第6章 磁路与铁心线圈.ppt

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1、邯郸大学机电系邯郸大学机电系 杨佩兰杨佩兰 第6章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路返回返回6.1 6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法6.2 6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路6.3 6.3 变压变压器器6.4 6.4 电磁铁电磁铁目目 录录返回返回磁场的特性可用磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁磁感应强度、磁通、磁场强度、磁磁导率磁导率等几个物理量表示等几个物理量表示。一、磁感应强度一、磁感应强度 与与磁场方向相垂直磁场方向相垂直的单位面积上通过的的单位面积上通过的磁通磁通（磁（磁力线），可表示磁场内某点的力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向磁场强弱和方向。B的

2、的单位单位：特：特斯拉斯拉（T）1T104Gs 的单位：韦伯的单位：韦伯矢量矢量6.1.1 6.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量高斯高斯二、磁通二、磁通 磁感应强度磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积S的的乘积乘积，称为称为通过该面积通过该面积的的磁通磁通。如如 磁场内各点的磁感应强度的磁场内各点的磁感应强度的大小相等大小相等，方向相同方向相同，这样的磁场则称为这样的磁场则称为均匀磁场均匀磁场。BS 的单位：的单位：伏伏 秒，通称为韦秒，通称为韦 伯伯 Wb 或麦克斯韦或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx 三、磁场强度三、磁场强度 磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量

3、，其大小为是计算磁场所用的物理量，其大小为磁磁感应强度感应强度和和导磁率导磁率之之比比。H的单位：安米的单位：安米 的单位：亨米的单位：亨米安培环路定律（全电流定律）：安培环路定律（全电流定律）：磁场中磁场中任何闭合回路任何闭合回路磁场强度的磁场强度的线积分线积分,等于等于通通过这个闭合路径内过这个闭合路径内电流的代数和电流的代数和.即即矢量矢量I1I2I3电流方向和磁场强度的方向电流方向和磁场强度的方向符合符合右手定则右手定则，电流取，电流取正正；否则否则取取负负。在无分支的均匀磁路在无分支的均匀磁路（磁（磁路的材料和截面积相同，各路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如处的磁场强度

4、相等）中，如环形线圈，安培环路定律可环形线圈，安培环路定律可写成：写成：其中其中l x2 x是是半径为半径为x的圆周长的圆周长Hx是半径是半径 x 处的处的磁场强度磁场强度FNI即线圈匝数与电流的乘积，称即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势磁通势 单位为安单位为安 培培（A）四、磁导率四、磁导率 磁导率磁导率 是一个用来表示是一个用来表示磁场媒质磁性磁场媒质磁性和衡量和衡量物质物质导磁能力导磁能力的物理量的物理量。讨论讨论磁场内某一点的磁场强度磁场内某一点的磁场强度H与与 有关吗有关吗？由上两式可知，磁场内某一点的由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、只与电流大小、线圈匝数线圈匝数及及该点的

5、几何位置该点的几何位置有关，有关，而与而与 无关无关真空中的磁导率为常数真空中的磁导率为常数一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空磁导率和真空磁导率 0 0 的比值，称为的比值，称为该物质的相对磁导率该物质的相对磁导率 r r 或或返回返回磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 一、高导磁性一、高导磁性 指磁性材料的磁导率很高，指磁性材料的磁导率很高，r r11，使其具有使其具有被强烈磁化被强烈磁化的特性。的特性。二、磁饱和性二、磁饱和性 当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性当外磁场（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，材料的全部磁畴的磁场方向都转

6、向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁化磁场的磁感应强度磁感应强度B BJ J达到饱和值达到饱和值。6.1.2 6.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性磁化曲线图磁化曲线图6.1.5B和和 与与H的关系的关系图图6.1.3注注当有磁性物质存在当有磁性物质存在时时B与与H不成比例，不成比例，与与I也不成比例也不成比例。三、磁滞性三、磁滞性 当铁心线圈中通有当铁心线圈中通有交变电流交变电流（大小和方向都变化）（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，时，铁心就受到交变磁化，电流变化电流变化时，时，B随随H而变化而变化，当当H已减到

7、零值时已减到零值时，但，但B未回到零未回到零，这种磁感应强度滞，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。后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。磁滞回线磁滞回线图图6.1.4剩磁：剩磁：当线圈中当线圈中电流减到电流减到零零（H0），），铁心在磁化时所铁心在磁化时所获的磁性还获的磁性还未未完全消失，这完全消失，这时铁心中所时铁心中所保留保留的磁感应强的磁感应强度称为剩磁感应强度度称为剩磁感应强度Br根据根据磁性能磁性能，磁性材料又可分为，磁性材料又可分为三种三种：软磁材料软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料永磁材料（磁滞

8、回线宽。常用做永久磁铁）、（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。返回返回i一、磁路一、磁路 线圈线圈通入电流通入电流后，产生磁通，分后，产生磁通，分主磁通主磁通 和和漏磁通漏磁通 S。线圈线圈铁心铁心6.1.3 6.1.3 磁路的分析方法磁路的分析方法二、磁路的欧姆定律二、磁路的欧姆定律对于环形线圈对于环形线圈磁路的磁路的欧姆定律欧姆定律说明说明F=NI为磁通势为磁通势 Rm为磁阻为磁阻l为磁路的平均长度为磁路的平均长度 S为磁路的截面积为磁路的截面积磁路与电路对照磁路与电路对照磁路磁路电路电路磁通势磁通势F

9、电动势电动势E磁通磁通 电流电流I磁感应强度磁感应强度B电流密度电流密度J磁阻磁阻Rm电阻电阻R磁路的计算磁路的计算 在计算电机、电器等的磁路时，要在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心预先给定铁心中中的的磁通磁通（或磁感应强度），而后按照所给的（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需的磁通势FNI。计算均匀磁路要用磁场强度计算均匀磁路要用磁场强度H，即即NIHl，如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组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。成，则磁路由磁阻不同

10、的几段串联而成。NIH1 l1H2 l2（H l）（）（6.1.4）如如：由三段串联而成的由三段串联而成的 继电器磁路继电器磁路图图6.1.76.1.7继电器的磁路继电器的磁路解解磁路的平均长度为磁路的平均长度为 l（1015）2）39.2cm查铸钢的磁化曲线查铸钢的磁化曲线，当当B0.9T 时时，H1500Am于是于是 H1 l1195A空气隙中的磁场强度为空气隙中的磁场强度为 H0B0 00.9（4 107）7.2 105A/m有一环形铁心线圈，其内径为有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为外径为15cm，铁铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于心材料为铸钢。磁路中含有一空气

11、气隙，其长度等于0.2cm0.2cm。设线圈中通有设线圈中通有1A1A电流，如要得到电流，如要得到0.9T0.9T的磁感应的磁感应强度，试求强度，试求线圈匝数线圈匝数。例题例题6.1.26.1.2H0 7.2 105 0.2 10-21440A总磁通势为总磁通势为 NI（H l）H1 l1H0 19514401635线圈匝数为线圈匝数为 NNII1635 若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的心材料，可使线圈的用铜量用铜量大为大为降低。降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等得到相等的磁通

12、的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁用铁量量大为大为降低降低 当磁路中含有空气隙时，由于其当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大磁阻较大，要得要得到相等的磁感应强度到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（必须增大励磁电流（线圈匝数线圈匝数一定）一定）结论结论返回返回6.2.1、电磁关系、电磁关系铁心线圈分为：铁心线圈分为：直流铁心线圈直流铁心线圈和和交流铁心线圈交流铁心线圈图图6.2.1铁心线圈的交流电路铁心线圈的交流电路6.2 6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路图图6.2.2 和和 L 与与 i 的关系的关系注注励磁电流励磁电流 i与与 之间线

13、性关系之间线性关系i 与与 之间不存在线性关系之间不存在线性关系6.2.2电压电流关系电压电流关系铁心中磁感应铁心中磁感应强度的最大值强度的最大值铁心截面积铁心截面积6.2.4式式6.2.5式式6.2.3 功率损耗功率损耗铜损铜损 Pcu：线圈电阻线圈电阻R上的功率损耗。上的功率损耗。铁损铁损 Pfe：在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流 产生的功率损耗。包括磁滞损耗产生的功率损耗。包括磁滞损耗 Ph 和涡流损耗和涡流损耗 Pe。返回返回 Ph Pe变压器的功能变压器的功能：变电压、变电流、变阻抗变电压、变电流、变阻抗 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万

14、伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压降压降压实验室实验室380/220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压变压器的种类变压器的种类6.3 6.3 变压器变压器 额定电压额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。许的电压值。额定电流额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。额定容量额定容量 传送功率的最大能力传送功率的最大能力。（理想）理想）变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）（以单相变压器为例）6.3.1 变压器的工作原理变压器的工作原理电磁关系电磁关系

15、原绕组原绕组 副绕组副绕组图图6.3.2电压变换电压变换根据根据交流磁路交流磁路的分析可得的分析可得：E14.44fN1 m E24.44fN2 m空载时副绕空载时副绕组的端电压组的端电压变比变比结论结论：改变匝数比，可得到不同的输出电压改变匝数比，可得到不同的输出电压电流变换电流变换由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（i0）很小，很小，可忽略。写成相量为可忽略。写成相量为结论结论：变压器原、副绕组的电流与匝数成反比变压器原、副绕组的电流与匝数成反比(6.3.8)(6.3.9)(6.3.10)阻抗变换阻抗变换结论结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘变

16、压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。以变比的平方。（1）匝数比为匝数比为信号源输出功率为信号源输出功率为如下图：交流信号源的电动势如下图：交流信号源的电动势E120V,内阻内阻R0800 ，负载电阻负载电阻RL8 （1）当）当RL折算到原边的等效电折算到原边的等效电阻为阻为 =R0时，求匝数比和信号源输出功率；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）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？功率？例题例题6.3.1图图6.3.6（2）当将负载直接接在信号源上时当将负载直接接在信号源上时6.3.2 变压器的外特性变压器的外特性 副边输出

17、电压和输出电流的关系副边输出电压和输出电流的关系 U2 2f（I2 2）U20：原边加额定电压、副原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压边开路时，副边的输出电压图图6.3.8变压器的外特性曲线变压器的外特性曲线例例6.3.2作业作业二次绕组从空载到额定负载电压变化率二次绕组从空载到额定负载电压变化率6.3.3 变压器的损耗与效率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变压器的功率损耗包括铁心中的铁损 Pfe和绕组和绕组上的铜损上的铜损 Pcu。变压器的效率变压器的效率：6.3.4 特殊变压器特殊变压器ABP1.自耦变压器自耦变压器图图6.3.92.电流互感器电流互感器（被测电流

18、被测电流）N1（匝数少匝数少）N2（匝数多匝数多）ARi1i2注意！注意！1.副边副边不能断开不能断开，以防产生高电压，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的一端接地一端接地，以防在绝缘损，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。坏时，在副边出现过压。图图6.3.116.3.5变压器绕阻的极性变压器绕阻的极性 当电流流入两个线圈当电流流入两个线圈(或或流出）时，若产生的磁通流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端方向相同，则两个流入端称为称为同极性端同极性端（同名端同名端）。）。或者说，当铁芯中磁通变或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感

19、应电动两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为势极性相同的两端为同极同极性端性端。图图6.3.13 两绕阻串联两绕阻串联两绕阻并联两绕阻并联若将两绕阻的其中一个线圈若将两绕阻的其中一个线圈反绕反绕，则则1 1和和4 4为为同极性端同极性端注注返回返回图图6.3.13容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 原边输入功率原边输入功率 P1 输出功率输出功率 P2注意注意：变压器几个功率的关系变压器几个功率的关系容量容量：原边输入功率：原边输入功率：输出功率：输出功率：变压器的变压器的功率因数功率因数变压器的变压器的效率效率F线圈线圈铁心铁心衔铁衔铁电磁铁电磁铁是利用通电的铁心是利用通电的铁心线圈吸

20、引衔铁或保持某种线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位机械零件、工件于固定位置的一种电器。置的一种电器。电磁铁吸合过程的分析电磁铁吸合过程的分析：在在吸合吸合过程中若外加电压不变，过程中若外加电压不变，则则 基本不变基本不变电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大）大大 起动电流大起动电流大 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小）小小 电流小电流小6.4 6.4 电磁铁电磁铁图图6.4.1 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不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，上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。把线圈烧坏。注意：注意：电磁

21、铁的吸力电磁铁的吸力气隙截气隙截面积面积气隙气隙磁感应磁感应强度强度交流电磁铁中磁场是交变的，设交流电磁铁中磁场是交变的，设（6.4.1）交流电磁铁交流电磁铁：铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在铁心由硅钢片叠成，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。感和感抗增大，因而电流逐渐减小。直流电磁铁直流电磁铁：铁心用整块软钢制成铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。圈电阻有关，不因气隙大小而变。则吸力为：则吸力为：平均值为：平均值为：返回返回（6.4.2）（6.4.3）结 束第第 6 6 章章返回返回