，时，maxZLN1N2u1_+i1 原边原边副边副边u2_+i23.举例举例 一个一个40KVA的单相变压器，副边开路，原边侧的输入功率为的单相变压器，副边开路，原边侧的输入功率为2KW，当副边短路，满载下的功率为，当副边短路，满载下的功率为4KW，计算下列条件下变压器的效率。，计算下列条件下变压器的效率。1)满载满载 2)50%负载，功率因数为负载，功率因数为0.8(滞后滞后)解：解：PFe=2KW，PCu=4KW (满负荷满负荷)1)cos 2=1 P2=40 1=40KW2)cos 2=0.8 P2=40 0.5 0.8=16KWPCu=0.52 4=1 KWX2 4=2X=0.707当负载为满载的当负载为满载的70.7%时，变压器的时，变压器的 max设设 max时的负载为满载的时的负载为满载的 X此时此时PCu=Pfe=2KW?负载为多大时，变压器的效率最高负载为多大时，变压器的效率最高?四、三相变压器四、三相变压器某三相变压器某三相变压器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，绕组接法绕组接法Y/，求求：1)I1N，I2N ；2)I1P，I2P，U1P，U2P ；3)原原、副边线电压之比副边线电压之比1)志向变压器志向变压器解：解：2)原边原边Y:副边副边:S1N=S2N=SN3)原副边线电压之比原副边线电压之比Y/：Y/Yo：1、三相电力变压器、三相电力变压器 N22、自耦变压器、自耦变压器 N1N2N2N2N23、仪用沟通互感器、仪用沟通互感器电流互感器电流互感器电压互感器电压互感器 图15-1-14 电流互感器原理图 图15-1-15 电压互感器原理图4、整流变压器、整流变压器 V/1u1MuoMuou2u1u2uouCuDkLR(a)电容滤波电路;(b)输入、输出波形NiuN3N2N1磁路节点磁路节点ZLN1N2u1_+i1 原边原边副边副边u2_+i2思索题思索题 1、有有a、b、c三个几何尺寸相同的环形磁路，均绕有三个几何尺寸相同的环形磁路，均绕有N匝线圈，线匝线圈，线圈通入相同电流。磁路圈通入相同电流。磁路a由铸铁材料构成，磁路由铸铁材料构成，磁路b由铸钢材料构成，磁路由铸钢材料构成，磁路c由铸由铸铁材料构成但留有一小段气隙，试问：铁材料构成但留有一小段气隙，试问：(1)磁感应强度磁感应强度 (2)Ba Bb ;磁感应强度磁感应强度B相等，磁场强度相等，磁场强度H不相等。不相等。(1)磁路磁路a与磁路与磁路b中的磁感应强度是否相等？磁场强度是否相等？中的磁感应强度是否相等？磁场强度是否相等？(3)相等，都是相等，都是 NI。Rmb Rma ma mc ;Bb Ba Bc(2)(2)磁路磁路c铁心中的磁场强度与气隙中的磁场强度是否相等？磁感应强度相等？铁心中的磁场强度与气隙中的磁场强度是否相等？磁感应强度相等？(3)沿三个磁路的中心线闭合环路对磁场强度的积分值各为何值？它们相等？沿三个磁路的中心线闭合环路对磁场强度的积分值各为何值？它们相等？解：解：+_U+_Ua 铸铁铸铁b 铸钢铸钢c 铸铁有气隙铸铁有气隙+_U磁场强度磁场强度 Ha=Hb ;见见P248铸钢铸铁硅钢片0.21.4200120040060080010000.40.60.81.01.2H(安安/米米)B(特斯拉特斯拉)三种导磁材料的磁化曲线2、如图所示磁路，保持励磁电流的频率和电压不变试问：、如图所示磁路，保持励磁电流的频率和电压不变试问：(1)励磁匝数不变，磁路的截面增大一倍，励磁电流有何变更？励磁匝数不变，磁路的截面增大一倍，励磁电流有何变更？所以，励磁电流减为原来的所以，励磁电流减为原来的一半。一半。Fm =NI =HK lK =RmKiu_+N当当f 确定，确定，U 确定，确定，N确定时，确定时，m 不变不变S 增大一倍，增大一倍，Rm削减一倍削减一倍（1）（2）=B S当当f 确定，确定，U 确定时，确定时，N增加一倍，则增加一倍，则 m 减为原来一半。减为原来一半。（3）当当f 确定，确定，U 确定，确定，N不变时，则不变时，则 m 不变不变拉开气隙时拉开气隙时，Rm 增大，磁动势增大，磁动势Fm 亦增大，励磁电流亦增大，励磁电流 i亦增大。亦增大。(2)励磁线圈匝数增加一倍，铁心中的磁通有何变更？励磁线圈匝数增加一倍，铁心中的磁通有何变更？(3)匝数不变，衔铁拉开一个空气隙匝数不变，衔铁拉开一个空气隙，励磁电流如何变更？，励磁电流如何变更？3上述磁路如用直流电励磁，保持励磁电压和线圈匝数不变，当磁路的截上述磁路如用直流电励磁，保持励磁电压和线圈匝数不变，当磁路的截面增大一倍，试问：面增大一倍，试问：(1)铁心的磁通有何变更？铁心的磁通有何变更？IU_+NFm =NI =HK lK =RmK当当U 确定，确定，N确定时，确定时，则励磁电流则励磁电流 I、和磁动势和磁动势 Fm 不变不变S 增大一倍，增大一倍，Rm削减一倍削减一倍（1）（2）=B S有气隙时有气隙时，S 增大，导致增大，导致 Rm 增加很小，所以磁通增加很小，所以磁通m微量增加，微量增加，几乎不变。几乎不变。磁通磁通m 增大一倍。增大一倍。励磁电流励磁电流 I、和磁动势和磁动势 Fm 不变不变 (2)若磁路的铁心与衔铁之间若磁路的铁心与衔铁之间原有较大的空气隙，磁通的变更与问原有较大的空气隙，磁通的变更与问(1)有何异同？有何异同？4沟通电磁铁线圈匝数、电流电压及铁心尺寸不变时，若气隙加大，沟通电磁铁线圈匝数、电流电压及铁心尺寸不变时，若气隙加大，则磁通量和电流如何变更？则磁通量和电流如何变更？(注：电磁铁系指由铁心、气隙、衔铁注：电磁铁系指由铁心、气隙、衔铁 组成的磁路组成的磁路)5在电源电压确定时，沟通电磁铁的吸力和行程有关吗？在电源电压确定时，沟通电磁铁的吸力和行程有关吗？当当f 确定，确定，U 确定，确定，N确定时，确定时，m 不变不变气隙加大时气隙加大时，Rm 增大，磁动势增大，磁动势Fm 亦增大，励磁电流亦增大，励磁电流 i 亦增大亦增大Fm =NI =HK lK =RmK吸力和行程无关，吸力与吸力和行程无关，吸力与 Bm、m 、S 有关有关，励磁电流励磁电流 i 与行程相关与行程相关IU_+N6在电源电压确定时，气隙变更时，直流电磁铁的励磁电流和磁通如何变更？在电源电压确定时，气隙变更时，直流电磁铁的励磁电流和磁通如何变更？IU_+NFm =NI =HK lK =RmK当当U 确定，确定，N确定时，确定时，则励磁电流则励磁电流 I、和磁动势和磁动势 Fm 不变不变 =B S若若 增大增大，Rm 亦增大，亦增大，m 亦减小，则亦减小，则 I 不变。不变。7直流电磁铁的吸力与行程有关吗？直流电磁铁的吸力与行程有关吗？吸力和行程有关，与吸力和行程有关，与 Bm、m 、S 有关有关，励磁电流励磁电流 I 与行程无关与行程无关8变压器的原、副边绕阻在电路上并没有接通，工作时，它们是如何变压器的原、副边绕阻在电路上并没有接通，工作时，它们是如何 相互影响的？相互影响的？9假如把大小与原边绕阻额定电压相同的直流电压加在变压器上，假如把大小与原边绕阻额定电压相同的直流电压加在变压器上，会产生什么结果？会产生什么结果？ZLN1N2u1_+i1 原边原边副边副边u2_+i2设设L R 烧毁变压器烧毁变压器沟通电流有效值沟通电流有效值直流电流直流电流i2N2i2 u1i1i1N1 为合成磁通为合成磁通u1 u2i1 i2P1 P2磁耦合作用磁耦合作用