磁路及交流鐵心線圈課件

1、 磁路及交流鐵心線圈 一、磁路及其基本定律（一）磁路的概念 磁力線所通過的路徑稱為磁路。磁路主要由具有良好導磁性能的磁性材料構成，如：硅鋼片，鑄鐵等。 當線圈（通常被稱為勵磁線圈或勵磁繞組）中通入電流（通常被稱為勵磁電流）時，在線圈周圍會形成磁場，由于鐵心的導磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分的磁通將在鐵心內(nèi)通過，我們稱它為主磁通或工作磁通；同時有少量磁通會通過空氣交鏈，我們稱它為漏磁通，工程中通常忽略不計。主磁通和漏磁通所通過的路徑分別稱為主磁路和漏磁路。 當勵磁電流為直流時，磁路稱為直流磁路；當勵磁電流為交流時，磁路稱為交流磁路。（二）磁路的基本物理量 1. 磁感應強度B 磁感應強度是表示

2、磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。它是一個矢量。它與電流之間的方向關系可用右手螺旋法則來確定。如果磁場內(nèi)各點的磁感應強度的大小相等，方向相同，我們稱之為均勻磁場。磁感應強度的單位是特斯拉（T）2. 磁通 磁通表示垂直通過某一截面的磁力線總數(shù)，在均勻磁場中，磁通等于磁感應強度與磁場方向相垂直的單位S的乘積，所以磁感應強度又可以看成與磁場方向垂直的單位積內(nèi)所通過的磁通，故又稱為磁通密度。磁通的單位是韋伯（Wb）或 3. 磁場強度H 磁場強度是計算磁場時所用的一個物理量，它也是個矢量，根據(jù)安培環(huán)環(huán)路定理，沿任意閉合路徑，磁場強度的線積分等于該回路所包圍的導體電流的代數(shù)和。磁感應強度的單位是安培/米4

3、. 磁導率 磁導率是一個用來表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，也是用來衡量物質(zhì)導磁能力的物理量。它與磁場強度的乘積等于磁感應強度。磁導率的單位是亨利/米真空中的磁導率為一常數(shù)，可由實驗測得：。 任意一種物質(zhì)的磁導率和真空磁導率的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導率。 真空磁導率相對磁導率（三）磁性材料的磁性能 自然界中有電的良導體，如各類金屬材料；也有導磁性能好的材料， 如表列舉的硅鋼、坡莫合金等。按導磁性能的好壞，大體上可將物 質(zhì)分為兩類：非磁性材料和磁性材料。1非磁性材料 主要有水銀、銅、硫、氯、氫、 銀、金、鋅、鉛、氧、 氮、鋁、鉑等。非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消

4、，不具有磁化特性。它具有以下幾大特點： （1），不能被強烈磁化;（2）B與 H 成正比，呈線性關系, 無磁飽和現(xiàn)象; （3）磁導率都是常數(shù)不隨磁場強 度 的變 化而變化; （4）無磁滯特性。OHB2磁性材料（也稱為鐵磁材料）主要有鐵、鈷、鎳、釓及其合金等，它也具有以下幾大特點：（1）高導磁性 磁性材料r 1，在磁場中可被強烈磁化；被放入磁場后，磁感應強度會顯著增強，稱為高導磁性。 磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。在外磁場

5、作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。 在電機、變壓器等電氣設備的線圈中，均放有由磁性材料制成的一定形狀的鐵心，在這種線圈中通入不大的勵磁電流，便可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應強度,利用高性能的磁性材料可使同一容量的電機或變壓器的重量和體積大在減輕和減小。幾種常用磁性材料的磁導率如下表：幾種常用磁性材料的相對磁導率材料名稱 鑄鐵 硅鋼 鎳鋅鐵氧體 錳鋅鐵氧體 坡莫合金 相對磁導率r 200400 700010000 101000 3005000 21042105 磁疇外磁場磁疇（2）磁飽和性 將磁性材料放入磁場強度為H的磁場，會被強

6、烈磁化，其磁化曲線如右圖所示。磁性材料的磁化曲線 OHB,B 由于磁化所產(chǎn)的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限地增強，當外磁場增大到一定值時，磁感應強度達到飽和值，這種現(xiàn)象稱為磁飽和性。從圖中還可看出B和H不成正比，所以磁性材料的不是常數(shù)。（3）磁滯特性 若將磁性材料進行周期性磁化，磁感應強度 B隨磁場強度H 變化的曲線稱為磁滯回線，如圖所示。 從圖中可見，當 H 已減到零時， B 并未回到零值，而等于Br 。這種磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質(zhì)稱為磁性物質(zhì)的磁滯性。 Hc 稱為剩磁感應強度。要使 B 值從Br 減小到零，必須加反向外磁場，對應的反向外磁場強度 Hc 稱為矯頑磁力。鐵心在反復

7、交變磁化的情況下，其磁化過程是不可逆的。OHBHcBr 幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a 鑄鐵 b 鑄鋼 c 硅鋼片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc 按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型： (1) 軟磁材料 具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。 (2) 永磁材料 具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。

8、常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。 (3) 矩磁材料 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。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。BH0軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。BH0硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。BH0矩形材料遲滯回線類似為矩形（四）磁路的基本定律1磁路的歐姆定律 將全電流定律應用到材料相同、截面相等的無分支閉合磁路上，則有 假設如上圖的鐵磁回路，其磁導率為 ，鐵心的截面積為S，磁路的平均長度為 ， 將磁勢 及代入上式可得： 定義 為磁阻， 為磁導，它反映磁路的導體能力，顯然磁阻與磁路的結(jié)構尺寸以及所采用的磁性材料密切相

9、關。 磁勢F、磁通 的關系與電路中的電壓和電流的關系相似，磁阻和電阻相似，因此將上式看作磁路的歐姆定律。其等效圖如圖所示。 磁路的歐姆定律等效電路 和電路中的基爾霍夫定律一樣，磁路也有類似的定律。1磁路的歐姆定律式中 為磁阻, 為磁導。2磁路基爾霍夫第一定律3磁路基爾霍夫第二定律二、交流鐵芯線圈 勵磁電流為直流時，稱為直流鐵心線圈（如直流電磁鐵、直流繼電器的線圈），當勵磁電流為交流時，稱為交流鐵心線圈（如交流電機、變壓器的線圈）。主磁通 ：通過鐵心閉合的磁通。 與i不是線性關系。 漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質(zhì)閉合的磁通。+eeuNi（一）電磁關系（二）電壓電流關系式中：Bm是鐵心中磁感應強

10、度的最大值，S是鐵心截面積。（三 ） 功率損耗 交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1. 銅損（ ） 在交流鐵心線圈中, 線圈電阻R 上的功率損耗稱銅損，用 表示。式中：R是線圈的電阻；I 是線圈中電流的有效值。2. 鐵損（ ） 在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損 耗稱鐵損，用 表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+ui（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。 磁滯損耗的大?。?單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積和磁場交變的頻率 f。OHB 磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。 減少磁滯損耗的措施： 選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中 使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。 設計時應適當選擇值以