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电工学课件第6章磁路与铁心线圈电路

电工学课件第6章磁路与铁心线圈电路
磁路与铁心线圈电路是电工学的重要内容，深入了解磁场来源、铁磁材料特性和磁路磁阻，能帮助我们理解电磁铁和铁心线圈电路的工作原理和计算方法。
磁场的来源与特性
电流
通过电流可以创建磁场，磁场的特性由其方向和强度决定。
永磁体
永久磁体是通过原子磁偶极子排列达到自发磁化的，其磁场具有持久性。
磁路
磁路是指通过磁介质的路径，它对于指定的磁场强度和磁通量起着重要的影响。
磁路阻抗
磁路阻抗是描述磁路对磁通量产生阻碍程度的物理量。
磁通量
磁通量是指通过某个截面的磁场总量，它和磁场强度、磁路面积以及磁路阻抗之间存在关系。
电磁铁的工作原理和特点
1 电磁激励
电流通过线圈产生磁场，使铁芯具有磁性。
电动势法拉第电磁感应定律
洛伦兹力定义
电路方程
电动势和线圈自感、电流变化率的关系
电动势与线圈长度、磁感应强度、线圈电流和外加磁场的关系
磁场与磁感应强度的计算
安培定理
根据安培定理，通过封闭回路的总磁感应强度等于通过该回路的总电流。
磁场强度
磁场强度是单位长度内的磁通量，与电流和回路形状有关。
磁感应强度
磁感应强度是介质内某点的磁场强度，与磁导率和磁场强度有关。
铁心线圈电路中的电动势和电路方程
现象带电线圈的磁场变化
外加磁场中的线圈
电磁感应
电磁感应是指磁场与导体运动或改变状况相互作用产生的电流和电动势。
铁磁材料的特点及磁滞回线
1
磁导率高
铁磁材料具有较高的磁导率能够达到较高的磁化强度，在磁路中发挥重要作用。
3
磁滞回线
铁磁材料的磁滞回线描述了其磁化和去磁过程中的能量损耗和延迟现象。

磁路与铁芯线圈电路(共14张PPT)

Φ=BS 磁通Φ又表示穿过某一截面S的磁力线根数，磁感应强度 B在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。磁通的国际单位为韦伯（Wb）.
第3页，共14页。
3.磁场强度磁场强度沿任一闭合路径l的线积分等于此闭合路径所包围的
电流的代数和。磁场强度 H的国际单位是安培/米（ A/m）。它的方向与磁感应强度B的方向相同。 4.磁导率
解 :（1）由变压比的公式，可以求出副边的匝数为 N2U U1 2N1232601100180
（2）由有功功率公式P2=U2I2cosφ，灯泡是纯电阻负载， cosφ=1，可求得副边电流.11A 36
由变流公式，可求得原边电流为
I1 I2N N1 2 1.1111180000.18
【例4-1】有一台电压为220/36 V的降压变压器，副边接一盏36 V、40 W的灯泡，试求:（1）若变压器的原边绕组N1=1100匝，副边绕组匝
的，线圈总是装在铁芯上。开关电器中数应是多少?（2）灯泡点亮后，原、副边的电流各为多少?
F=NI =Σ I
电磁铁的衔铁上还装有弹簧铁芯线圈可以通入直流电来励磁（如电磁铁），产生的磁通是恒定的，在线圈和铁芯中不会感应出电动势来，在一定的电压下，线圈中的电流
上式中线圈匝数与电流乘积称为磁通势，用字母F表示，即
F=NI 磁通势的单位是安培（A）。联立上面几个式子，则有
铁损主要由两部分组成（1）涡流损耗（2）磁滞损耗
HS NI L/ S
如果线圈中的铁芯换上导磁性能差的非磁性材料，而磁通势 c时，减小电流使H由Hm逐渐减小，B将
磁感应强度B与垂直于磁力线方向的面积S的乘积称为穿过该面的磁通Φ，即
第4章磁路与铁芯线圈电路

磁路与铁芯线圈(电磁铁)课件

压力传感器
利用磁路与铁芯线圈检测压力，实现物理量的测量。
05
磁路与铁芯线圈(电磁铁)的未来发展
磁路与铁芯线圈(电磁铁)的发展趋势
技术创新
随着科技的不断进步，磁路与铁芯线圈(电磁铁)的设计和制造将更加精密和高效，以满足不断变
化的应用需求。
环保与节能
随着环保意识的提高，磁路与铁芯线圈(电磁铁)将更加注重节能和环保，采用更高效的材料和设
计，降低能耗和资源消耗。
智能化与自动化
磁路与铁芯线圈(电磁铁)将与物联网、人工智能等先进技术结合，实现智能化控制和自动化生产
，提高生产效率和产品质量。
磁路与铁芯线圈(电磁铁)的未来挑战
技术瓶颈
随着应用领域的不断拓展，磁路与铁芯线圈(电磁铁)面临的技术瓶颈也日益突出，需要不断突破和创新。
市场竞争
隔离变压器
利用磁路与铁芯线圈产生磁场，实现电路的隔离。
自耦变压器
利用磁路与铁芯线圈产生磁场，实现电路的自动控制。
在传感器中的应用
磁性传感器
利用磁路与铁芯线圈检测磁场，实现物理量的测量。
位置传感器
利用磁路与铁芯线圈检测位置，实现物理量的测量。
电流传感器
利用磁路与铁芯线圈检测电流，实现物理量的测量。
磁场通过铁芯得到增强。
铁芯线圈的应用
01
02
03
04
直流电机
利用铁芯线圈产生磁场，驱动转子旋转。
变压器
通过改变铁芯线圈的匝数实现电压变换。
继电器
利用铁芯线圈控制电路的通断。
传感器
检测磁场变化，实现非电量到电量的Байду номын сангаас换。
03
磁路与铁芯线圈(电磁铁)的设计

磁路与铁芯线圈(电磁铁)课件

稀土永磁材料
如钕铁硼、钐钴等，具有高剩磁、高磁能积和稳定的化学性质，广泛应用于电机、发电机和变压
器等领域。
铁氧体磁性材料
成本低、稳定性好，主要用于制作电磁铁、磁力离合器等。
纳米磁性材料
具有超顺磁性、高矫顽力等特点，在磁记录、磁流体等领域有广
阔的应用前景。
新型电磁铁的设计与应用
微型化设计
随着微电子技术的发展，电磁铁的尺寸越来越小，性能更加优异，可应用于微型电机、传感器等领域。
2023 WORK SUMMARY
磁路与铁芯线圈(电磁铁)课件
REPORTING
目录
• 磁路的基本概念 • 铁芯线圈的工作原理 • 电磁铁的应用 • 磁路与铁芯线圈的设计 • 磁路与铁芯线圈的实验研究 • 磁路与铁芯线圈的发展趋势
PART 01
磁路的基本概念
磁场与磁力线
磁场
磁力作用的空间，由磁体或电流产生。
铁芯形成磁路，使磁场得以集中并通过。磁路中的磁阻会影响磁场的强度和分布。
电磁感应与电动势
法拉第电磁感应定律
当磁场发生变化时，会在导体中产生电动势，电动势的大小与磁通量变化碍引起感应电流的磁通量的变化。
PART 03
电磁铁的应用
直流电磁铁
总结词
利用直流电产生稳定磁场
使用不同材料的铁芯，研究其对磁场的影响。
电磁铁的应用实验
电磁吸力实验
通过电磁铁吸合不同质量的物体，观察吸力与电流、匝数的关系
。
电磁继电器实验
利用电磁铁控制电路的通断，实现自动控制功能。
电磁感应实验
通过电磁感应现象，研究线圈中感应电动势的产生和变化。
PART 06
磁路与铁芯线圈的发展趋势

第6章磁路与铁心线圈-PPT精选文档

第6章磁路与铁心线圈电路
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目录
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
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2
6.1 磁路及其分析方法 ——6.1.1 磁场的基本物理量
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
二、电压电流关系
据KVL有：
uiRee iRe(L
di
eiNNddt
di) u dt
e eσ
ΦLddti
Φσ
iRL
(e) dt
uRu u/
当 uUmsint 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：
相量表示式：U IU (R RjjX X)IU U //uiiRRLeddeti(e)
•真空中的磁导率为常数
041 07H/m 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
r

0
或
r
H

0H

B B0
r 1非磁性材料 r 1磁性材料
9
—— 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
一、磁路
i

u1

u2
线圈
铁心
线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和
漏磁通Φσ 。
13
二、磁路的欧姆定律
对于环形线圈 NIHlBl l
S
NI F l Rm
S
磁路的欧姆定律
说明 F=NI为磁通势 l为磁路的平均长度

chapter磁路与铁心线圈电路-精选文档

磁畴外磁场
磁性物质被磁化。
磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。
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2.磁饱和性磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。
磁感应强度B的大小:
F B Il
磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2 均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。
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2. 磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。
在均匀磁场中 = B S
或 B= /S
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I1 B d l I H d l I H
式中：线(常取磁通作为闭合回线)的线积分； I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。是磁场强度矢量沿任意闭合曲 H d l
2 W / m bV s Ω s H μ 的单位 A / mA mmm
由实验可测得：真空的磁导率为：
7 4 π 10 H/m 0
因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。
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相对磁导率 r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。

磁路与铁心线圈电路课程课件

或
若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻
应由不同的几段串联而成，即
I
右图所示继电器的磁路就是由三段 2
串联
l2
S2
0
1
S0 S1
l1
S1
电工与电子技术基础
例1: 有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为 5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于 0.2cm。设线圈中通有 1A 的电流，如要得到 0.9T 的磁感应强度，试求线圈匝数。
电工与电子技术基础
第六章磁路与铁心线圈电路
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
电工与电子技术基础
6.1 磁路及其分析方法
实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。
B
(3)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。 (记忆元件)
B
H
H
H
电工与电子技术基础
6.1.3 磁路的分析方法 • 为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设
备或电磁元件中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径——磁路。图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。
矫顽磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。
磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。
B
Br• • O •Hc H
•
磁滞回线
电工与电子技术基础
按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：
(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)
B
(2)永磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)

6磁路与铁心线圈电路-1-精选文档

S I
Hx
即有： Φ NI
l
S
F Rm
式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。
2. 磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，
则
此即磁路的欧姆定律。
F Rm
3. 磁路与电路的比较磁路
第6章磁路与铁心线圈电路
本章要求：
1. 理解磁路的基本定律，了解磁性材料的基本知识，会分析交流铁心线圈电路；
2. 了解变压器的基本结构、工作原理；
3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；
4.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。
6.1 磁路及其分析方法
四极直流电机和交流接触器的磁路。磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。
H B r B0 0 0H
当某种物质磁场时某点的磁感应强度B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。
6.1.2 磁性材料的磁性能
磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。
1. 高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (可达102~105量级，磁性材料能被强烈的磁化) 。磁化：当有外磁场作用时，分子电流的磁场偏转，与外磁场方向一致，总磁场大大增强。如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。这种具有铁心的线圈通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。
a 铸铁
b 铸钢
c 硅钢片
4、磁性物质的分类 (1)软磁材料 (2)永磁材料
其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。 (电机、电器及变压器等的铁心)
B H

第6章磁路与铁芯线圈电路-文档资料

再增加，磁感应强度不再线性增加。BH
磁滞特性：磁场强度与磁感应强度不同步。
磁滞回线：
B
Bm
剩磁：
Br
H=0时B的值 H m H c
0
Hm H
矫顽力：
B
Br
Hc
0
H
B=0时H的值
Bm
8
磁性材料的分类
软磁材料：矫顽力较小、磁滞回线较窄的材料。导磁性能好、交流磁损耗小：铸铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体。
I 3.4
XZ2R 26.7 4 28.625 6.1 4
23
6.3 变压器
心式变压器

i1
i2
N1 N2
壳式变压器
i1
N1
i2
N2
24
变压器的主要结构部件
原边：电源侧一次绕组
副边：负载侧二次绕组
变压器铁心－磁路部分
25
变压器各电磁量的参考方向
A
I1 *

U1
E1
电工技术
第六章磁路与铁芯线圈电路
1
第六章磁路与铁心线圈电路
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
2
关于磁路的一些基本概念
磁路：采用磁性材料制成的具有一定形状的导磁通路。磁路与电路的比较：电路：金属铜的电阻率：1.75 ×10-6Ωcm，干燥空气的电阻率：1.015×105Ωcm ，铜的电导率是干燥空气的5.8 ×1010倍；磁路：常用的导磁性能较好的材料，硅钢片相对真空的磁导率倍数：约10000倍。两个倍数之间的倍率：5.8 ×106倍。磁性材料有饱和特性，磁场强度达到一定程度后磁性材料的磁导率大大下降，甚至接近空气的磁导率。结论：磁场比电场更容易从磁路中泄露到周围的空气中。

《磁路与铁芯线圈》课件

交通领域
磁路与铁芯线圈在轨道交通、电动汽车等领域也有着广泛的应用前景。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
设计步骤
选择合适的铁芯材料和尺寸，确定线圈匝数和线径，计算变比和效率，进行优化和调整。
电感器设计实例
电感器设计原理
利用线圈的自感和互感作用，实现储能和滤波功能。
设计步骤
确定线圈匝数、线径和骨架尺寸，选择合适的磁芯材料和形状，计算电感值和品质因数，进行优
化和调整。
应用场景
电源供应器、信号处理电路、通信设备等领域。
铁芯线圈对磁路的影响
线圈的匝数和排布影响磁通路径
线圈的匝数和排布方式决定了磁通量的路径和分布，从而影响磁路的形状和效率。
线圈的电阻影响磁路的稳定性
线圈的电阻对磁路的稳定性有一定影响，过大的电阻会导致磁路不稳定，影响磁路的正常工作。
磁路与铁芯线圈的优化设计
综合考虑磁路和线圈的相互影响
在优化设计过程中，需要综合考虑磁路和线圈的相互影响，通过调整参数实现最佳性能。
磁性材料的轻量化
为了提高设备的便携性和效率，磁性材料正向着轻量化的方向发展。
磁性材料的环保性
随着环保意识的提高，无污染、低能耗的磁性材料成为研究的热点。
铁芯线圈技术的发展趋势
高效能
01
铁芯线圈技术正向着高效能的方向发展，以提高设备的运行效
率和降低能耗。
智能化
02
随着物联网和人工智能技术的发展，铁芯线圈技术正向着智能
运用现代设计方法和软件进行优化
现代设计方法和软件为磁路与铁芯线圈的优化设计提供了有力支持，可以通过仿真和分析来指导实际设计，实现更高效、精确的设计。

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i1

i2 + e2 + –+ u2 e2 – – N2
变压器空载时: I 0 , U U E 4 . 44 fm N 2 2 20 2 2

故有
U E N 1 1 1 K U E N 20 2 2
K为变比（匝比）
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
返回上一页下一页
3. 电流变换 (一次、二次侧电流关系)
返回上一页下一页
2) 额定值额定容量 SN 传送功率的最大能力。单相：S U I U I N 2 N 2 N 1 N 1 N 三相： S 3 U I 3 U I N 2 N 2 N 1 N 1 N
注意：变压器几个功率的关系（单相）容量：S U I N 1 N 1 N

e1
e2
1
e σ1
i2 ( i2N2)
2
e σ2
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2. 电压变换（设加正弦交流电压）一次、二次侧主磁通感应电动势的有效值E1，E2
sin t,则主磁通按正弦规律变化，设为 m d d e N N ( sin t) 1 1 1 m d t d t
第6章磁路与铁心线圈电路
6.3 变压器 1. 变压器功能：电压变换，电流变换，阻抗变换
2. 变压器的额定值：容量、电压、功率、效率
3. 同极性端, 线圈如何连接
返回
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6.3 变压器
6.3.2 变压器的工作原理
铁心
+
i1
N1
Φ
u2
– +
i2
ZL
二次绕组
u1
–
一次绕组
N2
单相变压器
一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。
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2）额定值额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N ，一次侧电压， U2N，二次侧空载时的电压三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压
额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流
结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。
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例1: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800， R0 负载为扬声器，其等效电阻为 + RL=8。要求: （ 1） E – 当RL折算到原边的等效电阻时，求变压器的匝数比和信号 R 信号源 L R 0 源输出的功率；（2）将负载 I 直接与信号源联接时,信号源 N1 输出多大功率？ R0 解: (1) 变压器的匝数比应为： + E – N R 800 1 L K 10 N R 8 2 L
I I 输出功率： P U I cos 2 22 + P2 P2 U 1P1 一次侧输入功率：P 1 – 效率 △P=P1-P2
1
2
+
U 2
–
一般 95% ,负载为额定负载的(50~75)%时，最大。
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6.3.5 变压器绕组的极性
1. 同极性端 ( 同名端 ) 当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。或者说，当铁心中磁通变化时，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。同极性端用“•” A 表示。 X 同极性端和绕组的绕 a 向有关。 x • – + • – +
N N I I 1 1 2 2
I1 N2 1 I2 N1 K
返回上一页下一页
4. 阻抗变换 I1 +
I 2
Z
I 1
U 1
–
U 2
–
+
U 1
–
+
Z
U U 1 2 由图可知： Z Z I1 I2 U KU 2U 2 1 2 2 Z K 2 K Z Z K Z I I I 2 1 2 K
2
2
接入变压器以后，输出功率大大提高。
当RL=R0，电源输出最大功率。电子线路中，常利用变压器将负载阻抗变换为R0。阻抗匹配
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5.变压器的铭牌和技术数据 1）变压器的型号 S J L 1000/10 高压绕组的额定电压(KV) 变压器额定容量(KVA) 铝线圈
J:油浸自冷式冷却方式 F:风冷式 S:三相相数 D:单相
N cos t 1 m E sin ( t 90 ) 1 m
E 4 . 44 f N 1 m 1
E 2 fN 1 m 1 m E 1 2 2
有效值:
d N E s i n ( t 9 0 ) 同理：e 2 2 2 m d t
由于：
+ u1 若U1、 f 不变， – 则 m 基本不变，近于常数。
U E 4 . 44 f N 1 1 m 1
–
i1
Φ
N1
N2
i2
+ +
– –
+
பைடு நூலகம்e1
e 2 u 2 |Z |
空载： i0N 1 m
N i N 有载：i 1 1 2 2 m
N i N i N 磁势平衡式： i 1 1 2 2 0 1≈0
I
RL
N2
+ U 2 –
I 2
RL
返回
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信号源的输出功率：
E 120 P R 800 4 . 5 W L R R 800 800 0 L
2 2
（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：
E 120 P R 8 0 . 176 W L R R 800 8 0 L
E 4 . 44 f N 2 m 2
返回上一页下一页
U R I E E E 1 1 1 σ 1 1 1
U E 4 . 44 f N 1 1 m 1 E RI U E
2 σ2 2 2 2
U E 2 2
+ e– 1 u 1– + –e +σ 1 N1
返回上一页下一页
1. 电磁关系
一次侧接交流电源， + e– 二次侧接负载。 – 1+ u1 e – +σ 1 N1 i1
2 1
i2 + e2 + Z + u2 –e –2 – N2 铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。
u1
i1 ( i1N1)