第7章 磁路與鐵心線圈電路課件

第7章磁路與鐵心線圈電路

7.1磁場(chǎng)的基本物理量7.2鐵磁材料的磁性能7.3磁路與磁路歐姆定律7.4交流鐵心線圈電路7.5電磁鐵第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)中用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、導(dǎo)磁率和磁場(chǎng)強(qiáng)度等基本物理量來描述。

7.1.1磁感應(yīng)強(qiáng)度B

表征磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。它是一個(gè)矢量，可用試驗(yàn)載流線段在磁場(chǎng)中受到作用力的大小和方向來確定。它與電流的方向關(guān)系可以用右手螺旋法則來判定，其大小為：下一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，T；

I為通過導(dǎo)線的電流，A；

l為垂直磁場(chǎng)方向?qū)Ь€的長(zhǎng)度，m；

F為在磁場(chǎng)中受到的作用力，N。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位：國(guó)際單位制（SI）單位是特斯拉，簡(jiǎn)稱特（T），電磁制(CGSM)的單位為高斯(Gs)，1T＝104Gs。如果磁場(chǎng)內(nèi)所有點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同，這樣的磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量7.1.2磁通φ在均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于方向磁場(chǎng)的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通，即：式中：φ為磁通，Wb；

S為面積，m2；磁通反映了磁導(dǎo)體某個(gè)范圍內(nèi)磁力線的多少，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B，又可以稱為磁通密度。磁通的單位：國(guó)際單位制（SI）制單位是為韋伯（Wb），電磁制(CGSM)的單位為麥克斯韋（Mx），1Wb=108Mx。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量7.1.3磁導(dǎo)率μ不同的介質(zhì)的導(dǎo)磁能力不同。描述磁場(chǎng)介質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量稱為磁導(dǎo)率μ。如圖7.1.1所示的線圈通電后，在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)弱與通過線圈的電流I和線圈的匝數(shù)N的乘積成正比。線圈內(nèi)部x處各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為：式中：lx表示x點(diǎn)處的磁力線的長(zhǎng)度。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量由此可見，某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與磁導(dǎo)體介質(zhì)、流過電流大小、線圈的匝數(shù)及該點(diǎn)的位置有關(guān)。在SI制中，單位為享／米(H／m)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，真空的磁導(dǎo)率μ0＝4π×10-7(H／m)，因?yàn)棣?是一個(gè)常數(shù)，工程上常把其他介質(zhì)的磁導(dǎo)率與之相比較，稱其為相對(duì)磁導(dǎo)率，是標(biāo)量，常用字母μr表示，即：下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量根據(jù)上式，可把物質(zhì)分為三類：第一類為反磁物質(zhì)，μr<1，如銅、銀、炭；第二類為順磁物質(zhì)，μr＞1，如鉑、錫、鋁等；第三類為鐵磁物質(zhì)，μr>>1，如鐵、鎳、鈷和它們的合金。反磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都近似為1，均接近于真空磁導(dǎo)率μ0。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量7.1.4磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，除了與回路的電流大小有關(guān)外，還受到載流回路周圍物質(zhì)磁化的影響。例如，一個(gè)帶鐵心的螺線管，它的總磁場(chǎng)可以分為兩個(gè)部分，一部分為螺線管中電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)，另一部分為鐵心內(nèi)部由于磁疇排列整齊而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，這個(gè)附加磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外磁場(chǎng)。而且是一個(gè)變量，隨外磁場(chǎng)的大小而變化。所以這種磁介質(zhì)(鐵心)使磁場(chǎng)的分析計(jì)算復(fù)雜化，為了反映外磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系，便于計(jì)算，引進(jìn)一個(gè)輔助計(jì)算矢量——磁場(chǎng)強(qiáng)H。在磁場(chǎng)中任何一點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與媒介質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，只與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流和載流導(dǎo)體空間的布置情況有關(guān)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H為磁場(chǎng)中某一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與該點(diǎn)介質(zhì)的磁導(dǎo)率的比值。H和B有相同的方向，其大小為：由式（7.1.3）和式（7.1.5）可得：下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.1磁場(chǎng)的基本物理量上式表明磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H值與電流大小、線圈匝數(shù)及該點(diǎn)的位置有關(guān)，而與該點(diǎn)處介質(zhì)的磁導(dǎo)率無關(guān)。在SI制中，H的單位安/米(A／m)，在CGSM制中的單位是奧斯特(Oe)，它們的換算關(guān)系為：1A/m=4π×10-3Oe。上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

磁性材料很多，常用的主要有鐵、鎳、鈷及其合金等材料。不同介質(zhì)的導(dǎo)磁能力也不同。7.2.1鐵磁材料的磁性能在工程上使用的磁性材料都是指磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1的鐵磁材料，它具有以下的磁特性：下一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

1．導(dǎo)磁性鐵磁材料的磁導(dǎo)率很高，其值可達(dá)數(shù)百、數(shù)千以至數(shù)萬。象硅鋼片的相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝6000～8000，坡英合金(鐵鎳合金)可達(dá)105左右。鐵磁材料這一高導(dǎo)磁性使它在外磁場(chǎng)作用下，能被強(qiáng)烈磁化而呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性。鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率為什么會(huì)比真空中的磁導(dǎo)率大得多呢？這是由于將鐵磁物質(zhì)放入磁場(chǎng)后，它就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c外磁場(chǎng)同方向的并比外磁場(chǎng)強(qiáng)得多的磁鐵。因而使總磁場(chǎng)比原有(真空中或空氣中的)磁場(chǎng)強(qiáng)得多。一種物質(zhì)從不顯示磁性到顯示磁性的現(xiàn)象叫磁化。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

鐵磁材料之所以較容易被磁化，是由這類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。在物質(zhì)分子中，電子一方面圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，另一方面它又自轉(zhuǎn)，電子運(yùn)動(dòng)形成分子電流。該分子電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，每個(gè)分子相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。磁性物質(zhì)內(nèi)部還分成許多小區(qū)域，由于磁性物質(zhì)的分子間有一種特殊的作用力而使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁鐵都排列整齊，顯出磁性，如圖7.2.1（b）所示。在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，鐵磁物質(zhì)的磁疇排列取向極不規(guī)則，相互抵消，對(duì)外不顯示磁性，但在外磁場(chǎng)作用下。磁疇作定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的與外磁場(chǎng)同方向的附加磁化磁場(chǎng)，使鐵磁物質(zhì)對(duì)外呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

非鐵磁物質(zhì)中小磁疇結(jié)構(gòu)完全雜亂無章，既使在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇結(jié)構(gòu)仍無明顯變化，不能產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，其對(duì)外的磁場(chǎng)與真空狀態(tài)接近，如圖7.2.1（a）所示。

2．磁飽和性磁性物質(zhì)在磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

磁飽和性是鐵磁材料固有的特性，即B不會(huì)隨著H的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)。如果對(duì)鐵心線圈通電，鐵心就被磁化，產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)，逐漸加大通電電流，磁化磁場(chǎng)逐漸強(qiáng)。當(dāng)勵(lì)磁電流(產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)的電流)增大到一定程度，磁性材料內(nèi)部的全部磁疇的磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)方向一致，這時(shí)再增加勵(lì)磁電流，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B幾乎不再增大，此對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bj稱磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度，如圖7.2.2磁化曲線中虛線所示。圖中B0是空心線圈通過電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，隨著勵(lì)磁電流的增加而線性增加，其值極小，也不飽和?？偞鸥袘?yīng)強(qiáng)度B由Bj和B0疊加，組成實(shí)際B一H感化曲線。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

由圖可知，磁化曲線可分為4段：

1）oa段，B增加非常緩慢；

2）ab段，B隨H增加很快，B和H差不多按比例增長(zhǎng)，近似為線性；

3）bc段，隨著H的增長(zhǎng)，B的增加緩慢下來，此段稱為曲線的膝部；下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

4）c以后，B幾乎不再增加，最大值B，這時(shí)為磁飽和狀態(tài)。b點(diǎn)稱為膝點(diǎn)，電源變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度B通常選在b點(diǎn)附近，以提高相對(duì)磁導(dǎo)率，又可防止磁飽和。通訊電路中變壓器或電感為減小損耗，提高線性度，通常選在磁化曲線的a點(diǎn)附近。當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B和H不成正比，如圖7.2.3所示。故，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ常數(shù)，它隨H而改變。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

3．磁滯性當(dāng)鐵心線圈在交流勵(lì)磁電流作用下，鐵心受到反復(fù)磁化。下面我們就圖7.2.4所示的的曲線分析一下磁性材料的磁滯性。在測(cè)取鐵磁材料磁化曲線時(shí)，

1）當(dāng)線圈中的勵(lì)磁電流由零向正方向增長(zhǎng)時(shí)，鐵心被磁化，H由零上升到Hm，B沿oa曲線上升；

2）當(dāng)勵(lì)磁電流由正降到零，H也由Hm降至零時(shí)，鐵心磁化獲得的磁性尚未完全消失，B不是沿ao下降，而是沿曲線ab下降。鐵心中有剩磁Br；下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

3）當(dāng)H由零變到一Hm，即反向磁化時(shí)，B沿著bcd變化。鐵心中仍有剩磁Br；

4）當(dāng)H由一Hm上升到零時(shí)，B沿de變化；

5）當(dāng)H再由零上升到Hm時(shí)，B沿著曲線efa上升，又幾乎回到a點(diǎn)。這樣反復(fù)磁化一個(gè)循環(huán)，就得到一個(gè)閉合曲線abcdefa，稱為鐵磁材料的磁滯回線。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

從磁滯回線可以看出，上升磁化曲線和下降磁化曲線不重合。當(dāng)H下降到零時(shí)，B不是下降到零而是下降到Br，這種B滯后于H的性質(zhì)叫磁滯性，Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。使Br減至零所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度—HC稱為矯頑磁力。Br、HC是表征鐵磁材料的兩個(gè)重要參數(shù)。鐵磁材料不同，其磁化曲線和磁滯回線不同，根據(jù)磁鐵材料磁性能上的差異，可以分為三類：下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

1）軟磁材料具有很高的導(dǎo)磁性，剩磁與矯頑力都很小，磁滯回線窄，磁滯損耗小。其磁滯回線如圖6．2．3(a)所示。這一類材料常用的有硅鋼、鑄鐵、鐵氧體等。一般用來制作電機(jī)、變壓器及電器線圈的鐵心。鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，例如可做計(jì)算機(jī)的磁心、磁鼓以及錄音機(jī)的磁帶、磁頭。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

2）硬磁材料具有較大的剩磁，磁滯回線較寬，其磁滯回線如圖6.2.3(b)所示。常用這一類材料有碳鋼、鐵鎳鋁鈷合金等。一般用來制作永久磁鐵。近年來，稀土鈷等的矯頑磁力更大。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

3）矩形磁材料具有矩形滋滯回線的是一種特殊的磁性材料，它具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。它在很小的外磁場(chǎng)作用下就能磁化并達(dá)到飽和，去掉外磁場(chǎng)仍能保持，其磁滯回線如圖6.2.3(c)所示。這一類材料常用的有經(jīng)過組織化處理后的鐵鎳合金，金屬矩磁材料制成薄膜可作為計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)的可作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

7.2.2鐵磁材料的損耗鐵心通過恒定磁通不產(chǎn)生損耗。鐵心中若通過交變磁通，則鐵心內(nèi)部將產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。低頻時(shí)磁滯損耗比渦流損耗大，高頻時(shí)主要是渦流損耗。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

1．磁滯損耗鐵磁材料在交變磁場(chǎng)的作用下，按磁滯回線反復(fù)磁化，磁疇間不斷“磨擦”消耗能量。磁滯損耗與交變磁化頻率f成正比，還與材料磁滯回線面積、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm以及體積有關(guān)。磁滯功率損耗可由下式表示：式中,Pcz為磁滯損失功率；δcz為鐵磁材料有關(guān)系數(shù)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

2．渦流損耗當(dāng)鐵心通過交變磁通時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵心中將產(chǎn)生感生電勢(shì)和感生電流，這些電流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通呈游渦狀流動(dòng)，故稱為渦流，其功率損耗稱渦流損耗。為減小渦流損耗，一般鐵心不用整塊鐵磁材料，而是采用相互絕緣的薄鋼片組成，增長(zhǎng)了渦流的路程；另外在電工鋼中加入4％左右的硅。以提高電阻系數(shù)ρ。以上措施都是提高渦流回路的電阻，以減小渦流損耗。在工頻下應(yīng)用，硅鋼片的厚度約為0.35～0.50mm，音頻下為0.02～0.05mm，渦流的損失功率可由下式計(jì)算：下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

7.2.2磁記錄和磁記憶材料磁性材料可用于記錄，也可用于記憶，記錄是一種大小變化的模擬量，記憶是一種0和1組成的數(shù)字量。

1．磁記錄材料磁記錄材料是用來記錄、存儲(chǔ)和再現(xiàn)信息的磁性材料、由磁帶、磁盤等磁記錄媒質(zhì)和磁頭材料組成。磁記錄是通過磁帶和磁頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

當(dāng)被記錄的非電信號(hào)，如聲音、圖象或其他信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)時(shí)，經(jīng)放大送到磁頭線圈上，由于線圈中電流方向、大小不同，在磁頭間隙中將產(chǎn)生不同的變化磁通。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中當(dāng)涂敷磁性層的磁帶與磁頭工作縫隙接觸時(shí)，低磁阻的磁性層將磁頭縫隙中磁力線旁路，磁通經(jīng)過磁帶構(gòu)成閉合回路，結(jié)果使磁帶上與磁頭接觸的磁性體被磁化。而當(dāng)磁帶以一定速度離開磁頭的縫隙時(shí)，將留下與磁頭內(nèi)磁通方向、大小相一致的剩磁，假定記錄的為正弦波，那么磁帶上的剩磁強(qiáng)度也將沿著磁帶長(zhǎng)度方向按正弦波變化，并把記錄的信號(hào)以剩磁的形式儲(chǔ)存在磁帶中。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

如果要再現(xiàn)記錄信號(hào)，將記錄有磁跡的磁帶表面和重放磁頭接觸。重放磁頭的結(jié)構(gòu)與記錄磁頭的結(jié)構(gòu)相同，二者往往是同一磁頭。磁帶經(jīng)過磁頭縫隙時(shí)，磁帶磁化量變化，鐵心中磁通也變化，因此在磁頭的鐵心線圈中感應(yīng)出與磁化量變化一致的電勢(shì)，經(jīng)電子線路放大，電量和非電量的轉(zhuǎn)換即恢復(fù)被記錄的信號(hào)。磁記錄材料要求具有較大的Br和HC。將材料薄薄地涂敷在非鐵磁性襯底上成磁帶，磁盤和磁鼓，作為表面存儲(chǔ)器。磁頭材料要求高磁導(dǎo)率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低Br和HC，并要求磁導(dǎo)率的高頻特性好，硬度大，居里溫度(TC)高等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.2鐵磁材料的磁性能

2．磁記憶材料磁記錄材料主要指用作電子計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的磁心材料，它要求材料具有矩形磁滯回線。一個(gè)小磁心就是一個(gè)具有雙穩(wěn)態(tài)的元件。把磁性材料粉末粘合在薄膜上就可得到可以存放很多具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)(又稱二進(jìn)制信息)單元存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器是電子計(jì)算機(jī)重要的組成部分。上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

7.3.1磁路在說明什么是磁路之前，首先讓我們觀察兩個(gè)現(xiàn)象：第一個(gè)現(xiàn)象，在通電螺線管內(nèi)腔的中部電流產(chǎn)生的磁力線平行于螺線管的軸線，磁力線漸近螺線管兩端時(shí)變成散開的曲線，曲線在螺紋管外部空間相接，見圖7.3.1所示。如果將一根長(zhǎng)的鐵心插入通電的螺線管中，則磁力錢在螺線管兩端不再立即散發(fā)，而是沿著鐵心繼續(xù)前進(jìn)。如果把鐵心組成一個(gè)閉合的間路，則絕大部分路力線集中在閉路鐵心中，泄漏到空間的磁力線很少。不管螺線管中有無鐵心，廣義地說，磁通量所通過的磁介質(zhì)的路徑稱為磁路。下一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

第二個(gè)現(xiàn)象是用永磁體作磁源，也產(chǎn)生上述的現(xiàn)象，圖7.3.2（a）給出—方形永磁體單獨(dú)存在時(shí)，磁力線分布的情形如圖7.3.1所示。如果將永磁體放入一個(gè)軟磁體問路的間隙中，見圖7.3.2（b）。同樣地，磁力線的大部分通過軟磁體和永磁體構(gòu)成的回路，這樣的回路也是一個(gè)磁路，圖中用磁力線表示磁通量的密度。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

磁路是許多以電磁原理做成的機(jī)械器件，如電機(jī)、電器、磁電式儀表等等的主要組成部分之一。各種磁路傳遞著磁能、發(fā)揮著應(yīng)有的機(jī)能。大多數(shù)磁路含有磁性材料和工作氣隙(空隙)，完全由磁性材料構(gòu)成閉合磁路為情況也有不少。凡含有空隙的路，一部分磁通量作為有用的磁場(chǎng)，還有一部分磁通量在空隙的附近泄漏在空間，形成漏磁通。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

在軟鐵環(huán)上緊密繞以線圈，如圖7.3.3（a）所示，則磁通量都集中在鐵環(huán)內(nèi)，這樣的鐵環(huán)構(gòu)成一個(gè)無漏磁的磁路。如果鐵環(huán)上只有—部分部位繞以線圈，如圖7.3.3（b）所示，由于鐵環(huán)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣磁導(dǎo)率大，則絕大那分磁通量仍在鐵環(huán)內(nèi)，只有很少的部分泄漏在環(huán)外，如圖7.3.3（b）的虛線所示，這樣的磁路稱為有漏磁的磁路。如果鐵環(huán)上開一個(gè)空隙，如圖7.3.3（c）所示，空隙處的磁通量以磁力線表示，磁力線略向外彎曲，這是含有空隙的磁路，可以把磁路看作鐵心和空隙共兩個(gè)部分串聯(lián)組成，稱之為串聯(lián)磁路。此外，還有并聯(lián)的磁路，見圖7.3.3（d）。變壓器的磁路就屬于這種類型。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

7.3.2磁路基本定律

1．歐姆定律設(shè)有一個(gè)截面積為S，平均周長(zhǎng)為l，磁導(dǎo)率為μ的軟磁圓環(huán)，如圖7.3.4所示，鐵環(huán)上繞以匝數(shù)為N的線圈。式（7.3.5）被稱為磁路的歐姆定律，即磁通的大小與磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁阻成反比。磁動(dòng)勢(shì)與磁化電流i和線圈總匝數(shù)N成正比。磁阻與磁路的長(zhǎng)度（即鐵心的平均周長(zhǎng)l）成正比，與磁導(dǎo)率及磁路的橫面積S成反比。磁動(dòng)勢(shì)則與乘積Ni成正比。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

2．全電流定律全電流定律又稱安培環(huán)路定律，它是計(jì)算磁場(chǎng)的基本定律，其內(nèi)容為：磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在磁場(chǎng)中沿任何閉合回路的線積分，即：上式表示磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在磁場(chǎng)中沿任何閉合回路的線積分等于穿過該閉合回路所包圍面積內(nèi)電流的代數(shù)和。注意：在計(jì)算電流代數(shù)和時(shí)，繞行方向符合右手螺旋定則的電流取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

在電工技術(shù)中，我們常常將全電流定律簡(jiǎn)化為：式中：l為回路（磁路）的長(zhǎng)度。上式表示閉合回路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H相等，且其方向與閉合回路的切線方向一致。由于電流I和閉合回路繞行方向符合右手螺旋定則，線圈有N匝，電流就穿過回路N次。故：下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

3．電磁感應(yīng)定律當(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中的磁通也隨之變化，并在線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流，并產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由的符號(hào)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的參考方向比較而定出。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.3磁路及其基本定律

現(xiàn)將磁路和電路的對(duì)照列表如下。磁路和電路有很多相似之處，但分析與處理磁路比電路要難，比如：在處理磁路時(shí)離不開磁場(chǎng)，但電路一般不涉及電場(chǎng)問題；處理磁路時(shí)要考慮漏磁通，但電路一般不考慮漏電流；因μ不是常數(shù)，故不能直接應(yīng)用磁路的歐姆定律來計(jì)算，而只能用于定性分析。上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

在許多電氣設(shè)備中，鐵心線圈可以通入直流電或交流電來勵(lì)磁。根據(jù)鐵心線圈勵(lì)磁電流的不同，把鐵心分為直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。直流鐵心線圈的勵(lì)磁電流是交流電流，鐵心中產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其損耗也僅僅是線圈的熱損耗（RI2）。而交流鐵心線圈是由交流電勵(lì)磁，鐵心中產(chǎn)生的磁通是交變的，在線圈和鐵心中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并且存在電磁關(guān)系、電壓電流關(guān)系及功率損耗等問題。下一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

圖7.4.1是交流鐵心線圈電路。設(shè)線圈的匝數(shù)為N，當(dāng)在線圈兩端加上交流電壓u時(shí)產(chǎn)生的交流勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁線圈時(shí)產(chǎn)生交變的磁通，其中絕大部分是主磁通φ，小部分是漏磁通φσ。這兩個(gè)磁通在線圈中產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ

．此外，線圈本身還有電阻R產(chǎn)生電壓降iR。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

7.4.1電壓、電流的關(guān)系對(duì)圖7.4.1所示的交流鐵心線圈電路的電壓和電流之間的關(guān)系，根據(jù)基爾霍夫定律表示成：式中：R為鐵心線圈的電阻值；

eσ為漏磁電動(dòng)勢(shì)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

如果將漏磁電動(dòng)勢(shì)和電阻上的壓降忽略不計(jì)，則下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

7.4.2功率損耗在交流鐵心線圈中，除了線圈R上的有功損耗RI2（即銅損）外，處于交變磁化作用下的鐵心還會(huì)產(chǎn)生鐵損。故，交流鐵心線圈的功率損耗為：鐵損是由磁滯和渦流產(chǎn)生的，分別稱為磁滯損耗和渦流損耗，它們都會(huì)引起鐵心發(fā)熱。實(shí)驗(yàn)可知：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。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，如硅鋼材料等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.4交流鐵心線圈電路

渦流損耗是由于鐵心的渦流產(chǎn)生的。交變的電流產(chǎn)生交變的磁通，一方面在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，另一方面也要在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種感應(yīng)電流稱渦流。減小渦流的方法是：在順磁場(chǎng)方向鐵心可由彼此絕緣的鋼片（如硅鋼片）疊成。渦流會(huì)引起鐵心發(fā)熱，這是它有害的一面。但我們可以利用渦流的熱效應(yīng)來冶煉金屬，利用渦流和磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力的原理制造感應(yīng)式儀器等。上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.5電磁鐵電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。當(dāng)線圈通電后，電磁鐵的鐵心被磁化，吸引銜鐵動(dòng)作來帶動(dòng)機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。斷電時(shí)，電磁鐵的磁性會(huì)隨之消失，銜鐵或其它零件會(huì)立即被釋放。電磁鐵有直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類。電磁鐵主要由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成。它的結(jié)構(gòu)形式有以下三種，如圖7.5.1所示。下一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.5電磁鐵電磁鐵在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)床中，常用電磁鐵操縱氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的閥門和控制變速機(jī)構(gòu)。可以用電磁鐵起重以提放鋼材。圖7.5.2所示的是用電磁鐵來制動(dòng)機(jī)床和起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)接通電源后，電磁鐵動(dòng)作而拉開彈簧，把抱閘提起，于是放開了裝在電動(dòng)機(jī)軸上的制動(dòng)輪，這時(shí)，電動(dòng)機(jī)便可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)斷開電源時(shí)，電磁鐵的銜鐵落下，彈簧便把抱閘壓在制動(dòng)輪上，制動(dòng)電動(dòng)機(jī)。起重機(jī)中用電磁鐵可以避免由于突然斷電而使重物滑下造成事故。注意：若由于某種機(jī)械故障，銜鐵或機(jī)械可動(dòng)部分被卡住，通電后銜鐵吸合不上，線圈中就會(huì)有很大的電流流過，致使線圈嚴(yán)重發(fā)熱，甚至燒毀。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第7章磁路與鐵心線圈電路7.5電磁鐵電磁鐵的一個(gè)主要參數(shù)是吸力，即由于線圈得電，鐵心被磁化后對(duì)銜鐵的吸引力。吸力F的大小于鐵心和銜鐵間空氣隙的截面積及空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，即：式中：