第

5

章磁路和交流鐵心線圈電路5.1磁路及其主要物理量5.3交流鐵心線圈電路5.4電磁鐵5.2鐵磁材料和磁路歐姆定律

磁路是研究局限于一定范圍內(nèi)的磁場問題。磁路與電路一樣，也是電工學(xué)課程所研究的基本對象。I

主磁通

漏磁通鐵心線圈磁路：磁通相對集中通過的路徑。5.1磁路及其主要物理量磁路問題也是局限于一定路徑內(nèi)的磁場問題。

如果磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同，這樣的磁場稱為均勻磁場。單位：特斯拉

T，

高斯Gs，1T=104Gs

磁感應(yīng)強(qiáng)度

B

是表示磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。它是一個(gè)矢量。它與電流（電流產(chǎn)生磁場）之間的方向關(guān)系可用右螺旋定則來確定。其大小可用下式確定。B=Fl

I5.1.1磁場的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B即，在均勻磁場內(nèi)，在1m長的導(dǎo)線中流過1A的電流，若該導(dǎo)線受到的磁場力為1N，則此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T。5.1磁路及其主要物理量2.磁通F磁感應(yīng)強(qiáng)度

B（如果不是均勻磁場，則取B的平均值）與垂直于磁場方向的面積S

的乘積，稱為通過該面積的磁通F（F是一個(gè)標(biāo)量），即F=BS或

B=

F

S由上式可見，磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可以看成為與磁場方向相垂直的單位面積所通過的磁通，故又稱為磁通密度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律的公式e=

NdFdt可知，在國際單位制（SI）中，磁通的單位是伏秒，通常稱為韋伯（Wb）。以前在工程上有時(shí)用電磁制單位麥克斯韋（Mx）。兩者的關(guān)系是1Wb=108Mx在國際單位制中,磁感應(yīng)強(qiáng)度

B的單位是特斯拉（T），1T=Wb

m23.磁場強(qiáng)度H磁場強(qiáng)度H是計(jì)算磁場時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量，H的方向與B的方向相同，即是磁場的方向。

H與B的主要區(qū)別是：H代表電流本身所產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)弱，它反映了電流的勵(lì)磁能力，其大小只與產(chǎn)生該磁場的電流大小成正比，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；B代表電流所產(chǎn)生的以及介質(zhì)被磁化后所產(chǎn)生的總磁場的強(qiáng)弱，其大小不僅與電流的大小有關(guān)，而且還與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。B與H之比反映了介質(zhì)的導(dǎo)磁性質(zhì)，用

表示，即

=B/H

稱為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。H的單位為：安培/

米（A/m）真空的磁導(dǎo)率

0=4107

Hm（亨利米）4.磁導(dǎo)率

自然界的物質(zhì)按磁導(dǎo)率的不同，可分為兩大類：磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)。

非磁性物質(zhì)或稱非鐵磁物質(zhì)，其磁導(dǎo)率近似等于真空的磁導(dǎo)率0=4107

Hm（亨利米）

。

磁性物質(zhì)或稱鐵磁物質(zhì)，主要是指鐵、鈷、鎳及其合金而言。它們具有下列磁性能。（1）高導(dǎo)磁性（2）磁飽和性（3）磁滯性5.2鐵磁材料和磁路歐姆定律1.高導(dǎo)磁性磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率

0，兩者之比可達(dá)數(shù)百至數(shù)萬。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，例如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。這樣通入不大的勵(lì)磁電流，便可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高得多，因此磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心而形成一個(gè)閉合通路。這種大量磁通集中通過的路徑，既主磁通通過的路徑稱為磁路。由于電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都有鐵心所構(gòu)成的磁路，這樣一來，研究電流與它所產(chǎn)生磁場的問題便可簡化為磁路的分析與計(jì)算了。2.磁飽和性磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率

0，并且不是常數(shù)，由

=B/H可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H不成正比關(guān)系。B與H的關(guān)系一般用實(shí)驗(yàn)得到的曲線來表示，稱為B—H曲線或磁化曲線。當(dāng)磁場強(qiáng)度H由零逐漸上升時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B從零增加的過程如圖所示。這條B—H曲線稱為初始磁化曲線。BHO如圖所示，在H比較小時(shí)，B差不多與H成正比地增加；當(dāng)H增加到一定值后，B的增加緩慢下來，到后來隨著H的繼續(xù)增加，B卻增加得很少。這種現(xiàn)象稱為磁飽和現(xiàn)象。初始磁化曲線3.磁滯性磁性物質(zhì)都具有保留其磁性的傾向，因而B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。當(dāng)鐵心線圈中通有交變電流時(shí)，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一個(gè)周期時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H而變化的關(guān)系如下圖所示。這種表示B與H變化關(guān)系的閉合曲線稱為磁滯回線。Hm–HmBrHCBH–HCBr——剩磁感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁）HC——矯頑磁力1.磁通連續(xù)性原理

通過任意閉合面的磁通量總為零。即穿入閉合面的磁力線，必同時(shí)穿出該閉合面。2.安培環(huán)路定律

磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分，等于穿過該閉合路徑所包圍的電流的代數(shù)和。I3I1I2

磁路的分析方法當(dāng)電流的方向與閉合路徑的線積分方向符合右手螺旋定則時(shí)，電流前取正號，反之取負(fù)號。得

Hl=NI磁壓降：HllNui3.磁路的歐姆定律根據(jù)安培環(huán)路定律磁動(dòng)勢：F=NI（單位：安）將B=

H和

=BS代入上式磁路磁阻：Rm磁路歐姆定律：–+Hl===NIBl

S

l

（一）直流鐵心線圈電路線圈中有鐵心時(shí)，線圈的電感值會(huì)大大增加，但電感值不是常數(shù)，即鐵心線圈的電感為非線性電感，不能用理想電感元件來代替它。U=IRP=UI=RI2鐵心線圈分為兩種，直流鐵心線圈通直流電來勵(lì)磁，交流鐵心線圈通交流電來勵(lì)磁在直流鐵心線圈電路中，勵(lì)磁電流是直流，產(chǎn)生的磁通是恒定的，不是交變的，在線圈和鐵心中不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢來。在一定的電壓U下，線圈中的電流I只和線圈本身的電阻R有關(guān)；功率損耗也只有RI2。5.3交流鐵心線圈電路（二）交流鐵心線圈電路ee

Nui如圖所示，當(dāng)鐵心線圈兩端加上交流電壓

u時(shí)，線圈中通過交流電流i。磁通勢Ni產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵心而閉合，這部分磁通稱為主磁通

。此外還有很少的一部分磁通主要經(jīng)過空氣或其他非導(dǎo)磁媒質(zhì)而閉合，這部分磁通稱為漏磁通

。主磁通和漏磁通

將在線圈中產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢，分別是主磁電動(dòng)勢e和漏磁電動(dòng)勢e

。

Nui設(shè)：

=

msint1.感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通的關(guān)系ee

e=–

N

mcost=

Emsin(t-90)感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值：––+–++（二）交流鐵心線圈電路可見在相位上，

e滯后于

90°。主磁電動(dòng)勢漏磁電動(dòng)勢很小，可忽略。式中2.外加電壓與磁通的關(guān)系u→Fm=Ni

→uR=iR

(主磁通)→

(漏磁通)→由KVL：u+e

+e

–

iR

=0故u

–e因R和e

很小，U的有效值U

E

=

4.44fNmU

4.44fNBmS

Nuiee

––+–++可見，在U

和f一定時(shí)，在交流鐵心線圈電路中

m也基本上不變。磁通勢

Ni(1)銅損線圈電阻產(chǎn)生的損耗(ⅰ)磁滯損耗

鐵心反復(fù)磁化時(shí)所消耗的功率。(ⅱ)渦流損耗

在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的損耗。

(2)鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗PCu

=I

2R3.功率損耗5.3交流鐵心線圈電路e

–+u–+e–+損耗=銅損+鐵損交變磁化一周在鐵心的單位體積所產(chǎn)生的磁滯損耗和磁滯回線所包圍的面積成正比

鐵心損耗ee

Nui銅損

Pcu=I2RPFe

=

Ph+

Pe損耗=銅損+鐵損磁滯損耗渦流損耗硅鋼片

3.功率損耗渦流損耗

在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的損耗。

5.4電磁鐵銜鐵鐵心鐵心線圈線圈銜鐵結(jié)構(gòu)：線圈、鐵心、銜鐵利用電磁力實(shí)現(xiàn)某一機(jī)械發(fā)生動(dòng)作的電磁元件。1.直流電磁鐵(1)電磁吸力通入直流，無鐵損，鐵心用整塊的鑄鋼、軟鋼。

→F↑對直流U=IR

U不變時(shí)，I不變磁通勢

Fm=IN

=Um=

Rm也不變Rm=Rm0+Rm1Rm=Rm1吸合后前

↑

在吸合后B0↑S不變結(jié)論：吸合后,吸力變大！(2)吸合前后的電磁吸力變化情況F=107

28St

、ff

1鐵心電磁吸力由于

1與

2之間出現(xiàn)了相位差，合成磁通所產(chǎn)生的電磁吸力就不會(huì)為零。磁通為零，吸力也為零

2短路銅環(huán)分磁環(huán)（短路銅環(huán)）結(jié)構(gòu)2.交流電磁鐵（1）平均電磁吸力鐵心由硅鋼片疊成；有分磁環(huán)。2.交流電磁鐵（2）吸合前后的電磁吸力—不變根據(jù)U=

4.44fNm當(dāng)U,

f,

N不變,

m不變→Bm不變→吸力F不變。磁通勢

Fm=iN

=

RmRm=Rm0+Rm1Rm=Rm1吸合后前

在吸合過程中,吸力不變,勵(lì)磁電流由大變小大→iN↑→

有效值I大小→iN↓→

有效值I小F=107

216S[例]把一臺(tái)50Hz、380V的交流電磁鐵接在50Hz、220V的交流電源上，會(huì)出現(xiàn)什么問題？怎樣解決？[解]根據(jù)U4.44fNmU

m

F

吸力不足解決方法：可減少N注意：在交流電磁鐵吸合時(shí)，如發(fā)生銜鐵被卡住而不能吸合，則會(huì)發(fā)生因線圈長期通過過大電流，而使線圈過熱而燒壞。F=107

28S電磁鐵應(yīng)用一例M3~抱閘電磁鐵鐵心制動(dòng)輪彈簧銜鐵電動(dòng)機(jī)未通電時(shí)M3~電磁鐵應(yīng)用一例M3~抱閘制動(dòng)輪彈簧銜鐵電磁鐵鐵心電動(dòng)機(jī)通電時(shí)再見第5章復(fù)習(xí)題一、是非題1、直流電磁鐵的吸力大小與氣隙距離的長短無關(guān)。（非）2、一個(gè)交流鐵心線圈接在電壓一定的交流電源上，如果線圈匝數(shù)不變，鐵心面積增加一倍，則鐵心中的磁通最大值亦增加一倍。（非）3、交流電磁鐵線圈匝數(shù)、電源電壓及鐵心尺寸不變時(shí)，若氣隙增加，則磁通量基本不變，而線圈電流增大。（是）4、在電源電壓一定時(shí)，交流電磁鐵的吸力大小與氣隙距離的長短有關(guān)。（非）5、交流電磁鐵心的端部嵌裝短路環(huán)是為了形成具有相位差的兩部分磁通，使它們在氣隙中形成的合力不會(huì)有零值，脈動(dòng)減小。（是）6、在交流電磁鐵吸合時(shí)，如發(fā)生銜鐵被卡住而不能吸合，則會(huì)發(fā)生因線圈長期通過過大電流，而使線圈過熱而燒壞。（是）二、單項(xiàng)選擇題1、交流鐵心線圈的鐵心用相互絕緣的硅鋼片疊成，而不用整塊硅鋼，其目的是（1）增加磁通（2）減少磁滯損耗（3）減少線圈銅損耗（4）減少渦流損耗。（4）2、直流電磁鐵中的電流取決于（1）電源電壓和線圈電阻（2）電源電壓和線圈電感（3）磁路中氣隙的大?。?）電磁吸力的大小（1）3、交流電磁鐵電磁吸力的特征是（1）大小不變、方向不變（2）大小不變，方向均隨電流的交變而變（3）大小是脈動(dòng)，方向不變（4）大小和方向均隨電流的交變而變。（3）4、交流鐵心線圈的匝數(shù)固定