电工电子技术第三章

第3章 磁路与变压器
3.1 磁路的基本知识 3.2 交流铁心线圈电路 3.3 单相变压器 3.4特殊变压器
3.1 磁路的基本知识
电流产生磁场，磁场变化或运动又产生感应电动势。在大 多数情况下，电气设备的磁场都是由电流来产生的，并且利用 铁磁性材料将磁场集中在一定的范围内，形成磁路。
3.1.1 磁场的基本物理量
磁性材料，如铁、钴、镍及其合金，它们的导磁能力很强， 它们的磁导率可以是真空磁导率μ0的数百、数千乃至数万倍， 而且不是一个常数。 各种材料的磁导率通常用真空磁导率μ0的倍数表示，称为相对 磁导率μr，即
r 0
4. 磁场强度H 同一通电线圈内的磁场强弱（用磁感应强度B来表征），
不仅与所同电流的大小有关，而且与线圈内磁场介质的导磁性 能有关。
U≈E=4.44ƒNΦm=4.44ƒNBmS
对于交流铁心线圈来讲，当电压、频率、线圈匝数一定 时，Φm基本保持不变，即交流铁心线圈具有恒磁通特性。
3.2.3 功率损耗
与直流线圈不同，交流铁心线圈的功率损耗除了有铜损，还 有由于铁心的交变磁化作用产生的铁损。 所以，交流铁心线圈 功率损耗为:
P = UIcosφ=RI2+ΔPFe
铜损是由于铁心线圈有电阻R，电流通过时产生的热损耗。 铁损是由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成，是线圈通以交 流电时线圈交变磁化时的铁心损耗。
3.3 单相变压器
3.3.1 变压器的基本结构
1. 变压器的用途和种类
变压器是一种常见的电气设备，其主要功能是将某一电 压值的交流电能，转换为同频率的另一电压值的交流电能。
软磁材料
硬磁材料
矩磁性材料
3.2 交流铁心线圈电路
直流铁心线圈的励磁电流是直流电流，铁心中产生的磁通 是恒定的，在线圈和铁心中不会产生感应电动势，其损耗仅仅 是电流通过线圈作功的热损耗。交流铁心线圈的励磁电流是交 流电流，铁心中产生的磁通是交变的，在线圈和铁心中会产生 感应电动势，存在着电磁关系、电压和电流关系以及功率损耗 等问题。
3.2.1 电磁关系
上图是交流铁心线圈的电路图。由于主磁通Φ是流经铁心 的，铁心的磁导率μ是随磁场强度H而变化的，所以铁心线圈 的励磁电流i和主磁通Φ不呈线性关系；而漏磁通Φσ不流经铁 心，其漏磁电感Lσ可近似是个定值，所以励磁电流i和漏磁通 Φσ呈线性关系。
3.2.2 电压电流关系
交流铁心线圈电路中的电压电流关系较为复杂，经过电磁 感应定律和基尔霍夫定律推导以及分析，可得出以下关系式
变压器的种类很多，常用的有：输配电用的电力变压器； 电解用的整流变压器；实验用的调压变压器；电子线路中的输 入、输出变压器等。虽然变压器种类很多，结构上也各有特点， 但它们的基本结构和工作原理是类似的。
2. 变压器的基本构造 变压器主要由铁心和线圈(也叫绕组)两部分组成。 铁心是变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，
磁场的特性可用下列几个基本物理量来表示。
1.磁感应强度B
磁感应强度B是描述空间某点磁场的强弱和方向的物理量， 它是一个矢量。它的大小可用该点磁场作用于1m长，通有1A电 流的导体上的作用力F来衡量( B F )。磁感应强度B的方向可 根据产生磁场的电流方向，用右手Il螺旋定则来确定。B的单位为 特斯拉(T)。
铁心是用磁导率较高而且相互绝缘的硅钢片叠装而成的。
变压器的铁心结构
3.3.2 单相变压器的工作原理
在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在副线圈中 也产生了互感电动势。这时，如果在副线圈上接上负载，那 么电能将通过负载转换成其他形式的能。
1. 变压器的空载运行
变压器的原绕组加额定电压，副绕组开路(不接负载) 的情况，称为空载运行。
磁路的形成
当线圈中通过电流时，大部分磁通沿铁心、衔铁和工作气 隙构成回路，这部分磁通称为主磁通。还有一小部分磁通，它 们没有经过铁心、衔铁和工作气隙形成构成的回路，而是经空 气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。
通过实验发现，励磁电流I越大，通电线圈产生的磁场就 越强；线圈的匝数N越多，通电线圈产生的磁场也越强。把励 磁线圈匝数N和励磁电流I的乘积称为磁通势F 。
2.磁通Ф 磁通Ф是描述磁场在某一范围内分布情况的物理量。穿过某
一截面积S的磁力线的总数就是通过该截面积的磁通Φ。垂直 穿过单位面积的磁力线数就反映此处的磁感应强度B的大小。 所以磁感应强度B又称为磁通密度。
B S
或 Φ=BS
式中 ，磁通Φ的单位是韦伯(Wb)，面积S的单位为米2(m2)。
3. 磁导率μ
1. 铁磁性材料的磁性能 铁磁性材料是指铁、钴、镍及其合金。它们具有下列磁性能。
(1)高导磁性
(2)磁饱和性
通过实验可测出铁磁材料的磁感应强度B随外加磁场的 磁场强度H变化的曲线(B～H磁化曲线)，如下图所示。
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。
2. 铁磁性材料的种类及用途
F NI
当磁通势F一定时，磁通Φ与μ、S成正比，而与l成反比。 它们之间的运算关系是：
F S
l
F l
F Rm
S
其中，Rm称为磁阻，是表示物质对磁通具有阻碍作用的物 理量，其大小与磁路中磁性材料的材质及几何尺寸有关。 上式称为磁路欧姆定律。
ห้องสมุดไป่ตู้表列出磁路与电路对应的物理量及其关系式。
3.1.3 铁磁性材料的磁性质
在通电线圈中，H这个单位只与电流的大小有关，而与线圈 中被磁化的物质，即与物质的磁导率μ无关。但通电线圈中的磁 感应强度B的大小却与线圈中被磁化的物质的磁导率μ有关。H 的大小由B与μ的比值决定，即磁场强度为
B
H
3.1.2 磁路和磁路的基本定律
由于铁心的磁导率比周围空气或其他非铁磁材料的磁 导率大很多倍，所以磁力线几乎全部都从铁心中通过而形 成一闭合的路径．这种约束在铁心所限定的范围内的磁通 路径，称为磁路。
磁导率又称为导磁系数，是用来衡量物质导磁能力的物 理量，用来表示磁场中介质导性能的强弱，其单位是亨利／ 米(H/m)。
就导磁能力来说，大体可分为磁性材料和非磁性材料两大 类。非磁性材料，如铜、铝、空气等，它们的导磁能力很差， 磁导率接近于真空的磁导率μ0(μ0 =4л×10-7H/m)，且为一常 数。