第7章磁路与变压器.ppt
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1、第7章 磁路与变压器,7.2 磁性材料的磁性能,7.5 变压器,7.6 变压器绕组的极性及其测定,7.1 磁路,7.3 铁心线圈电路,7.4 电磁铁,7.6 其他类型变压器,3、了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性 和绕组的同极性端,理解变压器额定值的意义,4、掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用,5、了解三相电压的变换方法,本章要求:,2、了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识,1、理解磁场的基本物理量的意义,了解磁性材料 的基本知识及磁路的基本定律,会分析计算交 流铁心线圈电路,第7章 磁路与变压器,7.1 磁路,7.1 .1 磁场的基本概念,1、磁路 是磁通流经的闭合路径。磁路中可以有空
2、气隙,也可无空气隙,(1)磁感应强度B,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量,磁感应强度B的大小,磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T),1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等,方向相同 的磁场,也称匀强磁场,2、磁场的基本物理量,7.1 .1 磁场的基本概念,(2)磁通,穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数,说明: 如果不是均匀磁场,则取B的平均值。,在均匀磁场 = B S 或 B= /S,磁感应强度B 在数值上可以看成为与磁场方向垂 直 的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1V
3、s,2、磁场的基本物理量,(3)磁场强度H,介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比,磁场强度H的单位 :安培/米(A/m),2、磁场的基本物理量,真空的磁导率为常数,用 0表示,有,(4)磁导率,磁导率 :表示磁场媒质磁性的物理量,衡量物质 的导磁能力,相对磁导率 r: 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值,磁导率 的单位:亨/米(H/m),2、磁场的基本物理量,7.1 .2 磁路的欧姆定律,式中: 是磁场强度矢量沿任意闭合曲 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分,(1)安培环路定律(或全电流定律),I NI 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和,(2)磁路欧姆定律,磁路的欧姆定律
4、是分析磁路的基本定律,环形线圈如图,其中媒质是均 匀的,磁导率 为, 试计算线圈内部 的磁通,解:根据安培环路定律,有,设磁路的平均长度为 l,则有,1)引例,式中:F=NI 为磁通势,由其产生磁通; Rm 称为磁阻,表示磁路对磁通的阻碍作用; l 为磁路的平均长度; S 为磁路的截面积,2)磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为,磁通势为F ,磁阻为Rm,则,即有,称为磁路的欧姆定律,(2)磁路欧姆定律,3、磁路与电路比较定律,磁路分析的特点:,(1)在处理电路时不涉及电场问题,在处理磁路时 离不开磁场的概念;,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流,在处理 磁路时一般都要考虑漏磁通;,(3)磁路
5、欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相 似。由于 不是常数,其随励磁电流而变,磁 路欧姆定律不能直接用来计算,只能用于定性 分析;,(4)在电路中,当 E=0时,I=0;但在磁路中,由于 有剩磁,当 F=0 时, 不为零,4、磁路的分析计算,4、磁路的分析计算,主要任务: 预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应强度),按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI , 确定线圈匝数和励磁电流,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成,则基本公式为,即,基本步骤: (由磁通 求磁通势F=NI ),(1)求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同,通过
6、同一磁通 ,故有,(2)求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B1, B2 ,相对应的 H1, H2 ,。,(3)计算各段磁路的磁压降 (Hi li ),(4) 根据下式求出磁通势( NI ),4、磁路的分析计算,例题1,在图所示的均匀铁心线圈磁路中,若两块铁心都用铸钢作成,两块铁心之间有一段空气隙,其尺寸为,试求空气隙中磁感应强度,时,磁通势为多大?,解:,(1)由已知的磁感应强度B0和面积S0可求,例题1,(2)求磁路各段的磁感应强度,(3)求磁路各段的磁场强度,气隙磁场强度,例题1,根据磁化曲线可查得,H113A/cm,,H214A/cm,(4)求磁
7、路各段的磁压降,(5)求磁路中的总磁通势,例题2,有一环形铁心线圈,其内径为10cm,外径为5cm,铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙,其长度等于 0.2cm。设线圈中通有 1A 的电流,如要 得到 0.9T 的磁感应强度,试求线圈匝数。,查铸钢的磁化曲线, B=0.9 T 时,磁场强度 H1=500 A/m,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度,,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,对各段有,总磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时,由于其磁阻较大,磁通势几乎都降在空气隙上面,结论: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(设线圈匝数一定),例题
8、2,7.2 磁性材料的磁性能,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎不受外磁场的影响而互相抵消,不具有磁化特 性,非磁性物质,磁性物质,磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,显示磁性,称这些小区域为磁畴,7.2 磁性材料的磁性能,在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,称为磁化。即磁性物质能被磁化,外 磁 场,在无外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性,(1)高导磁性,7.2 磁性材料的磁性能,磁性材料的磁导率通常都很高,即 r 1 (如坡莫合金,其 r
9、可达 2105 ) 磁性材料能被强烈的磁化,具有很高的导磁性能,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强度,(2)磁饱和性,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线;,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线;,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-
10、H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,Oa段:B 与H几乎成正比地增加; ab段: B 的增加缓慢下来; b点以后:B增加很少,达到饱和,有磁性物质存在时,B 与 H不 成正比,磁性物质的磁导率 不 是常数,随H而变,有磁性物质存在时,与 I 不成正比,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上很重要,其为非线性曲线,实际中通过实验得出,磁化曲线,B和与H的关系,注意:磁化曲线(BH曲线)特征,磁性材料在交变磁场
11、中反复磁化,其 B-H 关系曲线是一条回形闭合曲线,称为磁滞回线,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁 场变化的性质,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) 当线圈中电流减小到零(H=0)时,铁心中的磁感应强度,矫顽磁力Hc 使 B = 0 所需的 H 值,磁性物质不同,其磁滞回线和磁化曲线也不同,(3)磁滞性,几种常见磁性物质的磁化曲线,a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片,(1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力,磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等 (2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有
12、碳钢及铁镍铝钴合金等 (3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等,磁性材料分为三种类型,7.3 铁心线圈电路,铁心线圈电路,7.3 .1 直流铁心线圈电路,磁路分析,主磁通 通过闭合铁心产生的磁通,漏磁通 通过闭合铁心产生的磁通,电路分析,直流电流 I 作用下在线圈中产生磁通,由于电流 不变,故磁通恒定,外加电压与线圈中的电流关系为,R为线圈内阻,7.3 .1 直流铁心线圈电路,1、电压电流关系,(磁通势),主磁通 :通过铁心闭合的磁通,漏磁通:经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通,线圈
13、,铁心, i,,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系,根据KVL,式中,R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时,其它各电压、电流、电动势可视作正弦量,则电压、电流关系的相量式为,1、电压电流关系,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和感抗X(或漏磁通)较小,其电压降也较小,与主磁电动势 E 相比可忽略,故有,式中,Bm是铁心中磁感应强度的最大值,单位T; S 是铁心截面积,单位m2,2、功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种,(1)铜损(Pcu),在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损,用Pcu 表示,Pcu = RI2,式中,R是线圈的电阻;
14、I 是线圈中电流的有效值,(2)铁损(PFe),在交流铁心线圈中,处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损,用PFe 表示,铁损由磁滞和涡流产生,1)磁滞损耗(Ph),由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Ph),磁滞损耗的大小: 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f,磁滞损耗转化为热能,引起铁心发热,减少磁滞损耗的措施: 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低,设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度,2、功率损耗,2)涡流损耗(Pe),涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗,交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流,称为涡流。垂直磁通的平面
15、内环流,涡流损耗转化为热能,引起铁心发热,减少涡流损耗措施:,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成,把涡流限制在较小的截面内,铁心线圈交流电路的有功功率为,2、功率损耗,7.4 电磁铁,(1)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、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失,衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动,根据使用电源类型分为:,直流电磁铁:用直流电源励磁,交流电磁铁:用交流电源励磁,(2)基本结构,电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成,常见的结构如图所示,铁心,衔铁,衔铁,有时是机械零件 、工件充当衔铁,线圈,线圈,衔铁,铁心,
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