11 变压器与电动机

INΦRm
电磁铁吸合前(气隙大）
电磁铁吸合后(气隙小）
Rm 大 Rm 小
起动电流大 电流小
注意： 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸
不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。
电磁铁的吸力
F
107
8
B02S0[N]
气隙 磁感应强度
气隙截
面积
19
交流电磁铁中磁场是交变的，设
B0Bmsi nt
20
11.2 变压器transformer
变压器：可以将电压升高或降低的设备
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)
变压器 种类：
按用途分：电力变压器、实验变压器、仪用变压器、特殊变压器 按相数分：单相变压器、三相变压器 按绕组形式分：自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器
i10 Φ i2
E 1 4 . 4 fN 1 Φ 4 m E 2 4 . 4 fN 2 Φ 4 m u 1 e1
e 2 u 20
U1 E1 N1 K K为变比
i20， u2u2； 0i1为 i1
U2 E2 N2
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
2. 电流变换 负载运行分析。注意励磁电 流
与空载运行比较，负载运行对磁路的影响？ u 1
B
三、磁滞性 :i—H---B, B和H变化不同步， 磁感应强度B滞后于磁场强度H变化的性质
H
H
称磁性物质的磁滞性。
3. 磁滞性
2. 磁饱和性
B与H 的关系：是非线性的，即B不H是常数。
m
B
B a 0
bB
BJ
B—H 曲线分为三段： 1）oa段： H 增大,B 直线上升。
B0 2）ab段： H 增大,B 上升缓慢。
1，i2不为零，也会产生磁通，从而影响i1 。 2，由于u1 、f、不变，Φ 基本不变。
i1 Φ i2
u 2 RL
i2 0，i1i10
由欧姆定律 FRmΦ 可知，空载和负载情况下，磁通势基本不变。
I1N 1I2N 2I1N 01
24
励磁分量， I1N 1I2N 2I1N 01 I1N 1I2N20 I1N1I2N2
铁芯磁路： 查铸钢的磁化曲线，当B＝0.9T 时，H1＝500A／m H1 l1＝500×（39.2－0.2）×10-2＝195A
空气隙磁路 ：H0=B0／0=0.9／(4 ×10－7）=7.2×105A/m H0＝7.2×105× 0.2×10-2＝1440A
总磁通势： NI＝（H l）=H1 l1＋H0=195＋1440=1635 线圈匝数为：N＝NI／I＝1635
I
线圈匝数N
HL NI
磁路长度L
磁压降
磁通势F
6
非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）安培环 路定律，总磁通势等于各段磁压降之和。
例：
I
NIHLNIHlH0l0
N
l 0 总磁通势
总磁压降
l
2、磁路的欧姆定律
I N
对于均匀磁路
S F Rm
L
Rm
l
s
F NI HL
磁阻
B L L
直流 磁路
F Rm
F 固定
随Rm 变化
直流 电路
I ER
E 固定 I 随 R 变化
13
11.1.2 交流磁路的分析 (交流铁心线圈电路)
Φ主磁通 Φ 漏磁通
Φ
1. 电磁关系：动电生磁，磁动生电
i
Φ
d
u
eL
eN
u i(Ni)
dt
e
eNd dtLd dti
假2设. 电路方Φ程msinu t 则u R u ( N e Φ ) m ( c e ) o tR 2 sN ifd d Φ Φ N m c tN d o d Φ t ts
按铁芯形式分：心式变压器、壳式变压器 按冷却方式分：干式变压器、油寖式变压器
变压器应用举例：输变电系统
发电厂
输电线
1.05万伏…
22万伏…
升压
变电站
家庭 工厂
1万伏…
380 / 220伏…
降压
降压
仪器 36伏 降压
21
11.2.2 变压器的基本结构
铁心
i1 Φ
u1
i2
u 2 RL
11.2.2 变压器的工作原理和作用
1）磁感应强度B： 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 （磁力线），表示磁场内某点的磁场强弱和方向。
均匀磁场：磁场内各点磁感应强度大小相等，方向相同。
2）磁场强度 H： 磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为
磁感应强度和导磁率之比。
3）磁通：磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。称为 通过该面积的磁通。
欧姆定律
EU
I U E
RR
8
例：一环形铁心线圈，内径10cm，外径15cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有 一空气气隙，长度等于0.2cm。设线圈中通有1A电流，如要得到0.9T的磁感 应强度（H1＝500A／m），试求线圈匝数。
解: 由 NI＝（H l） 得 N= （H l）/I 而 (H l)=H1 l1＋H0 磁路总长度 l＝（（10＋15）／2） ＝39.2cm
动电生磁，磁动生电
1. 空载运行原边接电源，副边开路。
i1 Φ
u 1 e1
e2
原边
副边
绕组
单相变压器
绕组
负载运行
原副绕组之间，没有电的直接联系，
只有磁的联系，共用同一个主磁场
N1
N2
空载运行
交流电源 u1
i1（ i10 ） （交变） 感应电动势 e1 e2
e1N 1d d Φ t e2N2d d Φ t
建立主磁通
由于变压器铁心材料导磁率高，
S
Rm
注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分 7
析，不做定量计算。
磁路 Φ
I N
电路
I
+
EU
_
磁路和电路的比较
安培环路定律
欧姆定律
NIHL
F Rm
HL
FINΦ
Rm
l S
磁压降 磁通势 磁通 磁阻
Φ B
S
磁感应强度
电压降 电动势
UE
电流 电阻
I
R l S
电流强度
JI S
R 基氏电压定律
4）磁导率 ：表征各种材料导磁能力的物理量。真空磁导率 0
相对磁导率 r :一般材料磁导率和真空磁导率之比。
B （特斯拉T） H (安/米)
B F S Il
矢量
HB
（韦伯Wb） ,0,r (亨/米)
BS
e N d dt
r0401rr 0711, 磁 , 非性 磁 5 材 性料 材
11.1.1 磁路的欧姆定律
或者说，要得到同样的磁场，有铁芯时，只需要很小的励磁电流；
无铁芯时，需要很大的励磁电流。
12
11.1.2 直流磁路的分析（直流铁心线圈电路）
直流磁路的特点: I U
R
（R 为线圈的电阻）
IΦ
U
I（线圈中没有感应电动势）
U
磁通势 F=IN 一定
磁通和磁阻成反比
(Φ F Rm)
直流磁路和电路中的恒压源类似
11.1.1 磁性材料的磁性能
B( )
一、高导磁性:指磁性材料具有磁畴，磁导率很高， r>>1，使其具有被强烈磁化的特性。
大 小
二、磁饱和性:当外磁场（或励磁电流）增大到
一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都
转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁感应强
度BJ达到饱和值。
B
H( I )
1 . 高导磁性
最大值 Um2fNΦm
有效值
UUm 2
4.44fNΦm
14
交流磁路的特点
由 U4.44 fNm 可知
i
Φ m 由外加电压U、频率 f 与线圈匝数N确定。
u
U、 f 、N 一定，则 Φ m 一定。
由磁路欧姆定律 INΦRm 可知
Φ m 一定时，磁通势IN 随磁阻R m 的变化而变化。
Φ
Φ
eL
e
交流磁路和电路中的恒流源类似
– 铭牌和技术指标
– 起动
– 转向控制
– 调速
– 制动
3
11.1 磁路magnetic circuit 11.1.1 磁路的基本概念
1. 磁路 线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。
i
u1
Φσ
：主磁通
Φσ：漏磁通
u2
线圈
铁心 （导磁性能好
的磁性材料）
磁路：主磁通所经过的闭合路径。
4
2. 磁场的基本物理量：磁感应强度、磁场强度、磁通、磁导率
则吸力为： f1 870 S0B m 2si2n t2 1F m2 1F m co 2ts
式中： Fm 18π07 S0Bm2
平均值为：
F1T T0
f
dt12Fm11670Bm 2S0[N]
交流电磁铁：铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在吸合过 程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大， 因而电流逐渐减小。 直流电磁铁：铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线圈电阻 有关，不因气隙大小而变。
B S
FNIRm
l
Rm s
结论：若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材 料，可使线圈的用铜量大为降低。
若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁 通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。
当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相 等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定） 9
Φ
i
Φ
i1
Φ
U
u
e
L
u1
e
i2
u 2 RL
电磁铁
变压器
励磁电流：在磁路中用 励磁 来产生磁通的电流。 电流
直流 --- 直流磁路 交流 ---交流磁路
磁路 分析
直流磁路 交Baidu Nhomakorabea磁路
IN
Rm
铁芯的作用：
同样的励磁电流下，有铁芯时，铁芯磁阻很小，可以得到较强的磁 场；无铁芯时，空气磁阻很大，漏磁也很大，得到的磁场很小。
交流磁路中： FΦRm Φ 固定
F 随 Rm 变化
直流电路中： U ISR
IS固定
U 随 R 变化
15
功率损耗
铜损copper loss Pcu:线圈上的损耗.
铁损 core loss 磁滞损耗 Ph: 由于磁滞回线,交变磁化产生。
PFe:
涡流损耗 Pe: 铁心中感应的电动势和电流.
克服方法: 1.磁滞损耗: 选用软磁材料。 2.涡流损耗:采用硅钢片,叠加而成。硅钢片表面涂有绝缘漆膜。 增大电阻，降低电流。
B
0B和与H的关H系
磁化曲线
3）b～段：H 增大,B 变化很小，达到饱和。10
三、磁滞性
剩磁，Br
i—H---B, B和H变化不同步。 矫顽磁力，Hc B
解释：
当铁心线圈中通有交变电流（大 小和方向都变化）时，铁心就受
2
Br
到交变磁化，电流变化时，B随
3
H而变化，当H已减到零值时，
O
6
但B未回到零，这种磁感应强度
滞后于磁场强度变化的性质称磁
性物质的磁滞性。
4
Hc
5
磁滞回线
1
H
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）、
永磁材料（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）。
11
11.1.2 铁心线圈电路
铁心线圈：一个绕有线圈的闭合铁心。
Φ
I
11 变压器与电动机
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电工电子技术
第11章 变压器和电动机
2
主要内容
• 磁路，磁路与电路的比较 • 交流铁心线圈电路 • 变压器及其三种变换作用：电压变换、电流变换、阻抗变换
• 三相异步电动机的结构及工作原理
• 三相异步电动机的电路分析
• 三相异步电动机的转矩与机械特性
• 三相异步电动机的使用
（ e1、e2与方向符合右手定则）
22
i1
Φ
u1
Φ u 2
i2
RL
u1
变压器符号：
i1
i2
u 2 RL
变压器电磁关系：
u1i1(i1N1)
1
e1
N1
d dt
e2
N2
d dt
i2(i2N2)
e1
L1
di1 dt
2
e2
L2
d2i dt23
3种变换作用：电压、电流、阻抗变换
1. 电压变换 空载运行分析。注意励磁电流
1、安培环路定律（全电流定律law of total current）
磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内
电流的代数和.即
I I2
1
I
3
H
HdlI
总磁压降 总磁通势F 电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，
电流取正；否则取负。
无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度 相等）安培环路定律：
16
11.1.2 直流和交流铁心线圈电路的比较
磁路物理量 铁损
励磁电流和磁通
直流 恒定不变 磁路
无
IU
R
(U不变，I不变）
Φ IN Rm
Φ （ 随Rm变化）
交流 交变 磁路
有
Φ m
U 4.44 fN
INΦRm
（ U不变时，Φ m 基本不变）
( I 随 Rm 变化）
注意：直流和交流电器设备不能互换使用！
交流电器设备误接在直流电源上，会发生什么情况？ 电流超过额定值很多倍，烧毁设备！！！
直流电器设备误接在交流电源上，会发生什么情况？
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电流小于额定值很多，设备无法正常工作
* 电磁铁
线圈
电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔 铁或保持某种机械零件、工件于固定
F
位置的一种电器。铁心和衔铁一般用
铁心
软磁材料制成；铁心一般是静止的， 线圈总是装在铁心上。
衔铁
电磁铁的基本工作原理：
当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它 们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着 铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸 力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放 位置。
18
电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电压不变，则基本不变