第6章 磁路与变压器,学习目标 理解磁路的概念，掌握磁路的主要物理量。 理解磁通势、磁阻的概念，掌握磁路欧姆定律。 理解交流铁心线圈电路及有关特点。 掌握变压器的基本结构及工作原理。 了解几种常用变压器的结构特点及工作原理。,6.1 磁路的基本知识,在电气工程中大量用到的电机、变压器、电磁铁及某些电工测量仪表等电气设备，都是利用电磁相互作用进行工作的，其内部都有铁心线圈，这些铁心线圈中不仅有电路问题，而且有磁路问题。本章将介绍有关磁路与变压器的知识。,6.1.1磁路的概念,当线圈通以电流时，磁通大部分经过铁心而形成闭合回路，这种磁通集中通过的路径就称为磁路。 电磁铁是由励磁绕组(线圈)、静铁心和动铁心(衔铁)三个基本部分组成。当励磁绕组通以电流时，磁场的磁通绝大部分通过铁心、衔铁及其间的空气隙而形成闭合的磁路，这部分磁通称为主磁通。但也有极小部分磁通在铁心以外通过大气形成闭合回路，这部分磁通称为漏磁通。,6.1.2磁路的主要物理量,1磁感应强度B 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。它是一个矢量，其方向与该点磁力线方向一致，与产生该磁场的电流之间关系符合右手螺旋法则。在国际单位制中的单位是特斯拉（T），简称特。 2磁通 在匀强磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的单位面积S的乘积，称为通过该面积的磁通。 或,3磁导率 磁导率是表示物质磁性能的物理量，它的单位是亨/米（H/m）。真空的磁导率 。 任意一种物质的磁导率与真空的磁导率之比称为相对磁导率，用 表示，即 (6-2) 4磁场强度H 磁场强度是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量，为了从磁感应强度B中除去磁介质的因素，定义为 或,6.1.3 铁磁材料,根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分为两大类。一类物质称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴等，这类材料的导磁性能好，磁导率值大；另一类为非铁磁材料，如铜、铝。 铁磁材料是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料，铁磁材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有很大影响。铁磁材料的磁性能主要表现为高导磁性、磁饱和性和磁滞性。,1高导磁性 当在外磁场的作用下铁磁物质的磁畴就顺着外磁场的方向转向，显示出磁性。随着外磁场的增强，磁畴就逐渐转到外磁场相同的方向上，这样便产生了很强的与外磁场同方向的磁化磁场，使磁性物质内的磁感应强度大大增强，这种现象称为磁化。磁性物质的磁化如图6-2所示。,非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化特性。 通电线圈中放入铁心后，磁场会大大增强，这时的磁场是线圈产生的磁场和铁心被磁化后产生的附加磁场的叠加。变压器、电机和各种电器的线圈中都放有铁心，在这种具有铁心的线圈中通入不大的励磁电流，便可产生足够大的磁感应强度和磁通。,2磁饱和性,在铁磁材料的磁化过程中，随着励磁电流的增大，外磁场和附加磁场都将增大，但当励磁电流增大到一定值时几乎所有的磁畴与外磁场的方向一致，附加磁场就不在随励磁电流的增大而继续增强，这种现象称为磁饱和现象。,图6-4 不同材料的磁化曲线,3磁滞性,如果励磁电流是大小和方向都随时间变化的交变电流，则铁磁材料将受到交变磁化。在电流交变的一个周期中，磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图6-5所示。,6.1.4 磁路的欧姆定律,磁路的欧姆定律是磁路最基本的定律。 假设铁心横截面积各处相等，线圈是密绕的，且绕的很均匀，则电流沿铁心中心线产生的磁场各处大小相等，设磁路的横截面积为S，磁路的平均长度为 ，根据磁场强度B和励磁电流I的关系，即,由此式可得 (6-4) 可见，铁心中的磁通 与通过线圈的电流I、线圈的匝数N以及磁路的截面积S成正比，与磁路的长度l成反比，还与组成磁路的材料磁导率 成正比。由于式（6-4）在形式上与电路的欧姆定律相似，称为磁路的欧姆定律。,思考与练习,6-1-1什么是磁路、磁感应强度？ 6-1-2.什么是磁阻、磁通势？分别写出磁阻、磁通势的公式？ 6-1-3 写出磁路欧姆定律的表达式，说明磁通与磁导体的面积、长度及磁导率的关系。 6-1-4 铁磁材料反复磁化形成的闭合曲线有何特征？,设主磁通 是主磁通电动势的最大值，而有效值则为,可见，外加电压的相位超前于铁心中磁通900，而外加电压的有效值 (6-6) 式中 单位是韦伯（Wb），f的单位是赫兹（Hz），U的单位是伏特(V)。,6.2.2功率损耗,在交流铁心线圈中，除了在线圈电阻上有功率损耗(这部分损耗叫铜损 ， 表示)， 由于铁心在交变磁化的情况下也引起功率损耗(这部分损耗叫铁损，用 表示)，铁损是由铁磁物质的涡流和磁滞现象所产生的。 因此，铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。,1磁滞损耗,铁心在交变磁通的作用下被反复磁化，在这一过程中，磁感应强度B的变化落后于H，这种现象称为磁滞，由于磁滞现象造成的能量损耗称为磁滞损耗。用 表示。 它是由铁磁材料内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁心发热而造成的损耗。铁心单位面积内的每周期产生的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。 为了减少磁滞损耗，交流铁心均由软磁材料制成。,2涡流损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心中在垂直于磁通方向的平面内要产生感应电动势和感应电流，这种感应电流称为涡流。由于铁心本身具有电阻，涡流在铁心中也要产生能量损耗，称为涡流损耗。 涡流在变压器、电机、电器等电磁元件中消耗能量、引起发热，因而是有害的。但有些场合，例如感应加热装置、涡流探伤仪等仪器设备，却是以涡流效应为基础的。 综上所述，交流铁心线圈电路的功率损耗为 (6-7),6.3 变压器,变压器是利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变压、变流和隔离作用。它是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。尽管它种类繁多、大小悬殊、用途各异，但基本结构和工作原理是相同的。,6.3.1 变压器的结构,图6-9所示，是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合铁心上套有两个绕组，绕组和绕组之间及绕组与铁心之间都是绝缘的。 绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕成，一个绕组与电源相连，称为一次绕组；另一个绕组与负载相连称为二次绕组。,6.3.2 变压器的工作原理,变压器的基本工作原理就是以电磁感应现象为基础，通过一个共同的磁场，实现两个或两个以上绕组的耦合，从而进行交流电能的传递与转换。,2）电流变换作用,由于空载电流很小，在额定情况下 相对于 或 可以忽略不计，由式 可得 (6-10) 用有效值表示，则有 (6-11) 上式说明，变压器一次、二次绕组的电流在数值上近似地与它们的匝数成反比。必须注意，变压器一次绕组电流的大小是由二次绕组电流的大小来决定的。,3）变压器的阻抗变换,在电子设备中，为了获得较大的功率输出，往往对负载的阻抗有一定要求。然而负载阻抗是给定的，不能随便改变，为了使它们之间配合得更好，常采用变压器来获得所需要的等效阻抗，变压器的这种作用称为阻抗变换。其原理电路如图6-13所示，,变压器阻抗变换在电子技术中经常用到。例如，在扩音机设备中，如果把喇叭直接接到扩音机上，由于喇叭的阻抗很小扩音机电源发出的功率大部分消耗在本身的内阻抗上，喇叭获得的功率很小，声音微弱。理论推导和实验测试可以证明：负载阻抗等于扩音机电源内阻抗时，可在负载上得到最大的输出功率，称为阻抗匹配。因此，在大多数的扩音机设备与喇叭之间都接有一个变阻抗的变压器，通常称之为线间变压器。,【例6-1】交流信号源的电动势E=120V，内阻 ，负载电阻 。试求： (1)将负载直接与信号源相连时，求信号源输出功率； (2)将交流信号源接在变压器一次侧，RL接在二次侧，通过变压器实现阻抗匹配,则变压器的匝数比和信号源的输出功率为多少? 解：(1)负载直接与信号源相连 输出功率为,(2)变压器的匝数比为 输出功率为 以上计算说明，同一负载经变压器阻抗匹配后，信号源输出功率大于与信号源直接相连时的输出功率。,6.3.4 几种常用的变压器,1三相变压器 三相变压器有三个一次绕组和三个二次绕组，可分别联结星形或三角形接法。三相变压器的铁心多采用三铁心柱式结构。如图6-14a所示。它的三根铁心柱上分别套装有完全一样的高、低压绕组，相当于三台单相变压器。三相高压绕组的首端和末端分别用A、B、C和X、Y、Z标记，三相低压绕组的首端和末端分别用a、b、c和x、y、z标记。三相高、低压绕组都是对称的，因此电压的变换也是对称的。,2自耦变压器 自耦变压器分可调式和固定抽头两种形式。图6-15所示是可调式自耦变压器的外形图和原理电路图。,3电流互感器 电流互感器的作用是将电路中的交流大电流转换成小电流，用于测量或保护。它的结构与普通变压器相似，如图6-16a所示。它的特点是：次绕组的导线较粗、匝数少(只有一匝或几匝)，使用时次绕组与被测电路串联，由于阻抗很小，对被测电路的电流几乎不发生影响；二次绕组的导线较细、匝数多，使用中规定与专用的5A或1A电流表相接。 电流互感器是根据变压器的变流原理制成的，即 如令 ,则,思考与练习,6-3-1变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与它的额定电压相同的直流电源上，会产生什么后果？ 6-3-2 一台变压器的额定电压为220V/110V，若不慎将低压边接到220V的交流电源上，能否得到440V的电压？如果将高压边接到440V的交流电源上，能否得到220V的电压？为什么？ 6-3-3如果把自耦调压器具有滑动触头的二次侧错接到电源上，会有什么后果？为什么？,