磁路及变压器
止原来磁场的增加;当
，即穿过线圈的磁通减少时，
e>0,这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电
流产生的磁场要阻止原来磁场的减少。
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5. 2 交流铁芯线圈
所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加 正弦交流电压。
5. 2. 1线圈感应电动势与磁通的关系
交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流 铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是 直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动 势。而交流铁芯线圈的电流是变化的，变化的电流会产生变 化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流 关系也与磁路情况有关。
5.3.3 变压器的工作原理
变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器 为例说明其基本工作原理。
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
如图5-5所示，当原边绕组上加上电压u1时，流过电流i1， 在铁芯中就产生交变磁通，其中绝大部分磁通经铁芯闭合， 为主磁通Φ。此外还有很少一部分磁通经空气或其他非铁磁 性物质闭合，为漏磁通Φσ，这两个磁通分别在线圈中感应主 电动势e和漏感电动势eσ。两侧绕组分别感应主电动势e1、 e2。e1和e2也按正弦规律变化，它们的有效值分别为
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
5. 3. 2变压器的结构
变压器通常由一个公共铁芯和两个或两个以上的线圈(又称绕 组)组成。按照铁芯和绕组结构形式的不同，分为心式变压器 和壳式变压器两类，如图5-4所示。
铁芯是变压器的磁路部分，为减少涡流和磁滞损耗，铁芯多 用厚度为0. 35~0. 55mm的硅钢片叠成，硅钢片两侧涂 有绝缘漆，使片间绝缘。心式变压器的绕组套在铁芯柱上， 绕组装配方便，用铁量较少，多用于大容量变压器。壳式变 压器的铁芯把绕组包围在中间，这种变压器制造工艺复杂， 用铁量也较多，但不必使用专门的变压器外壳，常用于小容 量的变压器，如电子线路的变压器。铁芯的叠装一般采用交 错方式，即每层硅钢片的接缝错开，这样可降低磁路磁阻， 减少励磁电流。
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5. 2 交流铁芯线圈
设线圈电压u、电流i、磁通Φ及感应电动势e的参考方向如 图5-2所示，有
式中，N为线圈匝数。 在上式中，若设磁通为正弦量Φ=Φmsinωt，则有
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5. 2 交流铁芯线圈
可见，磁通Φ为正弦量，感应电动势e也是正弦量，且感应 电动势e的相位比磁通Φ的相位滞后90°，并且感应电动势 的有效值与主磁通的最大值关系为
为了简化计算，引入磁场强度H这一辅助物理量。磁场强度 只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质 的磁导率无关。磁场强度的单位是安/米(A/m)。 磁场强度H与磁感应强度B之间的关系为
（5-4）
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5.1 磁路的基本知识
5. 1. 3磁路基本定律
1.安培环路定律 安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其
(H/m) 。由实验测出真空的磁导率为 μ0=4π×10-7H/m 在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率μ，而是用μ
与真空磁导率μ0的比值μr表示，即
μr称为相对磁导率。
（5-3）
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5.1 磁路的基本知识
4.磁场强度 由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，
在输电方面，当输送功率及负载功率因数一定时，电压越高， 线路中的电流就越小，这样不仅可以减少输电线的截面积， 节省材料，还可以减少线路的功率损耗，因此输电时必须利 用变压器将电压升高。
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
在用电方面，从安全和制造成本考虑，一般使用比较低的电 压，如380 V, 220 V,特殊的地方还要用到36 V, 24 V 或12 V，这时需要利用变压器将电压降低到用户需要的电压 等级。
U1≈E1 U20≈E2 此时，原、副边电压之比称为变压比或变比，即
（5-10）
可见，电压比等于原、副边线圈的匝数比。因此，只要改变 线圈的匝数比，就可得到不同的输出电压，从而达到变电压 的目的。
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
2.变压器的电流变换作用 当变压器负载运行时，绕组电阻、铁芯的磁滞及涡流总会产
涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。
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5. 2 交流铁芯线圈
工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电 阻率，在钢中渗透硅即保持了良好的导磁性，又使电阻率大 大提高;二是用片型铁芯，片间涂上绝缘漆，用这种硅钢片叠 成的铁芯代替整块铁芯，既加长了涡流路径，又增加了涡流 电阻，使涡流损耗大大减少。片状铁芯如图5-3(b)所示。
内容是:磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等 于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即
计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正 号，反之取负号。
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5.1 磁路的基本知识
在电工技术中，常常遇到如图5-1 (b)所示的情况，即闭合 回路上各点的磁场强度H相等且其方向与闭合回路的切线方 向一致，则安培环路定律可简化为
（5-28） 上式表明，在忽略线圈电阻R及漏磁通Φσ的条件下，当线圈
匝数N及电源频率f一定时，主磁通的最大值Φm由励磁线圈 的外加电压有效值U确定，与铁芯的材料及尺寸无关。
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5. 2 交流铁芯线圈
5.2.2 交流铁芯线圈的功率损耗
交流铁芯线圈的损耗包括铜损△PCu，和铁损△PFe两部分。 铜损△PCu是线圈电阻R上的有功功率损耗，是由线圈导线发
上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转 换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。
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5. 2 交流铁芯线圈
在图5-2中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有
从上式中可见，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电 压u的相位比磁通中的相位超前900,即在铁芯线圈两端加上 正弦交流电压u，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中， 以及感应电动势e，且均为同频率的正弦量，并且电压及感 应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为
在电子线路中，变压器不仅用来变换电压，提供电源，还用 来藕合电路，传递信号，实现阻抗匹配。在测量方面，可利 用电压互感器、电流互感器的变压、变流作用，打一大交流 电压表及交流电流表的测量范围。
此外，在工程技术领域中，还大量使用各种不同的专用变压 器，如自藕变压器、电焊变压器、电炉变压器、整流变压器 等。虽然变压器的种类很多，用途各异，但基本结构和工作 原理是相同的。
综上所述，交流铁芯线圈电路总的有功功率为 P=UIcosφ=△PCu+△PFe=I2R+I2R0 式中，R0是铁损对应的等作原理
5. 3. 1变压器的用途
变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，具 有变换电压、变换电流、变换阻抗的功能，因而在电力系统 中和电子线路的各个领域得到广泛应用。
热引起的。铜损的值为 △PCu=I2R 式中，I是线圈电流，R是线圈电阻。 铁损△PFe是处于交变磁化下的铁芯中的有功功率损耗，主
要是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称 为磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。
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5. 2 交流铁芯线圈
当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也 是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势， 也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电动势使铁芯产生 涡旋状的感应电流，称为涡流，如图5-3(a)所示。
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
绕组是变压器的电路部分。与铁芯线圈不同，变压器通常有 两个或两个以上的线圈，多数还需要以一定方式联接。一般 小容量变压器绕组用高强度漆包线绕成，接电源的绕组称为 原绕组(又称初级绕组或一次绕组)，接负载的绕组称为副绕 组(又称次级绕组或二次绕组)。
E1=4.44fN1Φm E2=4.44fN2Φm 式中，f为频率，N为匝数；Φm为主磁通最大值。
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5. 3 变压器的用途、结构及工作原理
1.变压器的电压变换作用 当变压器副边空载时(副边开路，其电压设为U20),，如果忽
略漏磁通和原边绕组上的压降(空载电流很小)，则原、副绕 组的电动势近似等于原、副边电压，即
第5章 磁路及变压器
5.1 磁路的基本知识 5.2 交流铁芯线圈 5.3 变压器的用途、结构及工作原理 5.4 特殊变压器及电磁铁
5.1 磁路的基本知识
5.1.1磁路的概念
电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变 压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁 场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过 线圈时，电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁 通称为主磁通，用字母Φ表示;小部分沿铁芯以外空间闭合的 磁通称为漏磁通，用Φσ表示，由于漏磁通很小，在工程中常 略去不计。
∑I=Hl
式中，l为回路(磁路)长度.由于电流I和闭合回路绕行方向符 合右手螺旋定则，线圈有N匝，电流就穿过回路N次。 因此
∑I=NI=F
所以
Hl=NI=F
式中，F称为磁动势，单位是安（A）。
（5-5）
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5.1 磁路的基本知识
2.磁路的欧姆定律 在如图5-1(b)中，磁通Φ为
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5.1 磁路的基本知识
5. 1. 2磁路的主要物理量
1.磁感应强度
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， 它是一个矢量。
磁感应强度的单位是特斯拉(T)，简称特。
1 T=1 Wb/m2
(5-1)
