第8章 变压器与电动机

由式（8.1.3）可得到主磁通产生的感应电动势有效值为
E

Em 2

N m
2

4.44 fNm
（8.1.4）
因此，外加电压的有效值近似等于电动势的有效值，即
U E 4.44 fNm
（8.1.5）
上式表明，当线圈匝树数和电源频率一定时，磁路中的主磁通 只取决于线圈的外加电压，与磁路的导磁材料和尺寸无关。 另外，当外加电压一定时，在产生同样磁通的情况下，磁路 的材料不同，线圈中的电流也不同。
若要去掉剩磁，应使铁磁材料反向磁化，当磁场强度为HC时B才为零。此时的HC称为矫顽力。由于磁滞现象的存在， 铁磁材料在交变励磁电流的作用下，在被磁化过程中还会产 生磁滞损耗，使铁磁材料发热。磁滞损耗的大小与磁滞回线 的面积成正比。
磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料的 主要特点是磁导率高，磁滞回线窄，剩磁和矫顽力都较小。
式中R为线圈电阻，通常很小，一般情况下，iR和eσ都可
以忽略不计。因此，上式可写成
u e
（8.1.1）
主感应电动势与线圈N以及磁通的关系，符合电磁感应定律。即
e N d dt
设主磁通 ，并代入式（8.1.2）中可得到
（8.1.2）
e

N
d dt

n m
sin（t

900）
（8.1.3）
磁性材料所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限 制地增强。在直流励磁时，铁磁材料的磁化特性曲线B=f （H）如图8.1.1所示。
由图可见，磁化特性曲线为非线性，在oa段B随H的变 化缓慢；在ab段B随H几乎按正比例变化；在bc段B随H的 变化又缓慢下来；在C点以后，随着H的继续增加，由于铁磁 材料全部磁畴都转到了与外磁场方向一致，故B达到了最大 值，这种现象称为磁饱和。当铁磁材料饱和时，其导磁系数 µ变小，导磁性能变差。 （3) 磁滞性
第8章 变压器与电动机
变压器与电机是实现机电能量转换的装置，它们都是常 用的电气设备。其中，变压器用于将电能与磁能的互换，应 用这一特性可提供所需电压，进行信号耦合以及阻抗匹配等； 电动机用于将电能变为机械能，它在家用电器、工农业生产 等领域得到广泛的应用。因此，本章首先以变压器为研究对 象，在介绍变压器基本原理和结构之后，叙述了单相变压器 的运行特性，并简要介绍自耦变压器和仪用互感器的基本原 理。
第8章 变压器与电动机
以此为基础，接着介绍三相异步电动机的工作原理及结构， 叙述了旋转磁场的建立问题，着重对异步电动机的电磁特性 进行分析，得出了异步电动机的机械特性，为正确使用异步 电动机打下基础。最后简要介绍直流电动机的基本原理，作 为初步了解和选用时参考。
本章重点讨论变压器和异步电动机的工作原理及特性，在 实际工作中十分有用，应很好掌握。本章基本内容的教学课 时，建议不少于6学时，其中变压器2学时，三相异步电动机 4学时。对特殊变压器和直流电动机等内容，各院校可根据 实际需要选学。
uu iRe e e
在图8.1.3中，当外加交流电压u时，线圈中便产生交 流励磁电流i。此时，线圈匝数N与励磁电流i的乘积称为磁 动势F，即F=Ni。由此产生两部分磁通，即主磁通和漏磁 通。他们分别产生主磁电动势e和漏磁电动势eσ，由KVL可 得到铁心线圈的电压平衡方程为

u iR e e
（8.1.6）
8.1.3 交流铁心线圈电路
8.1.2 变压器的基本结构
为了减小损耗，线圈的线径应选择粗些，电阻系数小些； 为了减小磁滞损耗，应选择软磁性材料做铁心；为了减小涡 流损耗，交流铁心线圈的铁心应做成叠片状，并且各片之间 要有很好的绝缘。
变压器实际上是一种特殊的交流铁心线圈，其结构可分 为心式和壳式两种，如图8.1.4所示。从结构看，他们都由 一次绕组和二次绕组、闭合铁心等几个主要部分组成。 1. 铁心
（2）功率损耗
交流铁心线圈中的功率损耗有两部分，一部分是铜损PCu ， 它是线圈电阻通过电流时发热产生的损耗， 故PCu=I2RCu； 另一部分是铁损PFe，它是铁心的磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe的 总称。则交流铁心线圈总的功率损耗ΔP可表示为
P Pcu PFe I 2 R cu Ph Pe
变压器和电机都是以磁场为媒介，以电磁感应理论来实现 能量转换。因此，他们都需要有集中磁场的闭合路径，称为 磁路。为了在较小的励磁电流下产生强磁场，那么磁路就应 由高导磁性的铁磁材料构成。 1．铁磁材料的磁性能
铁磁材料是指铁、钴、镍及其合金（即硅钢片）以及铁 氧体等，它具有以下主要特性。 (1) 高导磁性
当交流励磁时，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度 H，这种现象称为磁性材料的磁滞性。此时，磁性材料的磁 化曲线如图8.1.2所示，它是一条封闭曲线，称磁滞回线。
8.1.1 铁磁材料的磁化特性曲线
8.1.2 铁磁材料的磁滞回线
由图8.1.2可见，当磁场强度由Hm减小到0时，B并没有回 到零值，此时的Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。
常用的软磁材料有电工纯铁、硅钢片、铁镍合金、铁 铝合金、软磁铁氧体、铁钴合金等，适用于制造变压器、交
流电机等各种铁心。硬磁材料的主要特点是磁导率低，磁滞 回线宽，剩磁和矫顽力都较大。常用的永磁材料有铝镍钴、 稀土钴、铁氧体等，适用于制造永久磁铁等。 2．基本电磁关系
磁路通常是由铁心线圈构成的，而铁心线圈是将线圈绕制 在铁心上做成的。变压器和交流电动机都要用到交流铁心线 圈，该铁心线圈所接的电源是交流电，如图8.1.3所示。 （1）电磁感应定律
8.1 变压器
变压器的类型很多，根据不同用途，有输配电用的电力 变压器、冶炼用的电炉变压器、电解用的整流变压器、焊接 用的电焊变压器、实验用的调压器和测量用的仪用互感器等。 虽然变压器的种类多，结构上也有差异，但他们的基本原理 却是一样的，都是通过磁路来工作。因此，下面简要介绍磁 路的基本概念。
8.1.1 磁路的基本概念
在物理学中可知，铁磁材料在外加磁场的作用下会被磁
化。此时，由于铁磁材料内部磁畴转到与外磁场相同的方向， 故产生的附加磁场将远大于外磁场。铁磁材料的这种高导磁 性，使得它在一定的励磁电流作用下，可得到很高的磁感应 强度，即产生足够强的磁通。因此，它在变压器和电机等许 多领域得到了广泛的应用。 （2）磁饱和性