（本科）第6章 磁路与交流铁心线圈电路ppt课件.pptx

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1、课程主讲人：第6章 磁路与交流铁心线圈电路电工技术 磁路与交流铁心线圈电路 1 磁路的基本概念1. 磁路的概念磁路: 磁通的闭合路径1. 磁路的概念磁路: 磁通的闭合路径局限于一定路径内的磁场1. 磁路的概念磁路: 磁通的闭合路径四极直流电机的磁路交流接触器的磁路NSNSIf局限于一定路径内的磁场2. 磁感应强度磁感应强度B：表示磁场内某点磁场强弱和方向大小:FBIL单位: 特斯拉(T)()fq vB方向: 同磁力线（与电流方向按右手螺旋定则）。()fq vB2. 磁感应强度磁感应强度B：表示磁场内某点磁场强弱和方向单位: 特斯拉(T)均匀磁场: 各点B大小相等，方向相同的磁场。方向: 同磁力

2、线（与电流方向按右手螺旋定则）。大小:FBIL3. 磁通均匀磁场 = B S 或 B= /SB 又称 磁通密度单位: 韦伯(Wb) 磁通 ：穿过某一截面积S的磁感应强度B 的通量 dSBS 1T = 1Wb/m2 主磁通 漏磁通 1韦伯 =1 伏秒（V s)dSBS 4. 磁导率真空的磁导率为：磁导率 ：衡量物质的导磁能力。H/m10470 单位：亨/米（H/m）相对磁导率：0r 同磁场强度下，磁性材料的 磁导率与真空磁导率之比物质按磁导率的大小非磁性材料磁性材料r 1r 10BH 真空：5. 磁场强度磁场强度H ：磁场计算所引用的量单位：安培/米（A/m)方向 : 同磁力线大小: BH FH

3、lF作用在磁路上的磁动势，即电流流过导体所 产生磁通量的势力，单位为安匝（At）；L为磁路平均长度（m）。M-0BH=与B的关系：材料的磁化强度 2 磁性材料的磁性能1. 高导磁性磁性材料：r 1磁性材料主要指铁、钴、镍及其合金。物质按导磁性能强弱，分为磁性材料和非磁性材料。外磁场 磁畴0r 0BB HH0 2. 磁饱和性B磁化曲线（B-H曲线）OHB 磁饱和性: 随着磁场强度增强磁感应强度变化 趋于缓慢, B0BMB0 磁饱和性: 随着磁场强度增强磁感应强度变化趋于缓慢OHBBMB磁化曲线（B-H曲线）HBI 磁畴cbaB0 磁饱和性: 随着磁场强度增强磁感应强度变化 趋于缓慢OHBBMB磁

4、化曲线（B-H曲线）, 不是常数，随H而变。 与 I 不成线性正比。 bc2. 磁饱和性 a 磁滞性: 磁性材料中B 的变化滞后于外 磁场变化的性质。 磁滞回线BrHc剩磁 矫顽力 3. 磁滞性HmBm-Hc磁滞回线BrHc剩磁 矫顽力 磁化曲线a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc 常见磁性物质的磁化曲线按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料 具有较小

5、的矫顽磁力，磁滞回线较窄。 一般用来制造电机、变压器等的铁心。 如：铸铁、硅钢、坡莫合金。(2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。 一般用来制造永久磁铁。 如：碳钢、铁镍铝钴合金。(3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形， 稳定性良好。 在计算机中用作记忆元件、逻辑元件。 如：镁锰铁氧体。 3 磁路的基本定律1. Faraday电磁感应定律与楞次定律运动方向1. Faraday电磁感应定律与楞次定律+方向：感应电流的作用总是 阻碍磁通量的变化t大小：Nt大小：+i+u+- ddtN2. 安培环路定律I1HI2 IlH d磁场强度矢量沿 任意闭合线的线积分 穿过

6、闭合回线所围 面积的电流的代数和 = 符合右螺旋定则的电流为正，反之为负。 规定： 安培环路定律将电流与磁场强度联系起来 在均匀磁场中： Hl = NI lNIH 或3. 磁路的欧姆定律若介质均匀，计算 : 根据lSlHlNI B IlH dSx HxIN匝SlNI 磁路的平均长度磁动势F磁阻Rm mRF 磁路与电路的比较 磁路磁动势F磁通磁阻电路电动势 E电流密度 J 电阻磁感应强度B电流 ISlR mSlNIRFmSlR SlEREINI+_EIR3. 磁路的欧姆定律1）磁路的基尔霍夫第一定律021 SkS 03212）磁路的基尔霍夫第二定律12k12klH dlNilllHHH FFlH

7、nknkldlHmmkkk114. 磁路的基尔霍夫定律0SSB闭合曲面磁压降 4 磁路的基本分析方法_+NSNSIf1. 磁路分析的特点 在处理磁路时离不开磁场的分析; 在处理磁路时一般都要考虑漏磁通;例如，在讨论电机时，常常要分析电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。 磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性 分析; 在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有 剩磁，当 F=0 时， 不为零。2. 磁路问题的分析与计算主要任务: 预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI ， 确定线圈匝数和励磁电流。基本

8、公式:nn2211lHlHlHNI 设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为： niiilHNI1即 ,lH,lH2211为磁路各段的磁压降(B)磁路尺寸铁心材料F(NI)IN基本步骤: （由磁通 求磁通势F=NI ）(1) 求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：nnSBBSB , . , S , 2211(2) 求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B1， B2 ，相对应的 H1， H2 ，。(3) 计算各段磁路的磁压降 （Hi li ） (4) 求出磁通势（ NI ） niiilHNI12. 磁路问题的

9、分析与计算2. 磁路问题的分析与计算例1: 一个闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心 中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm， 试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。SBHI300匝匝解： （1）查铸铁材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时， A 5133004509000.NHlI (2) 查硅钢材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，磁场强度 H=260 A/m，则 A 390300450260.NHlI 磁场强度 H=9000 A/m，则结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线 圈电流，减少

10、用铜量。分析： 在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有 同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁 通 ，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片 材料铁心的截面积，哪一个比较小？2. 磁路问题的分析与计算SHI300匝匝0.39A如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。查磁化曲线可得，【分析】因 =BS，如要得到相同的磁通 ，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢铁心的截面积的17倍。B铸铁 = 0.05T、 B硅钢 =0.9T,结论：如果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。B硅钢是B铸铁的17倍。2

11、. 磁路问题的分析与计算SBHIN匝匝例3: 一环形铁心线圈磁路平均长度为45cm，铁心材料 为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于 0.2cm。 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。1A铸钢铁心的磁场强度，查铸钢的磁化曲线， B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m解:空气隙的磁场强度 A/m102 . 71049 . 057000 BH cm 390.2- 2391 .ll 铁心的平均长度磁路的平均总长度为 cm 23921510.l 对各段有A 16351951440110 lHHNI A 144010201027250 .H A 19

12、51039500211 lH 总磁通势为163511635 ININ线圈匝数为 磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。结论：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（设线圈匝数一定）。匝 几种常见磁性物质的磁化曲线a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc0.269 几种常见磁性物质的磁化曲线a 铸铁 b 铸钢

13、c 硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc 几种常见磁性物质的磁化曲线a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc0.050.9 5 交流铁心线圈电路 1.交流铁心线圈电路电磁

14、关系+UNI线圈铁心 ：主磁通：漏磁通UI(NI)直流励磁R线圈的等效电阻=UR 1.交流铁心线圈电路电磁关系+e+e+uNi线圈铁心u(Ni)i ddtNe tNedd ：主磁通：漏磁通tiLdd B H，漏磁电感漏磁电感: : 常数常数 iNL对对: : 0 0为常数为常数 i，根据KVL:eeRi u )(ddetiLRi 当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：)()(EEIRU )(jEIXIR +e+e+uNi 1.交流铁心线圈电路电磁关系设主磁通 则t, sinm )sin(ddddmttNtNe tN cosm )90t(sin2

15、m fN)90(sinm tE 有效值R 和X较小，其压降与 E 相比可忽略EU Bm 铁心中磁感应强度的最大值j()=+URIX IE根据U 2.交流铁心线圈的功率损耗1. 铜损 Pcu= RI22. 铁损 PFe磁滞损耗 Ph 涡流损耗 Pe 磁滞回线的面积 磁场交变的频率 Bm2 FePPPCu 3.交流铁心线圈的等效电路 当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：)()(EEIRU )(jEIXIR 例： 要绕制一个铁心线圈，已知电源电压U =220V，频率 f=50Hz，今量得铁心截面积为30.2cm2，铁心由硅钢片 叠成，设叠片面积系数

16、为0.91。（1）如取Bm=1.2T，问 线圈匝数应为多少？（2）如磁路平均长度为60cm，励 磁电流应多大？ 4.交流铁心线圈的磁路应用分析【解】 铁心的有效面积为:22cm5 .2791. 0cm2 .30S 线圈匝数:由磁化曲线图查出（相关手册），当Bm=1.2T时，Hm=700A/m，A1A3002106070022mNlIH则3005 .272 . 15044. 422044. 4104SfUNBm匝6 变压器的工作原理6kV/10kV110/220/500kV3.3/6.6/10kV220V,380V 变压器 1.变压器的结构变压器符号 1.变压器的结构单相变压器N1N2靠磁耦合传

17、递电能量心式变压器壳式变压器一次绕组一次绕组铁心三相变压器 1.变压器的结构(1) 空载运行0i02i1u+20u+2e+1e+1e+1u dd11tNe i0 ( i0N1) 1 dd011tiLe tNedd 22 主磁通 是由一次绕组磁动势产生的。 2.变压器的电磁关系1(2) 带载运行1u+2e+1e+1e+Z +e21u dd11tNe 1 dd111tiLe tNedd 22 i1 ( i1N1) i2 ( i2N2) 2 dd2tiLe22 主磁通 是由一次、二次绕组磁动势共同产生的。 2.变压器的电磁关系1i2+u22i1相互去磁变压器的外特性曲线 U2= f (I2) 3.变

18、压器的外特性负载电源I2I120220100%UUUU电压变化率：FeCu2212PPPPPP 一般 95%输出功率输入功率 4.变压器的效率铜损铁损7 变压器的变换关系 1.变压器的变换关系1) 电压变换 1E1R1I1U1E+一次绕组 二次绕组 2E2R2I2U2E+1) 电压变换 变压器变压比1E1R1I1U1E+一次绕组 二次绕组 KNNEEUU21212012E2R2I2U2E+1m11 44 4 Nf.EU U1 不变，则 m 基本不变。空载：m10 Ni0102211 NiNiNiI0 (23)%I1N KNNII11221 2211 NiNi 有载：m2211 NiNi2) 电

19、流变换 +|Z|2i1u2e1i1e1N2N+2u22IUZ 11IUZ 22122212UKUUZKK ZIIIK 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K2 倍。 1U2U1I2IZ+1U1IZ +3) 阻抗变换 例：交流信号源的电压US =12V，内阻RS =800，负载电阻RL =8。用一变压器实现 阻抗匹配，即 时，信号源输出的功率最大。 SLRR 试求：（1）变压器的匝数比和负载获得的功率； （2) 如果将负载直接与信号源连接，负载获得多大功率? 解:（1）将二次侧电阻RL折算为一次侧的RL的变压器匝数比为108800LLL21RRRRNNS一次侧的电流：例：交流信号

20、源的电压US =12V，内阻RS =800，负载电阻RL =8。用一变压器实现 阻抗匹配，即 时，信号源输出的功率最大。 SLRR 试求：（1）变压器的匝数比和负载获得的功率； （2) 如果将负载直接与信号源连接，负载获得多大功率? （2）直接接信号源时负载的功率mW76. 188800122L2LLRRRUPSS负载上获得的功率mW45800800800122L2LSL22LRRRURIPS解: 8 变压器的同名端 1. 同名端的定义 电流流入（出）两个线圈的同极性端时，产生的磁通方向相同。 AXax AXax 磁通变化时，两线圈的同极性端产生感应电动势极性相同。+ 同名端：绕组的同极性端A

21、XaxAXax 2. 绕组的接法联接 Xa Nf.Um2444220 联接 Aa， X xi Nf.U444110m 当电源电压为220V时：220u+110u+电源电压为110V时： + +一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110V)i 2. 绕组的接法问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N）， 行不行？答：不行（两绕组 必须并接） 一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：iu若两种接法铁心中的磁通相等，则： Ni2220 Ni 1102220110 ii+ 2. 绕组的接法问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？两个线圈中的磁通抵消分析：

22、电流 很大11Rui 1111eRiu 烧毁变压器感应电势0e在同极性端不明确时，须先测定同极性端再通电。 一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：iu+ 方法一：交流法连接任意两端 (X - x), 加低电压 uAX 。若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端.axAXAaUUU 若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同极性端。 axAXAaUUU VVAXu+aAXx方法二：直流法设S闭合时 增加，感应电动势的方向，阻止 的增加。 Xx电流表+_AaS电流表正偏， 则 A-a 为同极性端;电流表反偏， 则 A-x 为同极性端。+Xax+_S2e+A 9 几种特殊变压器 1. 自耦变压器KNNIIKNNUU112212121 初、次级绕组没有实现电隔离 2. 电压互感器 二次侧不能短路， 以防产生过流。被测电压=电压表读数 N1/N2实现用低量程的电压表测量高电压1u2=UK U电压表Ku电压变换系数 3. 电流互感器电流表被测电流=电流表读数 N2/N1 二次侧不能开路， 以防产生高电压。实现用低量程的电流表测量大电流Ki电流变换系数I1=KiI2