第七章磁路及变压器

第七章磁路及变压器

［教学目标］

1、了解磁路的基本知识，铁磁材料主要特性、分类及磁路欧姆定律。

2、了解变压器的基本结构、工作原理及主要参数。

3、掌握变压器变换电压、变换电流、变换阻抗的作用。

4、了解几种特殊用途变压器的特点及应用。

7.1磁路的基本知识

在工程实践中，广泛地应用着机电能量变换的器件和设备，如电动机、变压器及电

工仪表等，它们都是利用电磁现象的规律制成的。因此，研究磁与电之间的关系，掌握

磁路十分有用。

磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适用于磁

路。

7.1.1 磁路的概念

磁路就是磁通的路径。磁路实质上是局限在一定路径内的磁场。工程上为

了得到较强的磁场并有效的加以运用，常采用导磁性能良好的铁磁物质作成一定形状的

铁心，以便使磁场集中分布于由铁心构成的闭合路径内，这种磁场通路才是我们要分析

的磁路。很多电工设备，如变压器、电机、电器和电工仪表等，在工作时都要有磁场参

与作用。常见的磁路如图7-1-1所示，磁路中的磁通由励磁线圈中的励磁电流产生，经

过铁心和空气隙而闭合，如图7-1-1(a)、(b);也可由永久磁铁产生，如图7-1-1(c)。磁路中可以有空气隙，如图7-1-1(b)、(c);也可以没有空气隙，如图

(a)变压器(b)电磁铁

图7-1-1常见电气设备的磁路

7.1.2磁场的主要物理量

表示磁场特性的主要物理量包括磁感应强度、磁通、磁场强度和磁导率。

7-1-

1(a)。

(c)磁电式电表

1、磁场强度

磁场强度H 是一个用来确定磁场与电流之间关系的矢量，满足安培环流定律：

:Hdl NI

（7-1-1）

其中N 为线圈匝数 丄 为磁路的平均长度；在国际单位制中，磁场强度的单位是 A/m （安每米）。

2、磁感应强度

磁感应强度 B 是一个表示磁场内某点的磁场强弱和方向的矢量，其方向可用小磁 针N 极在磁场中某点的指向确定，磁针 N 极的指向就是磁场的方向。在磁场中某点放

一个长度为1，电流为 I 并与磁场方向垂直的导体，如果导体所受的电磁力为

F,则该

点磁感应强度的量值为

B

£。在国际单位制中，

磁感应强度的单位为

T

（特斯拉）。

如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相冋

，这样的磁场称为均匀磁场。

3、磁通

在均匀磁场中，右垂直于磁场方向的面积为

S,则通过该面积的磁通

Q=BS 或 B

§

(7-1-2) 式中B 为磁感应强度， 又称为磁通密度， 在国际单位制中， 磁通的单位是伏

秒(V-S),

通常称为韦伯（Wb ）。

4、磁导率

处在磁场中的任何物质均会或多或少地影响磁场的强弱， 影响的程度则与该物质的

导磁性能有关。磁导率

与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即

B H

（ 7-1-3）

磁导率

的国际单位制单位为 H/m （亨每米）。

通过实验可测出，真空的磁导率

4

10 7 H m

(7-1-4)

非磁性材料中 0，即r

1，磁性材料中

0，即r

1 。

7.1.3铁磁材料

磁性材料的相对磁导率很大， 具有高导磁、磁饱和以及磁滞等磁性能，

是制造电机、

变压器和电器设备铁心的主要材料。

任意一种物质的磁导率

r ,即卩

与真空的磁导率 o

的比值，称为该物质的相对磁导率

1高导磁性

铁磁材料被放人磁场内，其内部的磁感应强度大大增强，即铁磁材料受到强烈的磁化，其导磁率很高（可达102〜104数量级）。磁感应强度 B随磁场强度H变化的曲

线为磁化曲线，如图 7-1-2所示。可见磁化曲线是非线性曲线，所以铁磁性物质的不是常数。

fl (A

图7-1-2 磁化曲线

2、磁饱和性

铁磁材料的磁饱和性体现在因磁化所产生的磁感应强度 B J不会随外磁场的增强而

无限的增强。当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，其内部所有的磁畴已基本上转向与外磁场一致的方向。因而，当外部磁场再增大时，其磁化磁感应强度B J不再继续

增加，如图7-1-3所示。

图7-1-3 B~H曲线

从图7-1-3所示铁磁材料的磁化曲线 B — f （H）可知，该曲线经过原点，在 oa 段，B随 H 近似线性增加；在 ab段，B增长趋势缓慢下来； b点以后，B增加的很少，达到饱和状态。由于铁磁材料的磁化率不是常数，B和H的关系是非线性的，

无法用准确的数学表达式表示，只能用B〜H曲线（即磁化曲线）表示。图7-1-2为使用实验方法，在反复磁化的情况下测得的几种常见铁磁材料的磁化曲线。

3、磁滞性

磁滞性表现在铁磁材料在交变磁场中反复磁化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强

度的变化。当铁磁材料被磁化，磁场强度H由零增加到某值（H=+H m）后，如果再减

少H，此时B并不沿着原来的曲线返回，而是沿着位于其上部的另一条曲线减弱，如图7-1-4所示。当H=0时，B=Br，Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。只有当 H反方向变化到-Hc时，B才下降到零，He称为矫顽力。由此可见，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。图7-1-4所示的回线表现了铁磁材料的

磁滞性，故称为磁滞回线。磁滞性是由于分子热运动所产生的。

图7-1-4 磁滞回线

4、铁磁性物质的分类和用途

依据各种铁磁材料具有不同的磁滞回线，其剩磁及矫顽力各不相同的特性，磁性材料通常可以分成三种类型，各具有不同的用途。

1）软磁材料

软磁材料比较容易磁化，当外磁场消失后，磁性大都消失。反映在磁滞回线上是剩磁和矫顽磁力均较小，磁滞回线窄而陡，包围的面积较小，磁滞损耗小，磁导率高。软磁材料适用于交变磁场或要求剩磁特别小的场合。一般用来制造电机、变压器和各种电

器的铁心，如灵敏继电器、接触器、磁放大器等。软磁材料中的铁氧体在电子技术中应

用很广泛，例如做计算机的磁心、磁鼓及录音设备的磁带、磁头、高频磁路中的铁心、滤波器、脉冲变压器等。

2）硬磁材料

硬磁材料的特点是，必须用较强的外磁场才能使它磁化，但是一经磁后，能保留很

大的剩磁。反映在磁滞回线上是具有较高的剩磁和较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。硬

磁材料适用于制造永久磁铁及磁电式仪表和各种扬声器及小型直流电机中的永磁铁心等。

3）矩磁材料

该种铁磁性物质具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，所以又称

之为矩磁材料。该种材料稳定性良好且易于迅速翻转。矩磁材料常用来制造计算机和控