电动机控制基础之磁路与变压器

图1.1 磁化曲线和μ-H 曲线

图1.2 磁滞回线

不同种类的铁磁材料，磁滞回线的形状不同。纯铁、硅钢、坡莫合金和软磁铁氧体等材料的磁滞回线较狭窄，剩磁感应强度 Br较低，矫顽力 Hc较小。这一类铁磁材料称为软磁材料，通常用来制造变压器、电机和电器（电磁系统）的铁心。而碳钢、铝镍钴、稀土和硬磁铁氧体等材料的磁滞回线较宽，具有较高的剩磁感应强度 Br和较大的矫顽力 Hc。这类材料称为硬磁材料或永磁材料，通常用来制造永久磁铁。

（2）磁滞损耗与涡流损耗。

磁滞现象使铁磁材料在交变磁化的过程中产生磁滞损耗，它是铁磁物质内分子反复取向所产生的功率损耗。铁磁材料交变磁化一个循环在单位体积内的磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比，因此软磁材料的磁滞损耗较小，常用在交变磁化的场合。

铁磁材料在交变磁化的过程中还有另一种损耗——涡流损耗。当整块铁心中的磁通发生交变时，铁心中会产生感应电动势，因而在垂直于磁感线的平面上会产生感应电流，它围绕着磁感线成漩涡状流动，故称涡流，如图1.3（a）所示。涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗称为涡流损耗。涡流损耗和铁心厚度的平方成正比。如果像图1.3（b）所示那样，沿着垂直于涡流面的方向把整块铁心分成许多薄片并彼此绝缘，这样就可以减少涡流损耗。因此交流电机和变压器的铁心都用硅钢片叠成。此外，硅钢中因含有少量的硅，能使铁心中的电阻增大而涡流减小。

图1.3 涡流

磁滞损耗和涡流损耗合称为铁损耗。铁损耗使铁心发热，使交流电机、变压器及其他交流电器的功率损耗增加，温升增加，效率降低。但在某些场合，则可以利用涡流效应来加热或冶炼金属。

2．简单磁路分析

（1）直流磁路。

如图 1.4 所示磁路，在匝数为 N 的励磁线圈中通入直流电流 I，磁路中就会产生一个恒定磁通Φ，这种具有恒定磁通的磁路称为直流磁路。显然，Φ的大小与NI乘积的大小有关。根据物理学中的全电流定律（安培环路定律）可知

即，在闭合曲线上磁场强度矢量H沿整个回路l的线积分等于穿过该闭合曲线所围曲面内电流的代数和。电流方向与设定的积分绕行方向符合右手螺旋定则的电流为正，反之为负。

图1.4 直流磁路

对于如图 1.4 所示具有铁心和空气隙的直流磁路，励磁线圈中通入电流后，磁路中所产生的磁通，大部分集中在由铁磁材料所限定的空间范围内，称为主磁通。此外，还有很少一部分磁通通过铁心以外的空间闭合（图1.4中的Φ'），称为漏磁通。为分析方便，将漏磁通忽略，只考虑主磁通。根据磁通连续性原理，通过铁心中的磁通必定等于通过空气隙中的磁通。一般认为空气隙和铁心具有相同的截面积 A，所以铁心和空气隙中的磁感应强度 B=Φ/A 也必然相同。但因为空气的μ远小于铁心的μ，故空气隙中的磁场强度H=B/μ将远大于铁心中的磁场强度Hμ=B/μ。

根据式（1.1），取一条磁场线作为闭合路径并作为环循方向，则

故

式，lµ中是铁心的平均长；l度为空气隙长度A；为铁心和空气隙的截面积μ；和μ为它们的磁导率Rmμ。=lµ/μA称为铁心的磁阻Rm,0，=l/μA称为空气隙的磁阻N，I是产生磁通的磁化力，称为磁通势。如果磁路由几段串接而成，则

式中，Rm∑为各段磁路磁阻之和。式（1.4）在形式上与电路的欧姆定律相似，称为磁路的欧姆定律。但应注意，由于铁心的磁导率μ不是常数，所以它的磁阻Rmμ也不是常数，要随B的变化而改变，故磁阻是非线性的。还应注意，虽然空气隙长度通常很小，但μN2，一般规定二次侧的额定电压为100V。

电流互感器的原理图如图1.17所示。电流互感器的主要原理是变压器的变流作用，即

图1.16 电压互感器原理图

图1.17 电流互感器原理图

为减小电流，要求N1