电工基础(变压器)

第 5 章 磁路与变压器

5.1磁路的基本概念

一、铁磁材料

铁磁材料：能被磁化的的材料。

例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物。

铁心：由铁磁材料制成。

磁畴：铁心自身存在的自然磁性小区域。

注意：在没有外磁场作用时，磁畴的方向杂乱无章，宏观不显磁性。

图5.1 磁畴和铁心的磁化

磁化：在一定强度外磁场的作用下，磁畴将沿外磁场方向趋向规则排列，产生附加磁场，使

通电线圈的磁场显著增强。

图5.2磁化过程

直线1 表示空心线圈的情况；曲线2 表示线圈放入铁心的情况。

磁化过程说明：

直线1: I 与Φ成正比且增加率较小

曲线2 (磁化曲线): OA 段大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列，Φ与I 成正比且增加

率较大；AB 段所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列，铁心磁场从未饱和

状态过渡到饱和状态；B 点以后称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限。

二、磁导率µ：表征各种材料导磁能力的物理量

真空中的磁导率(µ0 )为常数 （亨/米）

一般材料的磁导率µ和真空中的磁导率µ0之比，称为这种材料的相对磁导率µr

7010π4-⨯=μ

，则称为铁磁材料

，则称为非铁磁材料

三、磁滞现象

磁滞：铁心线圈通入交流电，铁心中的磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。由于磁畴本身存在“惯性”，使得磁通的变化滞后电流的变化。

磁滞损耗：为外磁场不断克服磁畴的“惯性”消耗的能量。磁滞损耗是铁心发热的原因之一。铁磁材料的磁性能：1、高导磁性2、磁饱和性3、磁滞性

软磁材料硬磁材料

矩磁材料

图5.3铁磁材料的磁滞回线

根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、硬磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。

四、磁路

线圈通入电流后，产生磁通，分主

磁通和漏磁通。

：主磁通

：漏磁通

图5.4交流铁心线圈电路

磁路：主磁通所经过的闭合路径。

磁路和电路的比较:

μ

μ

μ=

r

1

〉〉

r

μ

1

≈

r

μ

Φ

s

Φ

五、涡流

交变的磁通穿过铁心导体时，在其内部产生的旋涡状的电流。

(a)整块铁心 (b)有硅钢片叠成的铁心

图5.4涡流

涡流会使铁心发热并消耗能量，为了减小涡流损耗，铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片

叠成。

5.2 交流铁心线圈电路

交流激励

线圈中产生感应电势

电路方程：

一般情况下u R 很小，漏磁通σΦ很小 ：主磁通 ：漏磁通

图5.5交流铁心电路

和 产生的感应电势分别为e l 和e σ

∴

假设 则

最大值 dt d d d )()(σσΦ++=-+-+=N t ΦN Ri e e u u l R t ΦN u d d ≈ΦσΦ

ΦσΦt Φ

m ωsin =Φt fN Φt N Φu m m ωωωcos π2cos =⋅≈m

m fN ΦU π2=m m fN ΦU U 44.42

≈=

有效值

N—线圈匝数；f —电源频率；—铁心中交变磁通的幅值

例1、有一个铁心线圈接在交流220V、50Hz的交流电源上，铁心中磁通的最大值为0.001Wb，问铁心上的线圈至少应绕多少匝？

解U≈4.44fNΦm

有

若铁心中的线圈只绕了100匝，线圈通电后会产生什么后果？

结果是线圈通电后会烧坏——由于磁通最大值远远超过了规定的最大值，对应线圈中的电流远远超过正常值。

5.3 变压器

变压器功能：

变电压：电力系统

变电流：电流互感器

变阻抗：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）

二、变压器的工作原理

1. 空载运行原边接入电源，副边开路。

接上交流电源原边通过的空载电流为i10 i10 产生工作磁通

产生感应电动势（方向符合右手定则）

图5.6变压器的空载运行

原、副边电压关系

根据交流磁路的分析可得：

m

Φ

匝

991

001

.0

50

44

.4

220

44

.4

=

⨯

⨯

=

Φ

≈

m

f

U

N

1

u t

m

ω

sin

Φ

=

Φ

Φ

N

e

Φ

N

e

d

d

2

2

1

1

-

=

-

=Φ

、

e

m

m

Φ

N

f

E

Φ

N

f

E

2

2

1

1

44

.4

44

.4

≈

≈

1

1

E

U≈