第3章 磁路与变压器
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3.1 磁路
电工设备中常见的磁路及铁心线圈
铁心
铁
心
S
–
+ N
变压器
绕
组
电机
绕 组
3.1.1 磁性材料的磁性能
磁性材料 : 铁、钴、镍及其合金 等。
非磁性材料 ：
水银、铜、硫、氯、氢、 银、金、 锌、铅、氧、 氮、铝、铂等。
1. 高导磁性
磁性材料 ：
μr>>1高导磁性，在磁场中可被强
烈磁化。
非磁性材料：
μr≈1不能被强烈磁化。
2. 磁饱和性
对磁性物质来说: B与H不成比例关系，随着H的增加，B 增加得有限，趋于饱和。 B－H磁化曲线
对磁性物质来说:
B与H不成比例关系，随着H的增加，B 增加得有限，趋于饱和。
B－H磁化曲线
磁导率μ=B/H，不是一个常数， 随H而变。
对于非磁性材料来说：
（1）B（Φ）正比于H（I）,无磁饱
电路欧姆定律： I E
磁饱和
R
0
空心线圈
F
0
磁通随磁通势变化曲线
（不是常数）
F
铁心线圈
3.2 变压器
变压器的用途
变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应 用非常广泛。 电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。 电子线路：变压器用于改变电压、耦合电路、传送信 号和实现阻抗的匹配等。
还有一些特殊变压器（如：自耦变压器、电流互 感器等）及专用变压器（如：电焊变压器、整流变压 器等）。 分类：按用途分: 电力变压器，特殊用途变压器。
面积S的乘积。
- 标量 单位：Wb 对于均匀磁场 =B•S
（韦[伯]）
3. 磁导率 真空磁导率 0= 410–7 H/m （亨/米）
相对磁导率 r=/0 对于铁磁材料 r=102 105
铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。
4. 磁场强度 H 定义：H=B/ 单位：A/m (安/米)
磁路的欧姆定律
K 2 U2 I2
K 2 Z2
K
结论 Z1 K 2 Z2
负载阻抗
Z2
U2 I2
在电子线路
和通信工程中， 常用变压器来实 现阻抗的匹配。
3.2.3 额定值
（1） 额定容量（VA、KVA） 单相变压器 SN U1N I1N U2N I2N 三相变压器 SN 3U1N I1N 3U2N I2N
和现象。
（2）μ = B = tgα为一常数，μ不随 H
H（I）的变化而变化。
3. 磁滞性
B的变化滞后于H的变化，故名磁滞特性。
（1）当电流I＝0（H＝0）时，即铁心 中当外磁场为零时，仍保留部分磁性， 此时的B2称为剩磁 。
（2）若使B＝0，则应继续加反向电流 （反向磁场）到达3点，此时将B＝0的H 值，即H3值称为矫顽力H3。
1. 磁感应强度B(磁通密度)：是表示磁场内某
点的磁场强弱和方向的物理量。
大小: B F Il
（该点磁场作用于1米长、1安电流的导体上的力）
方向：与电流之间用右螺旋定则确定。
单位： T （特[斯拉]）
均匀磁场 — 磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。
2. 磁通 等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的
（2）额定电压（V、KV） U1N 原绕组的额定电压。 U2N 原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。 三相变压器为线电压。
（3）额定电流（A）
I1N 原绕组的额定电流。 I2N 副绕组的额定电流。 三相变压器为线电流。 例: 5.1 某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝， N2=30匝，接有阻抗为16扬声器（匹配），现要改接 成4扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？
I1
K
I2
解：原变比
ZO Z1
+ –E
K N1 600 20
16
N2 30
（3）表示B与H的变化关系的闭合曲线 称为磁滞回线，即B的变化滞后于H的变 化。
4. 磁滞的作用：
1）铁心反复磁化所具有的磁滞现象将产 生热量，并耗散掉，称为磁滞损耗，其 大小与磁滞回线的面积成正比。
2）根据磁滞回线面积的大小，又可继续 将磁性材料分为三类：软磁材料，永磁 材料，矩磁材料。
3.1.2 磁路的概念
线圈
壳式变压器
心式变压器
同心式绕组 交叠式绕组
低压绕组 高压绕组
低压绕组 高压绕组
3.2.1 变压器的工作原理
原绕组
i1
主磁通
副绕组 i2
+
u1
–
e1 e1
NN
1
2
e2 e2
–
u2 ZL
+
1
2
变压器原理示意图
u i1( N1i1 )
→ 1 → e1
Φ
e1 e2
i2( N2i2 ) - → 2 → e2
按相数分: 单相、三相和多相变压器。 按结构分: 心式变压器、壳式变压器。 按冷却方式分: 自冷变压器、油冷变压器。
变压器的基本结构
变压器主 变压器铁心: 硅钢片叠压而成
要组成部 变压器绕组: 原边(一次线圈、高压绕组)
分
副边(二次线圈、低压绕组)
其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等
线圈
铁心
铁心
I
+
U
N
–
铁心磁路
磁通势：F=NI 单位A(安）
磁路磁阻：Rm
l
S
l - 磁路长度, S - 磁路截面积
单位H-1(每亨）
磁路欧姆 定律：
Φ F Rm
磁路与电路各物理量的对应关系
磁路
电路
磁通势：F
磁通:
l
磁路磁阻： Rm S 磁路欧姆定律： F
Rm
电动势：E
电流: I
电路电阻: R l
rS
变压器变比 变压器带载工作时
—UU2–10 = –NN—21 = K
UU—12 – ≈ –NN—21 = K
2. 电流变换
i1
+
u1
–
e1 e1
N1 N2
变压器接负载：
i2
变压器接负
–
载后,副边磁势
e2 e2
u2
+
ZL
也产生磁通,主
磁通 为合成
磁通。
∵U1≈E1 = 4.44 f N1 m 电源电压U1没有变
变压器符号
1. 电压变换
变压器空载：
U1 - E1 I1R1 - Eσ1
i1
+
u1
–
e1 e1
N1 N2
–
e2 u20
+
U1 - E1
E1 = 4.44 f N1 m
U 20 E 2
E2 = 4.44 f N2 m
U 1 U 20
- E1 E 2
—UU2–10= –EE—12 = –44—..4444–—ff NN–12—–mm = –NN—12
∴变压器接负载后,主磁通 m 不变。
N1I1 N 2 I2 N1I0
N1I1 N2I2 （0 空载电流很小）
N1I1 - N 2I2
有效值 N1I1= N2 I2
结论
I1 N2 1 I 2 N1 K
3. 阻抗变换 I•1
Z1
+
U• 1
–
K
I•2
–
来自百度文库
U• 2
Z2
+
Z1
U1 I1
KU 2 I2
电工设备中常见的磁路及铁心线圈
铁心
铁
心
S
–
+ N
变压器
绕
组
电机
绕 组
3.1.1 磁性材料的磁性能
磁性材料 : 铁、钴、镍及其合金 等。
非磁性材料 ：
水银、铜、硫、氯、氢、 银、金、 锌、铅、氧、 氮、铝、铂等。
1. 高导磁性
磁性材料 ：
μr>>1高导磁性，在磁场中可被强
烈磁化。
非磁性材料：
μr≈1不能被强烈磁化。
2. 磁饱和性
对磁性物质来说: B与H不成比例关系，随着H的增加，B 增加得有限，趋于饱和。 B－H磁化曲线
对磁性物质来说:
B与H不成比例关系，随着H的增加，B 增加得有限，趋于饱和。
B－H磁化曲线
磁导率μ=B/H，不是一个常数， 随H而变。
对于非磁性材料来说：
（1）B（Φ）正比于H（I）,无磁饱
电路欧姆定律： I E
磁饱和
R
0
空心线圈
F
0
磁通随磁通势变化曲线
（不是常数）
F
铁心线圈
3.2 变压器
变压器的用途
变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应 用非常广泛。 电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。 电子线路：变压器用于改变电压、耦合电路、传送信 号和实现阻抗的匹配等。
还有一些特殊变压器（如：自耦变压器、电流互 感器等）及专用变压器（如：电焊变压器、整流变压 器等）。 分类：按用途分: 电力变压器，特殊用途变压器。
面积S的乘积。
- 标量 单位：Wb 对于均匀磁场 =B•S
（韦[伯]）
3. 磁导率 真空磁导率 0= 410–7 H/m （亨/米）
相对磁导率 r=/0 对于铁磁材料 r=102 105
铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。
4. 磁场强度 H 定义：H=B/ 单位：A/m (安/米)
磁路的欧姆定律
K 2 U2 I2
K 2 Z2
K
结论 Z1 K 2 Z2
负载阻抗
Z2
U2 I2
在电子线路
和通信工程中， 常用变压器来实 现阻抗的匹配。
3.2.3 额定值
（1） 额定容量（VA、KVA） 单相变压器 SN U1N I1N U2N I2N 三相变压器 SN 3U1N I1N 3U2N I2N
和现象。
（2）μ = B = tgα为一常数，μ不随 H
H（I）的变化而变化。
3. 磁滞性
B的变化滞后于H的变化，故名磁滞特性。
（1）当电流I＝0（H＝0）时，即铁心 中当外磁场为零时，仍保留部分磁性， 此时的B2称为剩磁 。
（2）若使B＝0，则应继续加反向电流 （反向磁场）到达3点，此时将B＝0的H 值，即H3值称为矫顽力H3。
1. 磁感应强度B(磁通密度)：是表示磁场内某
点的磁场强弱和方向的物理量。
大小: B F Il
（该点磁场作用于1米长、1安电流的导体上的力）
方向：与电流之间用右螺旋定则确定。
单位： T （特[斯拉]）
均匀磁场 — 磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。
2. 磁通 等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的
（2）额定电压（V、KV） U1N 原绕组的额定电压。 U2N 原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。 三相变压器为线电压。
（3）额定电流（A）
I1N 原绕组的额定电流。 I2N 副绕组的额定电流。 三相变压器为线电流。 例: 5.1 某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝， N2=30匝，接有阻抗为16扬声器（匹配），现要改接 成4扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？
I1
K
I2
解：原变比
ZO Z1
+ –E
K N1 600 20
16
N2 30
（3）表示B与H的变化关系的闭合曲线 称为磁滞回线，即B的变化滞后于H的变 化。
4. 磁滞的作用：
1）铁心反复磁化所具有的磁滞现象将产 生热量，并耗散掉，称为磁滞损耗，其 大小与磁滞回线的面积成正比。
2）根据磁滞回线面积的大小，又可继续 将磁性材料分为三类：软磁材料，永磁 材料，矩磁材料。
3.1.2 磁路的概念
线圈
壳式变压器
心式变压器
同心式绕组 交叠式绕组
低压绕组 高压绕组
低压绕组 高压绕组
3.2.1 变压器的工作原理
原绕组
i1
主磁通
副绕组 i2
+
u1
–
e1 e1
NN
1
2
e2 e2
–
u2 ZL
+
1
2
变压器原理示意图
u i1( N1i1 )
→ 1 → e1
Φ
e1 e2
i2( N2i2 ) - → 2 → e2
按相数分: 单相、三相和多相变压器。 按结构分: 心式变压器、壳式变压器。 按冷却方式分: 自冷变压器、油冷变压器。
变压器的基本结构
变压器主 变压器铁心: 硅钢片叠压而成
要组成部 变压器绕组: 原边(一次线圈、高压绕组)
分
副边(二次线圈、低压绕组)
其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等
线圈
铁心
铁心
I
+
U
N
–
铁心磁路
磁通势：F=NI 单位A(安）
磁路磁阻：Rm
l
S
l - 磁路长度, S - 磁路截面积
单位H-1(每亨）
磁路欧姆 定律：
Φ F Rm
磁路与电路各物理量的对应关系
磁路
电路
磁通势：F
磁通:
l
磁路磁阻： Rm S 磁路欧姆定律： F
Rm
电动势：E
电流: I
电路电阻: R l
rS
变压器变比 变压器带载工作时
—UU2–10 = –NN—21 = K
UU—12 – ≈ –NN—21 = K
2. 电流变换
i1
+
u1
–
e1 e1
N1 N2
变压器接负载：
i2
变压器接负
–
载后,副边磁势
e2 e2
u2
+
ZL
也产生磁通,主
磁通 为合成
磁通。
∵U1≈E1 = 4.44 f N1 m 电源电压U1没有变
变压器符号
1. 电压变换
变压器空载：
U1 - E1 I1R1 - Eσ1
i1
+
u1
–
e1 e1
N1 N2
–
e2 u20
+
U1 - E1
E1 = 4.44 f N1 m
U 20 E 2
E2 = 4.44 f N2 m
U 1 U 20
- E1 E 2
—UU2–10= –EE—12 = –44—..4444–—ff NN–12—–mm = –NN—12
∴变压器接负载后,主磁通 m 不变。
N1I1 N 2 I2 N1I0
N1I1 N2I2 （0 空载电流很小）
N1I1 - N 2I2
有效值 N1I1= N2 I2
结论
I1 N2 1 I 2 N1 K
3. 阻抗变换 I•1
Z1
+
U• 1
–
K
I•2
–
来自百度文库
U• 2
Z2
+
Z1
U1 I1
KU 2 I2