磁路與鐵芯線圈電路.ppt

1、第七章 磁路與鐵芯線圈電路,7-1 磁場的基本物理量,7-2 磁性材料的磁性能,7-3 磁路及其基本定律,7-4 交流鐵心線圈電路,7-5 變壓器,7-6 電磁鐵,本章將介紹與磁路有關(guān)的電路問題。,在電工技術(shù)中不僅要討論電路問題，還將討論磁路問題。因?yàn)楹芏嚯姽ぴO(shè)備與電路和磁路都有關(guān)系，如電動機(jī)、變壓器、電磁鐵及電工測量儀表等。 磁路問題與磁場有關(guān)，與磁介質(zhì)有關(guān)，但磁場往往與電流相關(guān)聯(lián)，所以本章將研究磁路和電路的關(guān)系及磁和電的關(guān)系。 本章討論對象將以變壓器和電磁鐵為主，重點(diǎn)研究其電磁特性，為以后研究電動機(jī)的基本特性作基礎(chǔ)。,7-1. 磁場的基本物理量,對磁場特性的描述，已在大學(xué)物理中進(jìn)行了詳盡的

2、討論。這里將對幾個基本物理量做以下復(fù)述。,一、磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 是表示磁場空間某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。它是矢量。磁場對電流(或運(yùn)動電荷)有作用，而電流(或運(yùn)動電荷)也將產(chǎn)生磁場。,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的大小及方向：,電流強(qiáng)度為 I 長度為 l 的電流元，在磁場中將受到磁力的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，力的大小不僅與電流元 Il 的大小有關(guān)，還與其方向有關(guān)。,當(dāng) l 的方向與 B 的方向垂直時電流元受力為最大 F = F max ，此時規(guī)定，磁場的大小,B 的單位為特斯拉(T),當(dāng)然，對磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義也可從運(yùn)動電荷的角度進(jìn)行定義。,如洛侖茲力公式所表示,二、磁通,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 在面積 S 上

3、的通量積分稱為磁通,如果是均勻磁場，即磁場內(nèi)各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均相同，且與面積 S 垂直，則該面積上的磁通為,或,故又可稱磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值為磁通密度。,如果用磁力線描述磁場，磁力線的密度就反映了磁場的大小。 通過某一面積的磁力線總數(shù)應(yīng)表示通過該面積的磁通的大小。 由于磁通的連續(xù)性，磁力線是閉合的空間曲線。,磁通的單位是韋伯 (Wb)，在工程中常用電磁制單位麥克斯韋 (Mx)，兩者關(guān)系為,根據(jù)電磁感應(yīng)公式,磁通的單位為伏秒 (Vs)，由此，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位也可表示為韋伯每平方米 (Wb/m2)。,三、磁場強(qiáng)度,磁場強(qiáng)度 H 是計算磁場時常用的物理量，也是矢量。它與磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的關(guān)系為,

4、工程上常根據(jù)安培環(huán)路定律來確定磁場與電流的關(guān)系,上式左側(cè)為磁場強(qiáng)度矢量沿閉合回線的線積分；右側(cè)是穿過由閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。 電流的符號規(guī)定為：閉合回線的圍繞方向與電流成右旋系時為正，反之為負(fù)。,以環(huán)形線圈為例，計算線圈內(nèi)的磁場強(qiáng)度。,線圈內(nèi)為均勻媒質(zhì)，取磁力線作為閉合回線，且以磁場強(qiáng)度的方向?yàn)榛鼐€的繞行方向。于是,而,其中N 為線圈的匝數(shù)；Hx 是半徑為 x 處的磁場強(qiáng)度 。,乘積 I N 是產(chǎn)生磁通的原因，稱為磁動勢，用F 表示。,單位是安培,四、磁導(dǎo)率,磁導(dǎo)率是表示磁場空間 媒質(zhì) 磁性質(zhì)的物理量，是物質(zhì)導(dǎo)磁能力的標(biāo)志量。,前面已導(dǎo)出環(huán)形線圈的磁場強(qiáng)度 H ，可得磁感應(yīng)強(qiáng)度 B

5、為,磁導(dǎo)率的單位,真空磁導(dǎo)率0：實(shí)驗(yàn)測得，真空的磁導(dǎo)率,相對磁導(dǎo)率：某種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率0的比值稱為相對磁導(dǎo)率，用r表示。,上式說明，在同樣電流的情況下，磁場空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)媒質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，若媒質(zhì)的磁導(dǎo)率為，則磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 將是真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度的r倍。,自然界的所有物質(zhì)可根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。,非磁性材料的相對磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1； 磁性材料的相對磁導(dǎo)率則很大。,7-2. 磁性材料的磁性能,磁性材料主要是指由過度元素鐵、鈷、鎳極其合金等材料。它們主要的磁性能如下。,一、高磁導(dǎo)率,磁性材料的磁導(dǎo)率很大，r1，可達(dá)102105量級。,分子

6、電流和磁疇理論：,分子中電子的繞核運(yùn)動和自轉(zhuǎn)將形成分子電流，分子電流將產(chǎn)生磁場，每個分子都相當(dāng)于一個小磁鐵。,由于磁性物質(zhì)分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。,高磁導(dǎo)率的成因,磁性物質(zhì)沒有外場時，各磁疇是混亂排列的，磁場互相抵消；當(dāng)在外磁場作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場一致的方向上，即產(chǎn)生了一個與外場方向一致的磁化磁場，從而磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加物質(zhì)被強(qiáng)烈的磁化了。,磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導(dǎo)率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。,非磁性材料沒有磁

7、疇的結(jié)構(gòu)，所以不具有磁化特性。,磁性物質(zhì)的磁化示意圖,(a)無外場，磁疇排列雜亂無章。,(b)在外場作用下，磁疇排列逐漸進(jìn)入有序化。,二、磁飽和性,磁性物質(zhì)因磁化產(chǎn)生的磁場是不會無限制增加的，當(dāng)外磁場(或激勵磁場的電流)增大到一定程度時，全部磁疇都會轉(zhuǎn)向與外場方向一致。這時的磁感應(yīng)強(qiáng)度將達(dá)到飽和值。,B0 是真空情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度；,BJ 是磁化產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；,B 是介質(zhì)中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度。,磁性物質(zhì)的不是常數(shù)，與H也不存在正比關(guān)系。,三、磁滯性,在鐵心線圈通有交變電流時，鐵心將受到交變磁化。但當(dāng)H減少為零時，B 并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。,1,2,3,4,5,磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化

8、的性質(zhì)稱為磁滯性。如圖為磁性物質(zhì)的滯回曲線。,要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將 B=0時的 H 值稱為 矯頑磁力 Hc，（見圖中3和6所對應(yīng)的點(diǎn)。）,6,磁性物質(zhì)的分類,根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類：,(1)軟磁材料,其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心),(2)永磁材料,其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵),(3)矩磁材料,其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件),鑄鐵、鑄鋼及硅鋼片的磁化曲線,常用磁性材料的最大相對磁導(dǎo)率、剩磁及矯頑磁力,材料名稱,7-3. 磁路及其基本定律,為了使勵磁電流產(chǎn)生盡可能大的磁通，在電磁設(shè)備或電磁元件中要放置一定形狀的鐵心。絕大部分

9、磁通將通過鐵心形成閉合路徑磁路。,圖示為交流接觸器的磁路，磁通經(jīng)過鐵心和空氣隙而閉合。,得出,或,式中：F=IN 稱為磁動勢，此為產(chǎn)生磁通的激勵；,Rm 為磁阻，是磁路對磁通具有阻礙作用的物理量； l 為磁路的平均長度； S 為磁路的截面積。,上式與電路中的歐姆定律在形式上相似，與磁路對照如下：,磁路,電路,磁動勢 F,磁通 ,磁感應(yīng)強(qiáng)度B,磁阻 R= l / S,電動勢 E,電流 I,電流密度 J,電阻 R= l / S,磁路的計算,計算磁路問題時，可以應(yīng)用上面介紹的磁路歐姆定律，但由于磁路的磁導(dǎo)率不是常數(shù)(隨勵磁電流而變)，往往要借助于磁場強(qiáng)度H這個物理量。,或,若磁路不均勻，由不同材料構(gòu)

10、成，則磁路的磁阻應(yīng)由不同的幾段串聯(lián)而成，即,右圖所示繼電器的磁路就是由三段串聯(lián),氣隙中的磁場強(qiáng)度H0,B0的單位為特斯拉，若用高斯為單位，則,然后計算各段磁路的磁壓降 Hl，進(jìn)而求出磁路的磁動勢，應(yīng)用磁路歐姆定律對磁路進(jìn)行分析。,例,一均勻閉合鐵心線圈，匝數(shù)為 300，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T，磁路的平均長度為45cm,試求： (1)鐵心材料為鑄鐵時線圈中的電流； (2)鐵心材料為硅鋼片時線圈中的電流。,解：,先從磁化曲線中查出磁場強(qiáng)度的H值，然后再計算電流。,(1) H1=9000A/m，,(2) H2=260A/m，,可見由于所用鐵心材料不同，要得到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，則所需要的磁動勢或勵

11、磁電流是不同的。因此，采用高磁導(dǎo)率的鐵心材料可使線圈的用銅量大為降低。,7-4 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,直流鐵心線圈通直流來勵磁（如直流電機(jī)的勵磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈）。因?yàn)閯畲攀侵绷?，則產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會感應(yīng)出電動勢來，在一定的電壓U下，線圈電流I只與線圈的R有關(guān)，P也只與I2R有關(guān)，所以分析直流鐵心線圈比較簡單。本課不討論。,交流鐵心線圈通交流來勵磁（如交流電機(jī)、變壓器及各種交流電器的線圈）。起電壓、電流等關(guān)系與直流不同，下面我們就來討論之。,一、電磁關(guān)系,磁動勢 F = iN 產(chǎn)生的磁通絕大多數(shù)通過鐵

12、心而閉合，這部分磁通稱為工作磁通。,鐵心如圖所示，,此外還有一少部分通過空氣等非磁性材料而閉合，這部分磁通稱為漏磁通，用表示。,這兩個磁通在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e和e。e為主磁電動勢，e為漏磁電動勢。,這個電磁關(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，鐵心線圈是一個非線性的電感元件。,與i和L的關(guān)系如圖所示。,L,二、線圈兩端的電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)系,據(jù)KVL有：,當(dāng),為正弦量時，,伏,上式中的各量可視作正弦量，于是上式可用相量表示：,式中X為漏磁感抗，R為線圈的電阻。,相量表示式：,設(shè),則,有效值為：,由于R和X很小 ，UR和U

13、與U/相比可忽略,Bm為鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。S為鐵心面積,即,2鐵損,三、功率損耗,1銅損, 磁滯損耗,由磁滯所產(chǎn)生的鐵損稱為磁滯損耗。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。,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。, 磁滯損耗, 渦流損耗, 渦流損耗,由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗Pe0,當(dāng)線圈中通有交流電時，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)電動勢，而且在鐵心內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為渦流，它在垂直

14、于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著。,由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗Pe0,當(dāng)線圈中通有交流電時，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)電動勢，而且在鐵心內(nèi)也要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(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。,在交流磁通的作用下，鐵心內(nèi)的這兩種損耗合稱鐵損PFe0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。,從上述可知，鐵心線圈交流電路的有功功率為,P=UIcos=I2R+ PFe0,四、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

15、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。這樣就使磁路計算的問題 簡化為電路計算的問題了。,先把鐵心線圈的電阻R和感抗X劃出，剩下的就成為一個沒有電阻和漏磁通的理想鐵心線圈電路。但鐵心中仍有能量的損耗和能量的儲放。因此可將這個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放（與電源發(fā)生能量互換）相應(yīng)的等效感抗，其值為,等效電路的阻抗模為,例：有一交流鐵心線圈，電源電壓U=220V，電路中 電流I=4A，功率表讀數(shù)P=100W，頻率f=50Hz, 漏磁通和線圈上的電壓降可忽略不計， 試求（1）鐵心線圈的功率因數(shù) （2）鐵心線圈的等效電阻和感抗,解：,（1）,(2