1、1,第6章 磁路與鐵心線圈電路,返回,2,6.1 磁路及其分析方法 6.2 交流鐵心線圈電路 6.3 變壓器 6.4 電磁鐵,目 錄,返回,3,磁場的特性可用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等幾個(gè)物理量表示。,一、磁感應(yīng)強(qiáng)度,與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁 力線），可表示磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向。,B的單位：特斯拉（T） 1T104Gs 的單位：韋伯,矢量,6.1 磁路及其分析方法 6.1.1 磁場的基本物理量,4,二、磁通 磁感應(yīng)強(qiáng)度B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。,如 磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同， 這樣的磁場則稱為均勻磁場。,BS,

2、的單位：伏秒，通稱為韋伯 Wb 或麥克斯韋Mx 1Wb108Mx,5,三、磁場強(qiáng)度,磁場強(qiáng)度是計(jì)算磁場所用的物理量，其大小為磁 感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。,H的單位：安米 的單位：亨米,安培環(huán)路定律（全電流定律）： 磁場中任何閉合回路磁場強(qiáng)度的線積分,等于通過這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和，即,矢量,6,電流方向和磁場強(qiáng)度的方向 符合右手定則，電流取正； 否則取負(fù)。,在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強(qiáng)度相等）中，如環(huán)形線圈，安培環(huán)路定律可寫成：,7,其中,l x2 x是半徑為x的圓周長 Hx是半徑 x 處的磁場強(qiáng)度 FNI即線圈匝數(shù)與電流的乘積，稱磁通勢 單位為安培（A）,在無分

3、支的均勻磁路中，如環(huán)形線圈，安培環(huán)路定律可寫成：,8,討論,磁場內(nèi)某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度H與有關(guān)嗎？,由上兩式可知，磁場內(nèi)某一點(diǎn)的H只與電流大小、線圈匝數(shù)及該點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，而與 無關(guān),真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù),四、磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率 是一個(gè)用來表示磁場媒質(zhì)磁性和衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。,9,一般材料的磁導(dǎo)率 和真空磁導(dǎo)率 0 的比值，稱為 該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率 r,或,10,磁性材料的磁性能,一、高導(dǎo)磁性 指磁性材料的磁導(dǎo)率很高， r1，使其具有 被強(qiáng)烈磁化的特性。,二、磁飽和性 當(dāng)外磁場（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，磁性 材料的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與磁場的方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度BJ達(dá)到飽和

4、值。, 6.1.2 磁性材料的磁性能,高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性,11,磁化曲線,B和與H的關(guān)系,注,當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí) B與H不成比例，與I也不成比例。,三、磁滯性 當(dāng)鐵心線圈中通有交變電流（大小和方向都變化） 時(shí)，鐵心就受到交變磁化，電流變化時(shí)，B隨H而變化， 當(dāng)H已減到零值時(shí)，但B未回到零，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯 后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱磁性物質(zhì)的磁滯性。,12,磁滯回線,剩磁：當(dāng)線圈中電流減到零 （H0），鐵心在磁化時(shí)所 獲的磁性還未完全消失，這 時(shí)鐵心中所保留的磁感應(yīng)強(qiáng) 度稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。,根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種： 軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、 永

5、磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、 矩磁材料（磁滯回線接近矩形。可用做記憶元件）。,13,一、磁路,線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通 。,線圈,鐵心,6.1.3 磁路的分析方法,14,二、磁路的歐姆定律,對于環(huán)形線圈,磁路的 歐姆定律,說明,F=NI為磁通勢 Rm為磁阻 l為磁路的平均長度 S為磁路的截面積,15,磁路與電路對照,磁路,電路,磁通勢F,電動(dòng)勢E,磁通,電流I,磁感應(yīng)強(qiáng)度B,電流密度J,磁阻Rm,電阻R,16,三、磁路的計(jì)算,在計(jì)算電機(jī)、電器等的磁路時(shí)，要預(yù)先給定鐵心中的磁通（或磁感應(yīng)強(qiáng)度），而后按照所給的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求產(chǎn)生預(yù)定磁通所需的磁通勢FNI

6、（或勵(lì)磁電流I）。 計(jì)算均勻磁路要用磁場強(qiáng)度H，即NIHl， 如果磁路由不同的材料、長度和截面積的幾段組成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成： NIH1 l1H2 l2（H l）,17,如：由三段串聯(lián)而成的 繼電器磁路,18,解,磁路的平均長度為 l（1015）2） 39.2cm 查鑄鋼的磁化曲線，當(dāng)B0.9T 時(shí)， H1500Am 于是 H1 l1195A 空氣隙中的磁場強(qiáng)度為 H0B0 00.9（4 x 107）7.2 x 105A/m,19,H07.2 x 105 x 0.2 x 10-21440A 總磁通勢為 NI（H l）H1 l1H0 19514401635 A 線圈匝數(shù)為 NNII

7、1635,若要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使線圈的用銅量大為降低。 若線圈中通有同樣大小的勵(lì)磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低。 當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須增大勵(lì)磁電流（線圈匝數(shù)一定）。,結(jié)論,6.2 交流鐵心線圈電路,2交流鐵心線圈電路,鐵心線圈分為兩種：,1直流鐵心線圈電路,u,e,e,i,N,鐵心如圖所示，如果在鐵心上繞有N匝線圈，并在線圈兩端加上電壓u，則在線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流 i，磁動(dòng)勢F=Ni產(chǎn)生的磁通絕大多數(shù)通過鐵心而閉合，這部分磁通稱為工作磁通 。,此外還有一少部分通過空氣等非磁性

8、材料而閉合，這部分磁通稱為漏磁通，用表示。,這兩個(gè)磁通分別在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e和e。e為主磁電動(dòng)勢，e為漏磁電動(dòng)勢。,一、電磁關(guān)系,這個(gè)電磁關(guān)系可表示如下：,式中N=Li中的 L為常數(shù)，稱為漏電感，而i與不存在線性關(guān)系，即 L不是常數(shù)。,因此，鐵心線圈是一個(gè)非線性的電感元件。,和L與i的關(guān)系如圖所示。,L,據(jù)KVL有：,當(dāng),V為正弦時(shí)，,上式中的各量可視作正弦量，于是上式可用相量表示：,二、電壓電流關(guān)系,式中X為漏磁感抗，R為線圈的電阻。,相量表示式：,設(shè),則,式中：,25,注意：m無有效值；大寫為瞬時(shí)值。,有效值為：,由于R和X很小 ，UR和U與U/相比可忽略。,Bm為鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的

9、最大值，S為鐵心面積。,即,2鐵損,1銅損, 磁滯損耗, 磁滯損耗, 渦流損耗,在交流鐵心線圈中，功率損耗由兩部分組成：,在交變磁場中，鐵磁材料要反復(fù)磁化，就產(chǎn)生了類似摩擦發(fā)熱的能量損耗，我們稱之為磁滯損耗。可以證明，交變磁化一周在鐵心的單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。這里有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：,三、功率損耗,磁滯損耗要引起鐵心發(fā)熱。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。硅鋼就是變壓器和電機(jī)中常用的鐵心材料，其磁滯損耗較小。,這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。 n的取值范圍在1.5到2.5之間，一般取2。,從上式可以看出，磁滯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，也與頻率和鐵心

10、的體積成正比。, 渦流損耗,由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗Pe,當(dāng)線圈中通有交流電時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通也是交變的。因此，不僅要在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而且在鐵心內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著。,渦流損耗也要引起鐵心發(fā)熱。為了減小渦流損耗，在順磁場方向鐵心可由彼此絕緣的硅鋼疊成，這樣就可以限制渦流只能在較小的截面內(nèi)流通。此外，通常所用的硅鋼片中含有少量的硅（0.84.8%），因而電阻率較大，這也可以使渦流減小。,由此可見,所以，在鐵心線圈電路中Bm不能取的太大。（為什么）,一般取0.8-1.2T。,在交流磁通的作用下，鐵心內(nèi)的這兩種損耗合稱鐵

11、損PFe。鐵損差不多與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm 的平方成正比，故Bm 不宜選得過大。,渦流有有害的一面，但在另外一些場合下也有有利的一面。對其有害的一面應(yīng)盡可能地加以限制，而對其有利的一面則應(yīng)充分地加以利用。,例如，利用渦流的熱效應(yīng)來冶煉金屬，利用渦流和磁場相互作用而產(chǎn)生電磁力的原理來制造感應(yīng)式儀器、滑差電機(jī)及渦流測距器等。,又因?yàn)?當(dāng)U一定時(shí)，為什么N不能太小？,從上述可知，鐵心線圈交流電路的有功功率為,P=UIcos=I2R+ PFe,四、等效電路,鐵心線圈交流電路也可用等效電路進(jìn)行分析，所謂等效電路，就是用一個(gè)不含鐵心的交流電路來等效代替它。,等效的條件是：在同樣電壓作用下，功率、電流及各量之間的相位關(guān)系保持不變注意：鐵心線圈中的非正弦周期電流已用等效正弦電流代替。這樣就使磁路計(jì)算的問題 簡化為電路計(jì)算的問題了。,先把鐵心線圈的電阻R和感抗X劃出，剩下的就成為一個(gè)沒有電阻和漏磁通的理想鐵心線圈電路。,等效電路,但鐵心中仍有能量的損耗和能量的儲(chǔ)放。因此可將這個(gè)理想的鐵心線圈交流電路用具有電阻R0和感抗X0的一段電路來等效代替。其電路如圖所示。,其中電阻R0是和鐵心中能量損耗（鐵損）相應(yīng)的等效電阻，其值為,感抗X0是和鐵心中能量的儲(chǔ)放