磁路和变压器 (2)讲稿.ppt
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1、关于磁路和变压器(2)第一页,讲稿共六十五页哦3.1磁场的基本物理量3.2铁磁材料的磁性能3.3磁路和磁路欧姆定律3.4变压器3.5其它变压器 第3章 磁路和变压器第二页,讲稿共六十五页哦知识点和学习要求(1)了解铁芯线圈磁路中几个基本物理量的概念;了解铁磁性材料的磁性能、分类及用途;理解磁路欧姆定律和主磁通原理,掌握运用它们分析实际问题的方法。(2)了解变压器的基本结构组成;理解其变压、变流、变阻抗工作原理及它们与变比之间的关系。(3)了解仪用互感器、自耦调压器和电焊变压器的特殊点;熟悉它们的应用场合;理解这些特殊变压器在工程实际中的应用。第三页,讲稿共六十五页哦第第 3 章磁路和变压器章磁
2、路和变压器3.1 磁场的基本物理量 一一、磁通、磁通 通过物理课程的学习,我们已了解到在永久磁我们用磁力线来描述磁场。磁通就是指垂直于磁场的某一面积A上所穿过的磁力线的数目,如图 3-1 所示。磁通用表示,单位是Wb(韦伯)。实用中还用麦克斯韦(简 称 麦,Mx)作 为 磁 通 的 单 位。它 们 之 间 的 关 系 是:1Mx=10-8Wb 第四页,讲稿共六十五页哦图 3-1磁通第五页,讲稿共六十五页哦 二、磁感应强度二、磁感应强度B 磁感应强度B是一个表示磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量。在均匀磁场中,磁感应强度等于垂直穿过单位面积的磁力线数目,即 在式(3-1)中,的单位是Wb(韦伯)
3、,A的单位是m2,磁感应强度B的单位是T(特斯拉),即 1T=1 Wb/m2工程中常用到一个较小的单位Gs(高斯)来表示磁感应强度。1 Gs=10-4T 第六页,讲稿共六十五页哦 三、磁导率三、磁导率 1.磁导率磁导率 实验证明,在通电线圈中放入铁、钴、镍等物质后,通电线圈周围的磁场将大为增强,磁感应强度B增大;若放入铜、铝、木材等物质,通电线圈周围的磁场几乎没有什么变化。这个现象表明,磁感应强度B与磁场中的介质的导磁性质有关。我们用磁导率来表示物质的导磁性能。的单位是H/m(亨/米)。磁导率值大的材料,导磁性能好。所谓的导磁性能好,指的是这类材料被磁化后能产生很大的附加磁场。这类物质有铁、钴
4、、镍及其合金。通常把这类物质叫做铁磁性物质或磁性物质。第七页,讲稿共六十五页哦 2.相对磁导率相对磁导率 实验测得真空中的磁导率为 0=410-7Hm 空气、木材、纸、铝等非磁性材料的磁导率与真空磁导率近似相等,即0。某物质的磁导率与真空磁导率0的比值称作该物质的相对磁导率,用r表示,即r=/0,由此可知,非磁性材料的r1。四、磁场强度四、磁场强度H 当我们对通电导体周围的磁场进行磁感应强度B的计算时,磁感应强度B的大小与磁场周围介质的磁导率有关。第八页,讲稿共六十五页哦 例如通电的环形线圈,在线圈半径为R的闭合回线上(图 3-2)各点的磁感应强度为 式中:N线圈的匝数;I线圈中电流;L闭合回
5、线长度,L=2R;线圈心子材料的磁导率。又例如,在离通电长直导线的距离为RA的点A(图 3-3)的磁感应强度B为第九页,讲稿共六十五页哦 式中各物理量与式(3-2)的相同。图 3-2通电的环形线圈第十页,讲稿共六十五页哦图 3-3通电的长直导线 第十一页,讲稿共六十五页哦 式(3-2)、(3-3)说明,磁场中某点的磁感应强度不仅和电流导体的几何形状以及位置等有关,而且还和物质的导磁性能有关。这就使磁场的计算变得比较复杂。为了便于计算,我们引入了一个计算磁场的物理量,称为磁场强度,用H表示。它与磁感应强度的关系是 B=H (3-4)这样一来,式(3-2)、(3-3)就变为如下形式。环形线圈半径为
6、R的闭合回线上各点的磁场强度H为第十二页,讲稿共六十五页哦 通电长直导线周围点A的磁场强度H为 式(3-5)、(3-6)表明,磁场强度的大小只决定于励磁电流、导线的几何形状、匝数及位置,而与磁介质的性质无关。磁场强度H是矢量,单位是Am(安米)。(3-6)第十三页,讲稿共六十五页哦3.2铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 铁磁材料的磁性能通常用它们的磁化曲线来表示。磁化曲线和磁滞回线 1.磁化曲线磁化曲线 研究铁磁材料磁化情况的装置如图 3-4。把待测的铁磁材料作为铁心,铁心内部的磁感应强度B=0。当电流(通常称为励磁电流)从零开始逐渐增大,则铁磁材料中的磁场强度H也从零增大,磁性材料中的磁感应
7、强度B随之从零增大。在各个H值的磁化下,必有一相应的B值。如此便可得出如图 3-5 所示的B与H的关系曲线。该曲线称为磁化曲线。第十四页,讲稿共六十五页哦图 3 4 研究铁磁材料磁化情况的装置第十五页,讲稿共六十五页哦图 3-5磁化曲线第十六页,讲稿共六十五页哦 由图 3-5 可见,磁化曲线具有如下特点:Oa段:随H增大,B几乎是直线上升;ab段:H增大,B的增长变慢;bc段:H增大,B增长极慢,铁磁材料内部的磁场达到了饱和值Bm。2.磁滞回线磁滞回线 铁磁材料在磁化过程中,H从零到大。当磁感应强度B随H的增大由零达到饱和值Bm,如磁化曲线Oa段(图 3-6),此时若减小励磁电流I,H也随之减
8、小,B不是沿原来的曲线Oa下降,而是沿曲线ab下降;当磁场强度为零(即I=0)时,材料仍然保留磁性(B=Br0),如图 3-6 中的b点。Br称作剩磁。第十七页,讲稿共六十五页哦 要使剩磁去掉,就必须使线圈中的电流反向,产生反向磁场,使材料退磁。图 3-6 中bc段就是退磁过程。直到H=-Hc时,剩磁完全消除。克服剩磁所加的磁场强度Hc称作矫顽磁力。如果H继续反向增大,则B也改变方向,铁磁材料反方向被磁化。当反方向H不断增大,B也随之增大达反方向饱和值 Bm。若再改变电流,B值沿defa变化,形成一个闭合回线(图 3-6)。闭合回线abcdefa称为磁滞回线。从图 3-6 中可以看出,铁磁材料
9、在反复磁化过程中,B的变化始终落后于H的变化,这种现象叫磁滞现象。第十八页,讲稿共六十五页哦 磁滞现象可以用磁畴来解释。所谓磁畴,指的是在铁磁物质内部存在着一些体积约为10-9cm3的自然磁化区域。每个磁畴就像一个很小的永久磁体(图 3-7)。在无外磁场作用时,这些磁畴排列杂乱无章,它们的磁性相互抵消,对外不显磁性。在外磁场的作用下,磁畴趋向外磁场的方向,产生一个很大的附加磁场和外磁场相加。所以,Oa起始段磁感应强度B上升很快;随着H增加,大部分磁畴已取向外磁场方向排列,B增长很慢,出现了饱和现象。第十九页,讲稿共六十五页哦 二、铁磁材料的磁性能二、铁磁材料的磁性能 根据3.2.1的分析,铁磁
10、材料具有以下磁性能:(1)高导磁性。铁磁材料的磁导率远大于非磁性材料的磁导率。且铁磁材料的磁导率值不是常数,随H的大小而改变。(2)磁饱和性。铁磁材料的磁感应强度 B有一个饱和值Bm (3)磁滞性。在铁磁材料的反复磁化过程中,B的变化总是落后于H的变化,这就是铁磁材料的磁滞性。剩磁现象就是铁磁材料磁滞性的表现。第二十页,讲稿共六十五页哦 (4)磁滞损耗。铁磁材料在反复磁化过程中,磁畴来回翻转,必然克服阻力做功,铁心发热。这种在反复磁化过程中的能量损失叫磁滞损耗。铁磁材料根据磁滞回线的不同形状,铁磁材料基本上分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料的特点是矫顽磁力和剩磁都比较小,且撤去外磁场后,磁
11、性大部分消失。这种材料磁滞回线所包围面积小,磁滞回线狭长。在交变磁场作用下,磁滞损耗小,所以适用于交变磁场下工作的电器。例如一些电子设备中的电感元件,或变压器、电动机、发电机的铁心都必须用软磁材料制造,交流电磁铁、继电器、接触器也必须用软磁材料,以使在切断电流后没有剩磁。第二十一页,讲稿共六十五页哦 硬磁材料的特点是矫顽磁力大,剩磁也大,磁滞回线较宽。必须用较强的外加磁场,才能使它磁化。而且一经磁化,磁性不易消失。这类材料适用于制造永久磁铁。此外,还有一种矩磁材料,其磁滞回线近似于一个矩形,用于计算机存储器的磁心。第二十二页,讲稿共六十五页哦3.3磁路和磁路欧姆定律磁路和磁路欧姆定律 一、磁路
12、一、磁路 在电气设备中,为了增强磁场,常把线圈绕在铁心上,当 线圈通电后产生很强的磁场,并且大部分磁通(磁力线)集中在铁心中形成闭合回路。这个闭合回路称作磁路。图3-8 所示的磁路,便是由铁心、空气隙组成。二、磁动势二、磁动势 要使磁路中建立一定大小的磁通,就必须在具有一定匝数N的线圈中,通入一定大小的电流I。实验证明,增大电流I或增大线圈匝数N,都可以同样达到增大磁通的目的。可见,NI乃是建立磁通的根源。所以把乘积NI称作磁路的磁动势,简称磁势。磁势的单位是安(A)。第二十三页,讲稿共六十五页哦图 3-8磁路第二十四页,讲稿共六十五页哦 三、磁路欧姆定律、三、磁路欧姆定律、磁阻磁阻 1.磁路
13、欧姆定律磁路欧姆定律 如果把相同的磁动势加到不同的磁路中去,获得的磁通也不相同。这说明磁通除了与磁动势有关外,还与组成磁路的物质及尺寸有关。这里我们引出一个磁阻的概念,磁阻表示磁路对磁动势建立磁通所呈现的阻力,用RM表示。磁动势、磁通、磁阻间的关系,可通过下式进行计算:(3-7)第二十五页,讲稿共六十五页哦 式(3-7)就是磁路欧姆定律的表示式。它表明,在磁路中,磁通与磁动势NI成正比,与磁阻RM成反比。2.磁阻磁阻 磁路的磁阻大小与构成磁路的材料性质及几何尺寸有关,这个关系是 RM=其中:l磁路的长度(m);A磁路的截面积(m2);磁路材料的磁导率。磁阻的单位是(亨-1)。第二十六页,讲稿共
14、六十五页哦 式(3-8)表明,用大的材料构成的磁路具有较小的磁阻,在同样大的磁动势作用下,就能产生较大的磁通。3.均匀磁路和不均匀磁路 图 3-9 就是单相变压器的一种磁路。它由同一种材料组成,且各段铁心的横截面积相等,这种磁路称为均匀磁路。计算这种磁路时,=NI/RM,其中RM为均匀磁路的磁阻。如图 3-10所示,假若磁路中有一很短的空气隙L0,于是磁路就由铁心和空气隙两种物质组成,这种磁路称为不均匀磁路。计算不均匀磁路时,先将磁路分段:铁心部分和空气隙部分各成为一段磁路,这两段磁路的磁阻分别是RM铁、RM气。若用磁路欧姆定律表示这种不均匀磁路的磁通,则有第二十七页,讲稿共六十五页哦图 3-
15、9均匀磁路第二十八页,讲稿共六十五页哦 RM气为气隙磁阻,它比铁心磁阻大很多倍。显然,要在图 3-10 磁路中产生和图 3-9 磁路中相同的磁通,则需要很大的磁动势。四、涡四、涡流流 当线圈中通过变化的电流i时,在铁心中穿过的磁通也是变化的。由于构成磁路的铁心是导体,于是在铁心中将产生感应电流,如图 3-11(a)中虚线所示。由于这种感应电流是一种自成闭合回路的环流,故称为涡流。第二十九页,讲稿共六十五页哦图 3-10不均匀磁路第三十页,讲稿共六十五页哦 在电机和电器铁心中的涡流是有害的。因为它不仅消耗电能,使电气设备效率降低,而且涡流损耗转变为热量,使设备温度升高,严重时将影响设备正常运行。
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