电工电子技术基础第3章 磁路与变压器PPT课件
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《电工电子技术》(曹建林) PPT课件：3.1 磁路
磁滞回线
3.1磁路
磁性材料的磁性能
磁路的概念
磁路中的磁通，通常是由通入励磁线圈的励磁电流产生，改变励磁电流I或线圈匝数N，磁通 的大小就会变化。I愈大，所产生的磁通Ф愈大；线圈的匝数愈多，所产生的磁通Ф也愈大。因 此把励磁电流I和线圈匝数N的乘积称为磁动势，用IN表示，单位为A。 磁路中磁通的大小除与磁动势IN有关外，还与铁心材料的导磁率μ、铁心磁路的截面积S、铁心 磁路的长度l等有关，它们之间的关系是
当外磁场被去除后，即H=0时，磁性材料将产生剩磁，如图中Br点 所示。但有时又需去掉剩磁，如当工件在平面磨床上加工完毕后，由 于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住，为此，应加反方向的外磁场，即 通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能将工件取下。使B=0所需的Hc值， 称为矫顽磁力，如图中Hc点所示。
铁磁性材料按其磁滞回线形状不同，可分成三类：一类是软磁材 料，另一类是硬磁材料，第三类是矩磁材料。
式中Rm称作磁阻，表示磁路对磁通起阻碍作用的物理量，它仅与磁路的材料及几何尺寸有 关。式子与电路欧姆定律相似，故称为磁路欧姆定律。但由于μ不是常数，它随励磁电流而变， 所以不能直接应用磁路欧姆定律来计算，只能用来作定性分析。
— The End —
第3章 磁路与变压器
3.1 磁路
无锡科技职业学院
Wuxi Professional College of Science and Technology
1 磁性材料的磁性能 2 磁路的概念
能
磁路的概念
电工设备中常见的磁路
磁通集中通过的闭合路径称为磁路。 用来产生磁通的电流叫励磁电流，流过励磁电流的线圈叫励磁线圈。由直流电流励磁 的磁路叫直流磁路，由交流电流励磁的磁路叫交流磁路。
3 磁路和变压器 ppt课件
• O •Hc H •
时，铁心中的磁感应强度。
磁滞回线
矫顽磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。
几种常见磁性物质的磁化曲线
B/T 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1.8 1.6 1.4 1.2 c
b 1.0 0.8 0.6 0.4
a 0.2
O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片
磁化曲线 H
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。
（3） 磁滞性
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。
磁性材料在交变磁场中反复磁
B
化，其B-H关系曲线是一条回形闭
Br •
合曲线，称为磁滞回线。
剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)
10 103 H/(A/m)
c b
a H/(A/m) 1.0103
按磁性物质的磁性能，Biblioteka 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
N
If + –
S
S
N
直流电机的磁路
交流接触器的磁路
2、磁路的欧姆定律（分析磁路的基本定律）
安培环路定律（全电流定律） Hdl I I1
式中： H d l 是磁场强度矢量沿任意闭合 H
线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；
磁路和变压器PPT教学课件
U I
220 2
83.5 11083.5 12.5
j109.3 Ω
Ro 12.5 Ω，X o 109.3 Ω
（2）铜损： PCu I 2 R 22 1 4 W 铁损： PFe P PCu 50 4 46 W
或： PFe I 2 Ro 22 (12.5 1) 46 W
线几乎成矩形。
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3.1.4 交流铁心线圈电路
1．电压、电流和磁通的关系
设线圈的电阻为R，主
i
Φ
磁电动势为e和漏感电动势 + e
为eσ，由KVL，有：
u e
Φσ
－
u e e iR
设主磁通按正弦规律变化： m sin t ，则：
e
N
d dt
Nm
cost
Em
sin(t
90)
e
的有效值为：E
(c) 直流电机的磁路
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3.1.1 磁路的基本物理量
1．磁感应强度B
磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及 方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁场方 向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋 定则确定。单位是特斯拉(T)。
2．磁通Φ
均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直 于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。
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磁 化
B
ab
曲
线O
B
Br
－Hc
O
Hc H
磁 滞 回
H
线
铁磁材料的类型：
软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽
力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。
硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，
磁滞回线较宽。
《电工电子技术》——磁路与变压器
已制成的变压器、互感器等，通常都无法从外观上看出 绕组的绕向，如果使用时需要知道它的同名端，可通过实验 方法测定同名端。
直流电感法
交流感应法
3.4 特殊变压器
3.4.1 自耦变压器
若变压器的原、副绕组有一部分是共用的，这类的变 压器叫自耦变压器。自耦变压器的原、副绕组之间既有磁 的耦合，又有电的联系。
在实际工作中可以选用不同匝数比的变压器，将负载阻抗变换 为所需要的阻抗值。在电子线路中常利用变压器的这种阻抗变 换作用实现阻抗匹配。
4. 变压器的外特性、损耗和效率 （1）变压器的外特性
当原绕组上外加电压和副绕组的负载功率因数cosφ2不变 时，副边端电压U2随负载电流I2变化的规律，称为变压器 的外特性。 从图中可看出，负载性质和功率因数不同时，从空载(I2=0) 到满载(I2=I2N)，变压器副边电压U2变化的趋势和程度是 不同的。，我们用副边电压变化率(或称电压调整率)来表示。 副边电压变化率ΔU(％)规定为：当原边接在额定电压和额 定频率的交流电源上，副边开路电压U2N和在指定的功率 因数下副边输出额定电流时的副边电压U2的算术差与副边 额定电压U2N的百分比值，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。
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
2.额定电流
额定电流是根据变压器允许温升而规定的电流值，以 安或千安为单位，变压器的额定电流有原边额定电流I1N和 副边额定电流I2N。
磁路与变压器-课件
B
A
-Hm O
Hm H
对应于不同的Hm，将 得到一系列的磁滞回线，
将各磁滞回线的顶点与原 点O连接起来，得到一条 曲线OA，称为标准磁化曲
线，它是分析与计算磁路 的依据。
磁性材料按其磁滞回线的特点，可以分为三类：
（1）软磁材料：
磁滞回线较窄，比如 铸铁、铸钢等。一般 用来制造变压器、电 机等的铁芯。
HlNI
Hl：称为磁压降。
线圈 匝数N
I
磁路 长度l
F=NI：称为磁动势。
在非均匀磁路中，各段磁 压降之和等于总磁动势。
H lN IF
I
N
l0
总磁动势
l
例
HlH0l0NI
2.2 磁路欧姆定律
Φ
对于均匀磁路 Hl Bl l I
S
S
N
l
令
Rm
l
S
Rm 称为磁阻
则 HlRm
又 HlN IF ∴ Rm F
磁路与变压器
精品
在很多电工设备中（变压器、电磁
铁、电工测量仪表、电机等），不仅有 电路问题，同时还有磁路问题，只有同 时掌握了电路和磁路的基本理论，才能 对各种电工设备做全面的分析。
§1 磁场的基本物理量
1 磁感应强度B
磁感应强度B是用来表示磁场内某点磁场强弱 和方向的物理量。它是一个矢量。
B的大小
材料和绝缘材料的导电系数相差特别大，因此在分 析电路时很少考虑漏电流；但在磁路中，由于磁性 材料的磁导率只比非磁性材料的磁导率大几千或几 万倍，所以漏磁在很多情况下是不能忽略的，或者 说，不存在磁的绝缘材料。
F
Rm
磁路欧姆定律
2.3 磁路与 电路的比较
电工电子技术 ppt课件
2020/11/24
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实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取 模型化处理可获得有意义的分析效果
白炽灯电路
消耗电能的电 特性可用电阻 元件表征
由于白炽灯中耗能 的因素大大于产生 磁场的因素，因此
R L 可以忽略。
i
产生磁场的电 特性可用电感 元件表征
白炽灯的电
L 路模型可表
示为：
R
理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性惟 一、精确，可定量分析和计算。
当外界电场的作用力超过原子核对外层 电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样 也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这 种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一 旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成 为导体。
半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半 导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强 ；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电 能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特 殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。
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（2）电压
高中物理学中对电压的定义：电场力把单位正电荷从电 场中的一点移到另一点所做的功。表达式为：
u ab
dw ab dq
直流情况下
U ab
W ab Q
注意：物理量用小字表示变量，用大写表示恒量。
从工程应用的角度来讲，电路中的电压是产生电流的根 本原因；在数值上，电压等于电路中两点电位的差值。
2.对于集总参数元件，任何时刻，从元件一端流入的电 流，恒等于从元件另一端流出的电流，并且元件两端的 电压值是完全确定的。
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4. 电路中的电压、电流及其参考方向
（1）电流
第3章磁路与变压器
e1
N1
d
dt
N1
d dt
(msin t)
N1 mcos t
E1m sin( t 90 )
有效值:
E1
E1m 2
2fN 1 m
2
E1 4.44 f m N1
同 理： e2 E2m sin( t 90 )
E2 4.44 fm N2
2. 额定值
额定容量 SN
传送功率的最大能力。
单相：S U I U I
N
2N 2N
1N 1N
三相：S 3U I 3U I
N
2N 2N
1N 1N
注意：变压器几个功率的关系（单相） 变压器运行
容量：S N U1N I1N
输出功率： P2 U 2 I2 cos
时的功率取 决于负载的 性质
i1N1 i2 N2 或： I1N1 I2 N2
IN I N
11
22
IN 1
1 2
INK
2
1
结论：原、副边电流与匝数成反比。
4. 阻抗变换
I1
I2
I1
+
U1
+
Z U 2
+
U1 Z
–
–
–
由图可知： Z U 2
I2
Z U1 KU2 K 2 U2 K 2 Z
SN 100103 144 A
3 U2N
3 400
SN
100 103
9.62 A
3 U1N
3 6000
(２) 满载和半载时的效率
电工电子学 第3章-磁路和变压器 13
磁路：磁通所经过的闭合路径。
i
u1
3-1
3.1 磁路及其分析方法
3.1.1磁场的基本物理量 1、磁感应强度 B （磁通密度）
表示磁场内某点的磁场强弱和方向 磁通 : 磁感应强度B与垂直于磁场方向的 面积S的乘积 B 的单位：特斯拉（Tesla） B 1 Tesla = 104 高斯 S 单位：韦伯
3-3
3、磁导率
：表征各种材料导磁能力的物理量
真空的磁导率( 相对磁导率 r
0 )为常数 7 0 4 10（亨/米）
:
一般材料的磁导率 和真空的磁导率之比
r 0
3-4
r 1 ，则称为磁性材料
r 1，则称为非磁性材料
3.1.2 磁路的分析方法
根据安培环路定律
磁路的 欧姆定律
F NI l Rm S
注：磁性材料
是非线性的
3-6
磁路和电路的比较
磁动势
磁通
磁压降
磁 路
I N
F IN
Φ
电流
HL
I
电 路
3-7
电动势
U R
电压降
+
E
_
E
I
U
*3.2 交流铁心线圈电路
交流激励 线圈中产生感应电势
u → i→
Φ→ e Φδ → e δ
d e N u dt 可忽略不计 -
3-2
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。 H B /
安培环路定律（全电流定律）:
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。 I2 I3 I1
i
u1
3-1
3.1 磁路及其分析方法
3.1.1磁场的基本物理量 1、磁感应强度 B （磁通密度）
表示磁场内某点的磁场强弱和方向 磁通 : 磁感应强度B与垂直于磁场方向的 面积S的乘积 B 的单位：特斯拉（Tesla） B 1 Tesla = 104 高斯 S 单位：韦伯
3-3
3、磁导率
：表征各种材料导磁能力的物理量
真空的磁导率( 相对磁导率 r
0 )为常数 7 0 4 10（亨/米）
:
一般材料的磁导率 和真空的磁导率之比
r 0
3-4
r 1 ，则称为磁性材料
r 1，则称为非磁性材料
3.1.2 磁路的分析方法
根据安培环路定律
磁路的 欧姆定律
F NI l Rm S
注：磁性材料
是非线性的
3-6
磁路和电路的比较
磁动势
磁通
磁压降
磁 路
I N
F IN
Φ
电流
HL
I
电 路
3-7
电动势
U R
电压降
+
E
_
E
I
U
*3.2 交流铁心线圈电路
交流激励 线圈中产生感应电势
u → i→
Φ→ e Φδ → e δ
d e N u dt 可忽略不计 -
3-2
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。 H B /
安培环路定律（全电流定律）:
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。 I2 I3 I1
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29.07.2020
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第3章 磁路与变压器
• 由于趋肤效应的影响，使电流比较集中地分布在导 线表面，此种现象随着频率的增加而更加显著。
• 为了减小趋肤效应带来的不利影响，在高频电路中 常采用空心导线，有时则用若干条细导线绞合而成 的多股绞线以增大导线的表面来减小趋肤效应的影 响。
• 趋肤效应可以用来进行高频淬火。把待处理的金属 工件放置在通有高频电流的线圈中，由于趋肤效应， 金属工件中将产生趋于工件表面的高频涡流，使工 件表面的温度急速升高，而工件中心处几乎不发热， 达到表面淬火的目的。表面淬火的深度用改变电流 频率来控制，电流频率越高，表面淬火深度越浅。
（4）导率μ 磁导率μ是表示物质导磁性能的物理量。 其SI单位是亨/米（H/m）。
真空中的磁导率为 μ04π1 0（ 7 H/m）
0 的物质称为非磁性材料；
0 的物质称为铁磁性材料；
6
第3章 磁路与变压器
二、铁磁性材料的磁性能
1.铁磁性物质的磁化
（1）磁畴：在铁磁性物质内部存在许多体积约10-
9cm3的磁化小区域，称为磁畴。
（2）在没有外磁场作用时，这些磁畴的排列是无
序的，它们所产生的磁场的平均值几乎等于零，对
外不显示磁性。
（3）在一定的外磁场作用下，这些磁畴将转向外
磁场方向，作有序排列，显示出很强的磁性，形成
磁化磁场。从而使铁磁性物质内的磁感应强度大大
增强，这就是铁磁性物质在外磁场作用下产生的磁
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第3章 磁路与变压器
2.趋肤效应
（1）直流电通过导线时：导线横截面上各处的电 流密度相等。 （2）交流电通过导线时：导线横截面上电流的分 布是不均匀的，越靠近导线中心处电流密度越小； 越靠近导线表面电流密度越大。此种交变电流在导 线内趋于导线表面流动的现象叫做趋肤效应（也叫 集肤效应）。
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4
第3章 磁路与变压器
（3）磁场强度H
磁场中某点的磁场强度的大小等于该点的磁感应强 度与介质导磁率的比值。
即： H B
式中：S—安/米（A/m）
磁场强度的大小只与其激励电流有关，而与介质材 料的导磁性能无关。
H的方向与该点的磁感应强度B的方向一致。
29.07.2020
5
第3章 磁路与变压器
29.07.2020
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第3章 磁路与变压器
5.铁磁性物质的分类和用途
（1）软磁性材料：容易被磁化，但去掉外磁场后，磁 性大部分消失。 如硅钢、铸铁、铸钢、电工钢、坡莫合金、铁氧体等 都属于软磁性材料。 常被用来制造变压器、交流电机和各种继电器的铁心 等。 （2）硬磁性材料：须用较强的外磁场才能使之磁化， 但去掉外磁场后，磁性不易消失，将保留下很强的剩 磁。如碳钢、钴钢、铝镍钴合金、钕铁硼等都属于硬 磁性材料。 适用于制造永久磁铁、磁电式仪表、永磁式扬声器、 耳机中的永久磁铁和小型直流电机中的永磁磁极等。
29.07.2020
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第3章 磁路与变压器
（3）矩磁性材料：很容易被磁化，剩磁大（不易去 磁）。如镁锰铁氧体及锂锰铁氧体等。 适用于存储与记录信号，常用来制作记忆元件，比如 比如计算机内部存储器的磁心和外部设备中的磁鼓、 磁带及磁盘等。
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第3章 磁路与变压器
二、涡流与趋肤效应 1.涡流及涡流损耗
（1）涡流：铁心线圈在外加交流电源作用下，产 生交变磁通穿过铁心，使得铁心内部产生感应电动 势和感应电流。由于这种电流在铁心中自成回路， 其形状如同水中旋涡，所以称做涡流。
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第3章 磁路与变压器
（2）涡流损耗：涡流所经路径是有电阻的，因此 会消耗能量而使得铁心发热，这种由涡流引起的电 能损耗叫做涡流损耗。 涡流的大小与铁心材料的电阻率成正比，与铁心的 厚度成反比。 故减小涡流损耗常用两种方法：一是增大铁心材料 的电阻率，在钢片中渗入硅能使其电阻率大大提高。 二是把铁心沿磁场方向剖分为许多薄片且相互绝缘 后再叠装成铁心，以减小铁心的厚度，增大铁心中 涡流路径的电阻。
2
第3章 磁路与变压器
2.磁场的基本物理量
（1）磁感应强度B
磁感应强度是描述空间某点磁场强弱与方向的物理
量。
即：
B F qv
式中：F—牛顿（N）， q—库仑（C）， v—米每秒（m/s）， B—特［斯拉］（T）。
B的方向即该点的磁场方向，与产生该磁场的电流 之间的方向关系符合右手螺旋法则。
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3.磁饱和性
铁磁性材料还具有磁饱和性。当外加磁场H增加到 一定程度后，即便H再继续增加，B的数值几乎不再增 长，即进入饱和状态了。
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第3章 磁路与变压器
4.磁滞性
磁滞性表现在铁磁性物质在交变磁场中反复磁化 时，磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化。
磁滞性是由于分子热运动所产生的。在交变磁化 过程中，磁畴在外磁场作用下不断转向，但它的分子 热运动又阻止其转向。故磁畴的转向总是跟不上外加 磁场的变化，从而产生了磁滞现象。
化现象。
（4）非磁性材料内没有磁畴结构，所以不具有磁
化特性。
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第3章 磁路与变压器
（a）磁化前 (b)磁化后
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第3章 磁路与变压器
2.高导磁性 由于磁化现象，从而使铁磁性材料具有高导磁性
能，其磁导率很大，是工业生产中用于制造电机、电 器与电工仪表的主要材料。利用铁磁性物质的高导磁 性，可用较小的励磁电流产生足够大的磁通，如优质 的铁磁性物质可使相同容量的变压器或电动机的重量 和体积大大减小。
第3章 磁路与变压器
内容提要
1.磁路的基本概念； 2.变压器； 3.特殊用途变压器。
3.1 磁路的基本概念
一、磁场的基本物理量 1.磁路
磁路是用来将磁场聚集在空间一定范围内的总体，
1
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3
第3章 磁路与变压器
（2）磁通量Ф
磁通量Ф（或称为磁通）是表示穿过某一截面S的 磁感应强度矢量B的通量，也可理解为穿过该截面的磁 力线总数。
即： ΦBS
式中：S—平方米（m2） Φ—韦［伯］（Wb）， B—特［斯拉］（T）。
Φ的方向与B的方向相同，即与产生该磁场的电流 之间的方向关系符合右手螺旋法则。