第15章 电机与电气控制技术基础
15.1 磁路与变压器
电能的应用遍及城乡，大量的用电设施（如：电机、变压器、电磁铁、电工测量仪表等）中，铁磁性元件的应用占有相当大的比重。因此，除电路与电路分析外，磁路以及电磁关系的分析也是电工技术中的重要基础。
本节所研究的磁路基础与变压器，也是电机和其它一些电气设备的基础，我们将以电磁铁与电磁继电器为例，介绍磁路及其电磁关系的应用。
变压器是一种静止的电磁装置，也是输配电中不可缺少的设备，它对电能的经济传输、灵活分配与安全使用具有重要的意义。它不仅主要用来改变电压，也可以用来改变电流，改变阻抗或在控制系统中变换传递信号。我们将以一般用途的电力变压器为主，研究其基本原理与运行特性，还将对特殊用途的变压器作介绍。
15.1.1 磁路基础与磁路基本定律
1． 磁路基础
磁路是由铁心与线圈构成的让磁通集中通过的闭合回路，如图15-1所示。
描述磁路及磁场的基本物理量：磁感应强度B，磁场强度H，磁通量Φ及磁导率μ，物理中已学过，不再赘述。
构成磁路的重要材料是铁磁性材料，铁磁性材料的磁性能与损耗是分析磁路所必须熟知的。
铁磁性材料主要有铸钢、硅钢片、铁及其与钴
镍的合金、铁氧体等，它们在外磁场的作用下将被
强烈地磁化，使磁场显著增强，可以把绝大部分磁力线集中在其内部和一定的方向上。
高导磁性、磁饱和性和磁滞性是铁磁性材料的三大主要性能。
高导磁性即其相对磁导率很大（数千以至数万之大），且随磁场强度H的不同而变化，这是由于构成铁磁性材料的微观分子团具有磁畴结构（关于磁畴的概念物理学中已有详述）。利用优质的磁性材料可以实现励磁电流小，磁通足够大的目的，可以使同一容量的电机设施的重量和体积大大减轻和减小。
磁饱和性即磁性材料的磁化磁场B（或Φ）随着外磁场H（或I）的增强，并非无限地增强，而是当全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场一致时，磁感应强度B不再增大，达到饱和值。亦即铁磁性材料的磁化曲线是非线性的，如图15-2所示。为了尽可能大地获得强磁场，一般电机铁心的磁感应强度常设计在曲线的拐点a附近。

图15-2 磁性材料的磁化曲线 图15-3 铁磁材料的磁滞回线
磁滞性则主要表现在当磁化电流为交变电流使磁性材料被反复磁化时，磁化曲线为封闭曲线，称为磁滞回线。如图15-3所示，回线具有对称性，Bm为饱和磁感应强度，当磁化电流减小使H为0时，B的变化滞后于H，有剩磁B r。为消除剩磁，须加反向磁场H c，称为矫顽磁力。产生磁滞现 原因是铁磁材料中磁分子在磁化过程中彼此具有摩擦力而互相牵制。由此引起的损耗叫磁滞损耗。
不同的铁磁性材料，其磁滞回线的面积不同（物理学上可证明，单位体积的铁磁材料因磁滞性引起的损耗正比于回线的面积）形状也不同。据此可将铁磁材料分为三大类，第一大类是软磁性材料，其回线呈细长条形，B r小，H c也小，磁导率高，易磁化也易退磁，常用作交流电器的铁心，如硅钢片、坡莫合金、铸钢、铸铁、软磁铁氧体等；第二大类是硬磁性材料，回线呈阔叶形状，B r较大，H c也较大，常在扬 、传感器、微电机及仪表中使用，是人造永久磁铁的主要材料，如钨钢、钴钢等；还有一种回线呈矩形形状的铁磁材料，B r大，但H c小，称为矩磁性材料，可以在电子计算机存储器中用作磁芯等记忆性元件。常见的铁磁性材料见表15-1。
表15-1 常用铁磁材料
类别
材料
μmax
Br（T）
Hc（A/m）
铸 铁
200
0.475～0.500
800～1040
硅钢片
8000～10000
0.800～1.200
32～64
坡莫合金
20000～2000000
1.100～ 1.400
4～24
碳 钢
0.800～1.100
2400～3200

下一页