变压器和电动机

N1 I1 N2 I 2
当U、f、N1不变时，交流磁路中主磁通Φm基本不变，即空载时的磁通
势和负载时合成磁通势应相等，即



N1I1N2I2 N1I0
由此得

I1


I0
N2

I2
N1
一般空载电流i0很小，仅占额定电流的百分之几，可忽略，则得

I1


N2

I2
N1
即
I1

N2 N1
I2
在直流磁路中
励磁电流I，由电源电压U和线圈电阻R决定， 与磁路磁阻无关。 磁阻增加时，磁通减小，但励磁电流不变。
I + UN -
iN +ue -+
Φ lμ
Φ' H0
l0
A
Hμ
Φ
Φ' e'
在交流磁路中
f、N一定时，磁通由外加电压U决定，与磁阻无关；即U一定时，磁阻 变化时，磁通不变。 励磁电流I，与磁阻有关，当磁阻增加时，励磁电流I增加。
另外：直流磁路中无涡流损耗，交流磁路中有涡流损耗。
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11
9.2 变压器
主要内容
9.2.1 变压器的用途和基本结构 9.2.2 变压器的工作原理 9.2.3 变压器的特性和额定值 9.2.4 自耦变压器及仪用互感器
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9.2.1 变压器的用途和基本结构
U 1E 14.44fN 1 m U 2 U20 E2 N2
k称为变压比，简称变比
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15
9.2.2 变压器的工作原理
1. 变压器的电压变换作用
U1 E1 N1 k U20 E2 N2
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9.2.1 变压器的用途和基本结构
2. 变压器结构 变压器由铁心和绕组两部分组成：
绕组：分为一次绕组和二次绕组。一次绕组作用
是励磁，即使电流产生磁场；二次绕组的作用是将 交变磁场转换为电动势。
铁心：聚集磁场，以便用较小的电流产生较大的
磁场。为减小涡流铁心常用表面涂有绝缘漆膜、厚度 为0.35mm的硅钢片经冲剪、叠制而成。
结论
k简称变比
1 +
i0N1•
-
u1
-
e1
+
2
Φ
Φ' e'
N2 3
+
+
e- 2
•
u20
4
① 变压器可以把某一数值的交流电压变换成同频率的另一电压。
② 当N1>N2时，U1>U2，k>1，称为降压变压器，一次绕级为高压绕组。 ③ 当N1<N2时，U1<U2，k<1，称为升压变压器，二次绕组为高压绕组。 ④ 一次、二次绕组之间没有电的连接，靠磁耦合和电磁感应作用，使二次
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7
9.1.2 简单磁路分析
直流磁路分析，因为 H B

B A
I
H d l H l H 0 l0 N I
N
所以
BB
l 0 l0 NI
即

Al 0Al0 NI
Φ
lμ
Φ' H0
l0
Hμ
A
故
NI l l0
e1
+
Φ
Φ' e'
二次绕组匝数为N2，空载电压为u20。
N2
+
+
e- 2
u20
-
一次绕组KVL为 u1e1e1'R1i0 二次绕组KVL为 u 20 e2
忽略铁心的磁饱和性、磁滞性产生的电流、电动势波形的畸变，用
相量表示为



U1E1E1'R1I0


U 20 E20
根据交流磁路电压有效值与磁通的关系，得
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4
9.1.1 铁磁材料的磁性能
（3）磁滞回线
H
铁磁材料在反复磁化过程中形成的闭
B
合曲线，称为磁滞回线，如图
Br称为剩磁感应强度，简称剩磁；HC称为矫顽力；
B
Br -Hm -HC
0
磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，这种 现象称为磁滞现象，即铁磁材料具有磁滞性。
H +Hm
B H
注意：
不同的铁磁材料的磁滞回线形状是不同的。
软磁材料
B
剩磁Br低，矫顽力HC小，磁滞回线窄，称为软磁材料。如纯铁、 硅钢、坡莫合金。用于制造变压器、电机、电器的铁心等。
剩磁Br高，矫顽力HC大，磁滞回线较宽，称为硬磁材料或永磁 材料。如炭钢、铝镍钴、稀土等。制造永久磁铁。
剩磁高Br，矫顽力HC小，称为矩磁材料。用于记忆元件。
动势，因而在垂直于磁感应线的平面上产生感应电流，它
围绕着磁感应线成漩涡状流动，故称为涡流。如图
Φ
涡流在铁心的电阻上引起功率损耗，称为涡流损耗。
减小涡流损耗的方法是：铁心用硅钢片叠成，如图。
磁滞损耗和涡流损耗合称为铁损（耗）。
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9.1.2 简单磁路分析
1. 直流磁路
U2
L
•-

U1
-
ZL'

ZL
'
U

1
I1
因为

I1


1

I
2
k


U1 kU2

ZL

U

2
I2
所以



ZL'U I1 1 k1U I2 2
kU 2 1U2
k2ZL(N N1 2)2ZL=k2ZL
k
kZL
可见，二次绕组负载为ZL时，对一次侧而言，等效阻抗ZL'等于ZL
绕组产生交流电压，即一次、二次绕级在电路上是相互隔离的。
变压器的符号图
Tr
+
•
u1 N1
-
+ N2 u2
•-
同名端
在变压器的绕组中，把具有相同瞬时极性的端点， 称为同极性端，简称同名端。通常用“•”用标记。 图中1、4端为同名端。
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9.2.2 变压器的工作原理
律，磁通势NI和线圈中的电流必然增大。
因此，在交流磁路中，当U、f、N不变时，空气隙大小发生变化时，
会引起线圈电流的变化。
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10
9.1.2 简单磁路分析
3. 交、直流磁路比较
磁路欧姆定律 N I
Rm
交流磁路外加电 压与磁通关系
UE4.44fN m
变压器和电动机
主要内容
9.1 磁路 9.2 变压器 9.3 异步电动机 9.4 直流电动机 9.5 控制电动机
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1
9.1 磁 路
主要内容
9.1.1 铁磁材料的磁性能 9.1.2 简单磁路分析
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2
磁路概述
1. 学习磁路的必要性
铁心的形状，决定磁路形状。
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3
9.1.1 铁磁材料的磁性能
1. 磁化曲线和磁滞回线
（1）磁化曲线
铁磁材料放入磁场强度为H的磁场内，会被磁化， 当磁场强度H由零逐渐增加时，磁感应强度B随之变化 的曲线，称为磁化曲线。如图
把B=f(H)称为磁化曲线；它具有磁饱和性。
如图，在匝数为N的励磁线圈中通入直流电流I，磁路中就会产生一
个恒定磁通Φ，这种具有恒定磁通的磁路称为直流磁路。
在磁路中：
Φ
Φ为主磁通；Φ'为漏磁通；
I
lμ
铁心中磁路长度为lμ，磁场强度为Hμ； 空气隙长度为l0，空气隙中磁场强度为H0； 空气隙和铁心截面积可认为近似相等为A；
N
Φ' H0
l0
Hμ
空气隙和铁心的磁感应强度均为B；
NI Rm Rm0
A 0A
其中
Rm

l A
称为铁心的磁阻
Rm0

l0 0A
称为空气隙的磁阻
则 注意：
NI
Rm
NI是产生磁通的磁化力，称为磁动势。
称为磁路欧姆定律，∑Rm称为总磁阻。
由于磁阻Rm不是常数，磁路欧姆定律只能定性分析磁路； 虽然空气隙很小，但μ0<<μ，所以Rm0很大，磁压降Rm0Φ也很大。
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9.1.2 简单磁路分析
2. 交流磁路
N
Φ
如图，在匝数为N的励磁线圈上外加正弦交流电
i
压u，绕组中将流过交流电流i，产生交变磁通Φ， + -
这种具有交变磁通的磁路称为交流磁路。
ue -+
+-Φe''
在磁路中：
Φ为主磁通；Φ'为漏磁通；
由KVL得
主磁通产生的感应电动势为e；
1. 变压器的用途
变压器具有变换电压、变换电流、变换阻抗的作用。 电力变压器：用于电力输送；采用高压输电会降低线路损耗，提高输电 效率。我国主干线路采用500kV高压输电（1000kV已用于部分干线）。 电源变压器：各种电子设备的电源。
常用的变压器有：
电力变压器、整流变压器、振荡变压器、输 入变压器、输出变压器、脉冲变压器、控制变 压器、自耦变压器、仪用互感器等。
2. 变压器的电流变换作用
Φ为主磁通；Φ'为漏磁通；
+
i1N1
-
i1为一次电流，i2为二次电流； ZL为负载；
u1
-
+e1
Φ
Φ' e'
N2
+ i2
+
e- 2
u2
ZL
-


接上负载后，铁心中的主磁通由磁通势 N 1 I 1 和 N 2 I 2 共同产生。在图
示参考方向下，两磁动势产生的磁通方向相同，故合成磁通势为：
根据结构分为：心式变压器和壳式变压器。如图
绕组
铁心
心式变压器
三相心式变压器
心式变压器
壳式变压器
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9.2.2 变压器的工作原理
1. 变压器的电压变换作用
Φ为主磁通；Φ'为漏磁通；
i0N1
+-
i0为励磁电流，也称空载电流；
u1
一次绕组匝数为N1，电压为u1，电阻为R1； -
其中 E mN m2fN m 则有 EE 2 m2fN 2 m4.44fN m
E的单位为伏（V）；f的单位为赫兹（HZ）；Φ的单位为韦伯（Wb）
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9.1.2 简单磁路分析
2. 交流磁路 uee'Ri msint
uee'Ri
漏磁通产生的感应电动势为e'； 线圈电阻为R，压降为Ri。
设主磁通为正弦交变磁通
msint
根据电磁感应定律，在e与Φ符合右手螺旋定则时，有
e N d d t N d m d s t i n t N m s i n (t 2 ) E m s i n (t 2 )
H
硬磁材料
B H
矩磁材料
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9.1.1 铁磁材料的磁性能
2. 磁滞损耗与涡流损耗
（1）磁滞损耗
磁滞现象使铁磁材料在交变磁化的过程中，产生的损耗称为磁滞损耗。它
是由物质内分子反复取向所产生的功率损耗。软磁材料的磁滞损耗较小。
（2）涡流损耗
Φ
i
当整块铁心中的磁通发生交变时，铁心中会产生感应电
e
Emsin(t
)
2
E4.44fN
+ u
N i
e
实际上Ri和e'均很小，KVL可近似为 ue - +
Φ
Φ' e'
即，外加电压u和主磁通产生的感应电动势e相平衡，有效值为
UE4.44fN m
可见
NI
Rm
当电源频率f和线圈匝数N不变时，主磁通Φm与外加电压U成正比关 系，即，U不变则Φm基本不变。 当U一定时，若磁路中空气隙增加，磁阻会增加，根据磁路欧姆定
A
全电流定律（安培环路定律）为
Hdl I
即，在闭合曲线上，磁场强度矢量H沿整个回路l的线积分，等于穿 过该闭合曲线所围面内电流的代数和。电流方向与绕行方向符合右手 螺旋定则的电流为正、反之为负。
根据安培环路定律，取一磁场线作为闭合路径及循环方向，则
H d l H l H 0 l0 N I
的k2倍，这就是变压器的阻抗变换作用。
电子技术中利用变压器的阻抗变换作用实现阻抗匹配的目的。
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9.2.2 变压器的工作原理
H B B
（2）磁导率曲线
在磁化曲线上任一点的B和H 之比，称为磁导率μ。即
B H
0
H
把μ=f(H)称为磁导率曲线，铁磁材料的磁导率是非线性的。如图
注意：
不同的铁磁材料磁化曲线、磁导率及磁导率曲线是不同的； 同一铁磁材料，H不同磁导率是不同的，即磁导率曲线是非线性的； 铁磁材料的磁导率远大于非铁磁材料，两者之比约为103~104倍。 真空的磁导率为μ0=4π×10-7H/m。

1 k
I2
故得
I1 N 2 1 I2 N1 k
即一次、二次电流有效值与匝数成反比，这就是变流作用。
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9.2.2 变压器的工作原理
3. 变压器的阻抗变换作用

I1

I2

I1
设变压器负载阻抗为ZL，则一 +
•
+
+
次端等效阻抗为ZL'，即

U1 -
Z
变压器、电动机、以及许多电器和电工仪表都是以电磁感应为工作基
础的，工作时都会产生磁场。所以了解磁路的特性是很有必要的。
2. 磁路
iN
Φ
磁通经过的闭合路径称为磁路。
+ u
磁路主要由高磁导率的铁磁材料和空气隙构成。 -
3. 铁心
用铁磁材料做成一定形状，目的是把
磁场聚集在一定的空间范围内，形成磁路，
以便加以控制和利用，这就是铁心。