第6章磁路与铁心线圈.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,6,章,磁路与铁心线圈电路,返回,1,6.1,磁路及其分析方法,6.2,交流铁心线圈电路,6.3,变压器,6.4,电磁铁,目 录,返回,2,磁场的特性可用,磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率,等几个物理量表示,。,一、磁感应强度,与,磁场方向相垂直,的单位面积上通过的,磁通,（磁,力线），可表示磁场内某点的,磁场强弱和方向,。,B,的,单位,：特,斯拉,（,T,）,1T,10,4,Gs,的单位：韦伯,矢量,6.1,磁路及其分析方法,6.1.1,磁场的基本物理量,3,二、磁通,磁感应强度,B,与垂直于磁场方向的面积,S,的,乘积,，,称为,通过该面积,的,磁通,。,如,磁场内各点的磁感应强度的,大小相等,，,方向相同,，,这样的磁场则称为,均匀磁场,。,BS,的单位：,伏,秒，通称为韦,伯,Wb,或麦克斯韦,Mx,1Wb,10,8,Mx,4,三、磁场强度,磁场强度,是计算磁场所用的物理量，其大小为,磁,感应强度,和,导磁率,之,比,。,H,的单位：安米,的单位：亨米,安培环路定律（全电流定律）：,磁场中,任何闭合回路,磁场强度的,线积分,等于,通过这个闭合路径内,电流的代数和,，即,矢量,5,I,1,I,2,I,3,电流方向和磁场强度的方向,符合,右手定则,，电流取,正,；,否则,取,负,在,无分支的均匀磁路,（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可写成：,6,其中,l,x,2,x,是,半径为,x,的圆周长,Hx,是半径,x,处的,磁场强度,F,NI,即线圈匝数与电流的乘积，称,磁通势,单位为安,培,（,A,）,在,无分支的均匀磁路,中，如环形线圈，安培环路定律可写成：,7,讨论,磁场内某一点的磁场强度,H,与,有关吗,？,由上两式可知，磁场内某一点的,H,只与电流大小、线圈匝数,及,该点的几何位置,有关，,而与,无关,真空中的磁导率为常数,四、磁导率,磁导率,是一个用来表示,磁场媒质磁性,和衡量,物质导磁能力,的物理量,。,8,一般材料的磁导率,和真空磁导率,0,的比值，称为,该物质的相对磁导率,r,或,9,磁性材料的磁性能,一、高导磁性,指磁性材料的磁导率很高，,r,1,，,使其具有,被强烈磁化（呈现磁性）,的特性。,二、磁饱和性,把磁性材料放入磁场强度为,H,的磁场（常由线圈的励磁电流产生），会受到强烈的磁化。开始磁感应强度,B,与,H,近似成正比增加，而后随着,H,的增加，,B,的增加缓慢下来，最后,达到饱和值,。,6.1.2,磁性材料的磁性能,高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,10,磁化曲线,B,和与,H,的关系,注,当有磁性物质存在,时,B,与,H,不成比例，,与,I,也不成比例,。,三、磁滞性,当铁心线圈中通有交变电流,（大小和方向都变化）,时，铁心就受到交变磁化，,电流变化,时，,B,随,H,而变化,，,当,H,已减到零值时,，但,B,未回到零,，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。,11,磁滞回线,剩磁：,当线圈中,电流减到,零,（,H,0,），,铁心在磁化时所,获的磁性还,未,完全消失，这,时铁心中所,保留,的磁感应强,度称为剩磁感应强度,B,r,。,根据,磁性能,，磁性材料又可分为,三种,：,软磁材料,（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、,永磁材料,（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、,矩磁材料,（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。,12,i,一、磁路,线圈,通入电流,后，产生磁通，分,主磁通,和漏磁通,。,线圈,铁心,6.1.3,磁路的分析方法,13,二、磁路的欧姆定律,对于环形线圈,磁路的,欧姆定律,说明,F=NI,为磁通势,R,m,为磁阻,l,为磁路的平均长度,S,为磁路的截面积,14,磁路与电路对照,磁路,电路,磁通势,F,电动势,E,磁通,电流,I,磁感应强度,B,电流密度,J,磁阻,R,m,电阻,R,15,三、磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要,预先给定铁心中,的,磁通,（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需的磁通势,F,NI,（或励磁电流,I,）。,计算均匀磁路要用磁场强度,H,，,即,NI,H,l,，,如果磁路由不同的材料、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：,NI,H,1,l,1,H,2,l,2,（,H,l,）,16,如,：,由三段串联而成的,继电器磁路,17,解,磁路的平均长度为,l,（,10,15,）,2,）,39.2cm,查铸钢的磁化曲线,，,当,B,0.9T,时,，,H,1,500A,m,于是,H,1,l,1,195A,空气隙中的磁场强度为,H,0,B,0,0,0.9,（,4,x 10,7,）,7.2 x 10,5,A/m,有一环形铁心线圈，其内径为,10cm,，,外径为,15cm,，,铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于,0.2cm,。设线圈中通有,1A,电流，如要得到,0.9T,的磁感应强度，试求,线圈匝数,。,P192,例题,6.1.2,18,H,0,7.2,x 10,5,x 0.2 x 10,-2,1440A,总磁通势为,NI,（,H,l,）,H,1,l,1,H,0,195,1440,1635 A,线圈匝数为,N,NI,I,1635,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,用铜量,大为,降低,（,I,降低）,。,若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,（,S,降低）,。,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（,线圈匝数一定）。,结论,19,6.2,交流铁心线圈电路,2,交流铁心线圈电路,铁心线圈分为两种：,1,直流铁心线圈电路,直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压,U,下，线圈电流,I,只与线圈的,R,有关，,P,也只与,I,2,R,有关，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。,交流铁心线圈通交流来励磁 （如交流电机、变压器及各种交流电器 的线圈）。其电压、电流等关系与直流 不同，下面我们就来讨论之。,20,u,e,e,i,N,铁心如图所示，,如果在铁心上绕有,N,匝线圈，并在线圈两端加上电压,u,，则在线圈中就会产生电流,i,，磁动势,F=Ni,产生的磁通绝大多数通过铁心而闭合，这部分磁通称为工作磁通,。,此外还有一少部分通过空气等非磁性材料而闭合，这部分磁通称为漏磁通，用,表示。,这两个磁通分别在线圈中产生感应电动势,e,和,e,。,e,为主磁电动势，,e,为漏磁电动势。,6.2.1,电磁关系,21,u,e,e,i,N,这个电磁关系可表示如下：,式中,N,=L,i,中的,L,为常数，称为漏电感；而,i,与,不存在线性关系，即,L,不是常数。,因此，铁心线圈是一个非线性的电感元件。,和,L,与,i,的关系如图所示。,0,L,i,L,22,u,e,e,i,N,据,KVL,有：,当,V,为正弦时，,上式中的各量可视作正弦量，于是上式可用相量表示：,6.2.2,电压电流关系,23,式中,X,为漏磁感抗，,R,为线圈的电阻。,相量表示式：,设,则,式中：,24,注意：,m,无有效值；大写,为瞬时值。,有效值为：,由于,R,和,X,很小，,U,R,和,U,与,U,/,相比可忽略。,B,m,为铁心中磁感应强度的最大值，,S,为铁心面积。,即,25,2,铁损,1,铜损,磁滞损耗,磁滞损耗,涡流损耗,在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：,在交变磁场中，铁磁材料要反复磁化，就产生了类似摩擦发热的能量损耗，我们称之为,磁滞损耗,。可以证明，交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的,磁滞损耗,能量与磁滞回线所包围的,面积成正比,。,这里有一个经验公式：,6.2.3,功率损耗,26,磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。,硅钢,就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。,这是一个经验公式。,n,的取值范围在,1.5,到,2.5,之间，一般取,2,。,从上式可以看出，,磁滞损耗与,磁感应强度,的,平方成正比,，也与,频率,和铁心的,体积成正比,。,27,涡流损耗,由涡流所产生的铁损称为涡流损耗,P,e,i,当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为,涡流,，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。,28,涡流损耗也要引起,铁心发热,。为了减小涡流损耗，在顺磁场方向铁心可由彼此绝缘的,硅钢叠成,，这样就可以限制涡流只能在较小的截面内流通。此外，通常所用的硅钢片中含有少量的硅（,0.84.8%,），因而电阻率较大，这也可以使涡流减小。,由此可见,所以，在铁心线圈电路中,Bm,不能取的太大。（为什么？）,一般取,0.8-1.2T,。,在交流磁通的作用下，铁心内的这两种损耗合称铁损,P,Fe,。,铁损差不多与铁心内磁感应强度的最大值,B,m,的平方成正比，故,B,m,不宜选得过大。,29,涡流有有害的一面，但在另外一些场合下也有有利的一面。对其有害的一面应尽可能地加以限制，而对其有利的一面则应充分地加以利用。,例如，利用涡流的热效应来冶炼金属，利用涡流和磁场相互作用而产生电磁力的原理来制造感应式仪器、滑差电机及涡流测距器等。,又因为,当,U,一定时，为什么,N,不能太小？,从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为,P=,UIcos,=I,2,R+,P,Fe,30,6.2.4,等效电路,铁心线圈交流电路也可用,等效电路,进行分析，所谓等效电路，就是用一个,不含铁心,的交流电路来等效代替它。,i,i,u,R,X,u,u,R,u,/,R,0,X,0,等效的条件是,：在同样电压作用下，,功率,、,电流,及各量之间的相位关系,保持不变,注意,：,铁心线圈中的非正弦周期电流已用等效正弦电流代替,。,这样就使磁路计算的问题 简化为电路计算的问题了。,31,先把铁心线圈的,电阻,R,和,感抗,X,划出，剩下的就成为一个没有电阻和漏磁通的,理想铁心线圈电路,。,等效电路,i,u,R,X,u,u,R,u,/,但铁心中仍有,能量的损耗和能量的储放,。因此可将这个理想的铁心线圈交流电路用具有,电阻,R,0,和感抗,X,0,的一段电,路来等效代替,。其电路如图所示。,32,i,u,R,X,u,u,R,u,/,R,0,X,0,其中电阻,R,0,是和铁心中能量损耗（铁损）相应的等效电阻，其值为,感抗,X,0,是和,铁心中能量的储放（与电源发生能量互换）相应的等效感抗，其值为,等效电路的阻抗模为,i,u,R,X,u,u,R,u,/,33,例：,有一交流铁心线圈，电源电压,U=220V,，,电路中电流,I=4A,，,功率表读数,P=100W,，,频率,f=50Hz,漏磁通和线圈上的,电压降可忽略不计，,试求（,1,）铁心线圈的功率因数,（,2,）铁心线圈的等效电阻和感抗,解：,（1）,（,2,）铁心线圈的等效阻抗为,等效电阻和感抗分别为,34,作业：,P214,习题,6.1.6,35,变压器的功能,：,变电压、变电流、变阻抗,发电厂,1.05,万伏,输电线,22,万伏,升压,变电站,1,万伏,降压,降压,实验室,380/220,伏,降压,仪器,36,伏,降压,变压器的种类,6.3,变压器,36,额定电压,变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允,许的电压值。,额定电流,变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值,。,额定容量,传送功率的最大能力,。,（,理想）,变压器的铭牌数据,（以单相变压器为例）,37,6.3.1,变压器的工作原理,电磁关系,原绕组,副绕组,38,电压变换,根据,交流磁路,的分析可得,：,E,1,4.44,fN,1,m,E,2,4.44,fN,2,m,空载时副绕,组的端电压,变比,结论,：,改变匝数比，可得到不同的输出电压,39,电流变换,由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（,i,0,）,很小，,可忽略。写成相量为,结论,：,变压器原、副绕组的电流与匝数成反比,40,阻抗变换,结论,：,变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。,41,（,1,）,匝数比为,信号源输出功率为,如下图：交流信号源的电动势,E,120V,内阻,R,0,800,，,负载电阻,R,L,8,（,1,）当,R,L,折算到原边的等效电阻为,R,0,时，求匝数比和信号源输出功率；（,2,）当将负载直接与信号源连接时，信号源输出多大功率？,P204,例题,6.3.3,42,（,2,）,当将负载直接接在信号源上时,6.3.2,变压器的外特性,副边输出电压和输出电流的关系,U,2,f,（,I,2,）,U,20,：,原边加额定电压、,副边开路时，副边的输,出电压。,变压器的外特性曲线,43,6.3.3,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,P,fe,和绕组,上的铜损,P,cu,。,变压器的效率,：,6.3.4,特殊变压器,A,B,P,自耦变压器,44,电流互感器,（,被测电流,）,N,1,（,匝数少,）,N,2,（,匝数多,）,A,R,i,1,i,2,注意！,1.,副边,不能断开,，以防产生高电压,；,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。,45,电压互感器,V,R,N,1,（,匝数多,）,保险丝,N2,（,匝数少,）,u,（,被测电压,）,1.,副边,不能短路,，以防产生过流,；,2.,铁心、,低压绕组,的,一端接地,，以防在绝缘损时，在副边出现高压,。,注意！,46,6.3.5,变压器绕阻的极性,当电流流入两个线圈,(,或,流出）时，若产生的磁通,方向相同，则两个流入端,称为,同极性端,（,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,。,47,两绕阻串联,两绕阻并联,若将两绕阻的其中一个线圈,反绕,，,则,1,和,4,为,同极性端,注,48,容量,S,N,输出功率,P,2,原边输入功率,P,1,输出功率,P,2注意,：,变压器几个功率的关系,容量,：,原边输入功率：,输出功率：,变压器的功率因数,变压器的效率,49,F,线圈,铁心,衔铁,电磁铁,是利用通电的铁心,线圈吸引衔铁或保持某种,机械零件、工件于固定位,置的一种电器。,电磁铁吸合过程的分析,：,在,吸合,过程中若外加电压不变，,则,基本不变,电磁铁吸合前,(,气隙大）,大,起动电流大,电磁铁吸合后,(,气隙小）,小,电流小,6.4,电磁铁,50,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。,注意：,电磁铁的吸力,气隙截,面积,气隙,磁感应,强度,交流电磁铁中磁场是交变的，设,51,交流电磁铁,：,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，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。,直流电磁铁,：,铁心用整块软钢制成,；,励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。,则吸力为：,平均值为：,52,作业：,P215,习题,6.3.10,，,6.3.12,思考（不需写在本子上）：,6.3.9,，,6.3.11,53,结 束,第,6,章,54,