电工技术基础-磁路和变压器

为减小涡流损耗，常用 硅钢片叠压制成电机电 器的铁芯。
根据电流的热效应原理，涡流 通过铁芯时将使铁芯发热，显 然涡流增加设备绝缘设计的难 度，涡流严重时会造成设备的 烧损。
第4单元 磁路与变压器
6. 主磁通原理
对交流铁芯线圈而言，设工
Φ
作主磁通为：
u i
交变磁通穿过线圈时，在线
圈中感应电压，其值为：
x
将变压器的变压比公式和变流比公式代入上式得：
上式告诉我们：只要改变变压器的匝数比，即可获得合
适的二次侧对一次侧的反射阻抗|Z1|。式中k2称为负载阻抗 折算到一次侧时的变换系数。
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已知某收音机输出变压器的原边匝数为600，副边匝数为 30，原边原来接有16Ω的扬声器。现因故要改接成4Ω扬 声器，问输出变压器的匝数N2应改为多少？ 收音机电路中，输出变压器所起的作用是：让扬声器阻 抗与晶体管的输出端阻抗匹配，以使负荷上获得最大功 率，从而驱动喇叭振动发出声音。 收音机原阻抗变换系数为：
x
交变的磁通穿过N1 和N2时，分别在两个 |ZL| 线圈中感应电压：
有： 计算它们的比值：
变压比， 简称变比
显然，改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且 k>1时为为降压变压器；k<1时为升压变压器。
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2、变压器的有载运行与变换电流原理
X
u1 i1 A
Φ N1 N2
S
i2
a
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磁路实质上是人为制造的集中强磁场
普通电磁铁的磁路 单相变压器的磁路
直流电机的磁路
工程实际应用中，大量的电气设备都含有铁芯线圈， 当线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成设备的磁路。
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4.1. 2 磁路的基本物理量

线圈通电后使铁芯磁化， 形成铁芯磁路。
(1)磁通
可得：
主磁通原理
主磁通原理告诉我们，只要外加电压有效值及电源频率 不变，铁芯中工作主磁通最大值Φm也将维持不变。
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某含有气隙的铁芯线圈，线圈两端加有效值为U的交流 电压，当气隙增大时，铁芯中的主磁通是增大还是减小 ？线圈中的电流如何变化？
气隙增大时，铁芯磁路中的磁阻增加，但由于电源电 压效值为U和频率f 并无改变，根据主磁通原理可知， 铁芯磁路中的工作主磁通Φ并不发生改变。根据磁路 欧姆定律：
变压器负载运行时， 一次侧电流由i0变为
u2
|ZL| i1，二次侧产生负载
x
电流i2，而电压u20相
应变为u2。
变压器负载运行时，二次侧电流i2产生副边磁动势I2N2， 该磁动势对I0N1起削弱作用。
根据主磁通原理，只要电源电压和频率不变，铁芯中的
工作主磁通Φ的数值将维持不变。因此，原边电流i0 相应增 大为i1，原边磁动势也增大为I1N1，增大的部分恰好与二次 侧磁动势相平衡。此时的磁动势方程式为：
通过本章学习，要求了解变压器的基本结构组成，熟 悉变压器的用途，理解和掌握变压器变换电压、变换 电流及变换阻抗的作用；了解常用的特殊变压器。
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4.1 铁芯线圈、磁路
i Φ
u
空心线圈产生的磁场较弱，不能满足电气设备小电流、 强磁场的要求，若在空心线圈中套入铁芯，则铁芯线圈 就会获得较强的磁场。
电工技术基础
4.1 铁心线圈、磁路 4.2 变压器的基本结构和工作原理 4.3 实用中的常见变压器
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电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。 因为很多电工设备与磁路都有关系，如电力系统中广 泛应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测 量仪表等。
为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及应 用，首先在理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有 关，与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联， 因此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。
著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。
硬磁材料 硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很
大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。
矩磁材料 矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两
个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的
B 磁芯。
B
B
H 0
H 0
H 0
软磁性材料磁滞回线 包围的面积很小。
硬磁性材料磁滞回线 包围的面积很宽大。
S
a
u20
|ZL|
x
与电源相接的 与负载相接的 一次侧绕组。 二次侧绕组。
变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变 压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。
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4.2.2 变压器的工作原理
1、变压器的空载运行与变换电压原理
X
u1 i10 A
Φ N1 N2
S
a
u20
自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比，可得 到不同的比值，我们把这个比值称为相对磁导率，用“μr”表 示，即：
显然，相对磁导率无量纲，其值越大，表明该类物质的 导磁性能越好；反之，导磁性能越差。
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根据相对磁导率μr值的不同，自然界的物质大致可分为 两大类：
(1)非磁性物质 如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力 很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁 导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。
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磁动势平衡方程式告诉我们：变压器二次测电流i2的大小 是由负载决定的，但二次侧的能量来源于一次侧，两侧电 路并没有直接的电的联系，而是通过磁耦合把能量从原边 传递到副边。
变压器铁芯的导磁率很高，因此满足工作主磁通需要的 磁动势I0N1很小，和I1N1相比可忽略不计，因此磁动势平衡 方程式可改为：
由Φ=BS可知，匀强磁场中某截面S上B值越大，穿过该截 面上的磁力线总量越多。因此，磁感应强度也常称为磁通密 度。磁感应强度的国际单位制中还有较小的单位高斯[Gs]， 特斯拉和高斯之间的换算关系为：
1T=104Gs
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(3) 磁导率μ
磁导率是反映自然界物质导磁能力的物理量，用希腊字 母“μ”表示 。物质的种类很多，且导磁能力也各不相同， 为了有效地区别它们各自的导磁能力，我们引入一个参照 标准—真空的磁导率μ0:
(2)负载为感性时，u2随i2的增加下降的程度加大；
变压器的变比为：
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4.2.3 变压器的外特性
u2
变压器输出电压u2随负载电流 i2 变化的关系称为它的外特性，即： U2N
cos(-φ2)=0.8超前 cosφ2=1
u2＝f（i2）
cosφ2=0.8滞后
外特性可用右图所示曲线描述。 0
I2N
i2
(1)负载为纯电阻性质时，cosφ=1，输出电压u2随负载电 流i2的增加略有下降；
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(4)磁场强度
磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量，用 大写字母“H”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁场中 该点小磁针N极的指向。
磁场强度和磁 感应强度有何 区别和联系？
磁感应强度是描述磁路介质 的磁场某点强弱和方向的物理 量，与介质的导磁率有关；磁 场强度是描述电流的磁场强弱
反射阻抗：
改换成4Ω扬声器后：
第4单元 磁路与变压器 设交流信号源电压U=100V，内阻R0=800Ω，负载RL=8Ω。 (1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ (2)经变压器阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？此 时变压器变比是多少？ 负载直接与信号源相接时，负载上获得的功率为：
阻抗匹配时，负载折算到原绕组的反射阻抗等于800Ω。 因此负载上获得的最大功率为：
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4.1.3 铁磁物质的磁性能
1.高导磁性
磁畴进行归顺性排列
磁畴
铁磁材料由不具有磁性到获得磁性的过程，称为铁磁材料 的磁化性。非磁性物质内部没有磁畴结构，因此即使处在 磁场中，也不能够被磁化。
电铁机磁电物器质正具是利有用高了导铁磁芯性的、高磁导饱磁和性性，、使磁小滞电流性获和得剩强磁磁性场
1Wb=108Mx
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(2)磁感应强度
磁感应强度是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。用 大写字母“B”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁场中该 点小磁针N极的指向。匀强磁场中，B的大小可用载流导体 在磁场中所受到的电磁力来定义。即：
上式中，电磁力F的单位是牛顿[N]、电流的单位是安培 [A]、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影) 单位是米[m]时，磁感应强度B的单位是特斯拉[T]。
根据工程上用途的 不同？铁磁性材料 可分为几类？能否 说出它们的特点和 用途？
你会做吗？
铁磁物质具有哪些磁 性能？铁芯中存在哪些 损耗？铜和铝能被磁
化吗 ？
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4.2 变压器的基本结构和工作原理
4.2.1 变压器的基本结构
用硅钢片叠压制成 的变压器铁芯。
X u1 i10
A
Φ N1 N2
2.磁饱和性
C点后，B不再随H的增加而增加的现象称磁饱和性
3.磁滞性和剩磁性
B
0
H
磁滞回线
B的H变为化零总，是介落质后的于磁H场的B不变为化零，的这现种象现称象剩称磁性滞性
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4.1.4 铁磁材料的分类和用途
铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：
软磁材料 软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显
磁通不变，则上式中的比值也应不变。因此，当磁阻Rm 增大时，线圈中通过的电流必定增大。
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一个交流电磁铁，因出现机械故障，造成通电后衔铁不 能吸合，结果把线圈烧坏，试分析其原因。