电工技术第2版 薛毓强 李少纲第六章 磁路与铁心线圈电路

第六章 磁路与铁心线圈电路,第二节 交流铁心线圈电路,第五节 特殊变压器,第一节 磁路及其分析方法,第三节 单相变压器,第四节 三相变压器,第一节 磁路及其分析方法,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,第一节 磁路及其分析方法,一、 磁场的基本物理量,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SI单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点的磁感应强度大小相等，方向相同,2、磁通,当B与界面S垂直时，有,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。, = B S 或 B= /S,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1V·s,穿过某一截面S的磁感应强度B的通量称为磁通 。,3、磁场强度H,计算磁场时计及磁介质作用后描述磁场的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系，可以用安培环路定律来表示：,磁场强度H的SI单位 ：安培/米（A/m),真空的磁导率是一个常数，用 0表示：,4、磁导率,表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即B= H,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）,二、 磁性材料的磁性能,1、高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁能。,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。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。,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。,2、磁饱和性,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-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。,B-H 磁化曲线的特征： 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极为重要，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,3、磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：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。,几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (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。,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分； I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。,安培环路定律电流正负的规定：,安培环路定律（全电流定律）,在均匀磁场中 Hl = IN,三、 恒定磁通磁路的分析,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。,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,或：,此即磁路的欧姆定律。,将B= H和B= /S代入：,磁路与电路的比较,磁路和电路有很多相似之处，但分析与处理磁路 比电路难得多，例如：,(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；,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 ）,例6-1一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,（1）查铸铁材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，,(2)查硅钢片材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，,磁场强度 H=9000 A/m，则,磁场强度 H=260 A/m，则,结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。,如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。,查磁化曲线可得，,在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁通 ，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？,【分析】,B硅钢是B铸铁的17倍。 因 =BS，如要得到相同的磁通 ，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。,B铸铁 = 0.05T、 B硅钢 =0.9T,结论：如果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。,查铸钢的磁化曲线， B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,例6-2 有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为 15cm，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。,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）。,第二节 交流铁心线圈电路,一、交流铁心线圈的电磁关系,（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,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：,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。,二、铁心线圈的功率损耗与等效电路,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；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)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,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：,先将实际铁心线圈的线圈电阻R、漏磁感抗X分出，得到用理想铁心线圈表示的电路；,实际铁心线圈电路,线圈电阻,漏磁感抗,3、 等效电路,用一个不含铁心的交流电路来等效替代铁心线圈交流电路。,等效条件：在同样电压作用下，功率、电流及各量之间的相位关系保持不变。,理想铁心线圈的等效电路 理想铁心线圈有能量的损耗和储放，可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。,式中： PFe为铁损， QFe为铁心储放能量的无功功率。,故有：,理想铁心线圈的等效电路 理想铁心线圈有能量的损耗和储放，可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。其中：电阻R0是和铁心能量损耗(铁损)相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感抗。其参数为：,例6-3 有一交流铁心线圈，电源电压 U= 220 V电路中电流 I=4 A，功率表读数P=100W，频率f=50Hz，漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1)铁心线圈的功率因数；（2）铁心线圈的等效电阻和感抗。,解:,(1),(2) 铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻为,等效感抗为,例6-4 要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U= 220 V，频率 f=50Hz ，今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91 (一般取0.90.93)。（1）如取 Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少? (2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图，B=1.2T时,=700 ，则,解:,例6-5 一铁心线圈接到U=220V，f=50Hz的交流电源上，测得电流I=2A，功率P=50W。试求：（1）不计线圈电阻及漏磁通，求铁心线圈的等效电路的R0及X0；（2）若线圈电阻R=1，计算线圈的铜损及铁损。,解：（1）,（2）,第三节 单相变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,概述,U I,P = I² Rl,I S,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,变压器