第八章磁路与铁芯线圈.ppt

第第8章磁路与铁芯线圈章磁路与铁芯线圈 8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律 8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈 8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律 1.磁路的概念磁路的概念 (1)主磁通。在主磁通。在图图8.1中，当线圈中通以电流后，沿铁芯、衔中，当线圈中通以电流后，沿铁芯、衔铁和工作气隙构成回路的这部分磁通称为主磁通，占总磁通铁和工作气隙构成回路的这部分磁通称为主磁通，占总磁通的绝大部分。的绝大部分。(2)漏磁通。指没有经过工作气隙和衔铁，而经空气自成回漏磁通。指没有经过工作气隙和衔铁，而经空气自成回路的这部分磁通称为漏磁通。路的这部分磁通称为漏磁通。(3)磁路。磁通经过的闭合路径称为磁路。磁路也像电路一磁路。磁通经过的闭合路径称为磁路。磁路也像电路一样，分为有分支磁路样，分为有分支磁路(如如图图8.2所示所示)和无分支磁路，如图和无分支磁路，如图8.1所所示。在无分支磁路中，通过每一个横截面的磁通都相等。变示。在无分支磁路中，通过每一个横截面的磁通都相等。变压器、直流电机及电器铁芯构成的磁路如压器、直流电机及电器铁芯构成的磁路如图图8.3所示。所示。下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律2.磁路中的基本定律磁路中的基本定律(1)磁路欧姐定律。磁路中也有类似电路欧姐定律的基本关系磁路欧姐定律。磁路中也有类似电路欧姐定律的基本关系式式:(8-1)式中，式中，为磁通为磁通(对应于电流对应于电流)，单位为韦伯，单位为韦伯(Wb);F=NI为磁为磁通势通势(对应于电动势对应于电动势)，单位安，单位安(A);Rm为磁阻为磁阻(对应于电阻对应于电阻)，单位为亨单位为亨-1(l/H)。而磁阻在计算时也有类似电阻计算的关系。而磁阻在计算时也有类似电阻计算的关系式式(8-2)上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律式中式中I,A,u分别为磁路长度、磁路截面积及铁磁材料的磁导分别为磁路长度、磁路截面积及铁磁材料的磁导率。率。磁通势磁通势(磁动势磁动势)F，实验表明通电线圈产生的磁场强弱与线，实验表明通电线圈产生的磁场强弱与线圈内通入电流圈内通入电流I的大小及线圈的匝数的大小及线圈的匝数N成正比，把成正比，把I与与N的乘积的乘积称为磁通势，即称为磁通势，即 F=NI 磁通势的单位为磁通势的单位为A。从上面的分析可知，磁路中的某些物理量与电路中的某些从上面的分析可知，磁路中的某些物理量与电路中的某些物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似的关系。些物理量之间也有相似的关系。表表8.1列出了磁路与电路对应列出了磁路与电路对应的物理量及其关系式。的物理量及其关系式。上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律(2)全电流定律。全电流定律是磁场计算中的一个重要定律，全电流定律。全电流定律是磁场计算中的一个重要定律，可根据以下公式推导而来可根据以下公式推导而来:根据磁路欧姐定律：根据磁路欧姐定律：将将 代入上式得代入上式得即即又因为又因为 ，所以，所以或或(8-3)上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律 上式表明，磁路中磁场强度上式表明，磁路中磁场强度H与磁路的平均长度与磁路的平均长度L的乘积，在的乘积，在数值上等于磁场的磁通势，称为全电流定律。数值上等于磁场的磁通势，称为全电流定律。磁场强度磁场强度H与磁路平均长度与磁路平均长度L的乘积，又称磁位差，用符号呱的乘积，又称磁位差，用符号呱表示，即表示，即 Um=Lh(8.4)若研究的磁路具有不同的截面，并目是由不同的材料若研究的磁路具有不同的截面，并目是由不同的材料(如铁如铁芯和气隙芯和气隙)构成的，则可以把一个磁路分成许多段来考虑，即构成的，则可以把一个磁路分成许多段来考虑，即把同一截面、同一材料划为一段，可得把同一截面、同一材料划为一段，可得或或(8-5)上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律(3)基尔霍夫磁通定律。有分支磁路如图基尔霍夫磁通定律。有分支磁路如图8.2所示。任取一闭所示。任取一闭合面，根据磁通连续性原理，进入闭合面的磁通必等于流出合面，根据磁通连续性原理，进入闭合面的磁通必等于流出闭合面的磁通，即穿过闭合面的磁通的代数和为零，此称为闭合面的磁通，即穿过闭合面的磁通的代数和为零，此称为基尔霍夫磁通定律。基尔霍夫磁通定律。从图从图8.1可得出可得出 即即亦即亦即(8-6)式式(8.6)为基尔霍夫磁通定律表达式，与关于电路节点的定律为基尔霍夫磁通定律表达式，与关于电路节点的定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 相对应。相对应。上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律(4)基尔霍夫磁位差定律。如基尔霍夫磁位差定律。如图图8.4所示磁路。磁路可能由多所示磁路。磁路可能由多种尺寸、多种材料构成，有的还含有气隙。不同材料，种尺寸、多种材料构成，有的还含有气隙。不同材料，u不同，不同，H不同不同;不同材料、不同尺寸，不同材料、不同尺寸，Rm不同，故需分段计算。不同，故需分段计算。图图8.4所示磁路可分为所示磁路可分为3段段:上面为上面为n形、下段为空气隙。设形、下段为空气隙。设其截面及长度分别为其截面及长度分别为A1,A2,l1,l2，气隙长度为，气隙长度为l3。根据全电流定律，对图根据全电流定律，对图8.4所示磁路有所示磁路有上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律推广到任意磁路中有推广到任意磁路中有(8-7)式中，若式中，若H的方向与闭合回线的方向与闭合回线L的方向一致，则的方向一致，则HZ取正号，取正号，否则取负号否则取负号;若电流若电流I的方向与闭合曲线的方向符合右螺旋关的方向与闭合曲线的方向符合右螺旋关系，则系，则NI前面取正号，否则取负号。由于励磁电流是线圈产前面取正号，否则取负号。由于励磁电流是线圈产生磁通的来源，故称生磁通的来源，故称NI为磁路的磁通势为磁路的磁通势F，单位为，单位为A。式。式(8.7)表示磁路中沿任意闭合曲线磁位差的代数和等于沿该曲表示磁路中沿任意闭合曲线磁位差的代数和等于沿该曲线磁通势的代数和，此称基尔霍夫磁位差定律。线磁通势的代数和，此称基尔霍夫磁位差定律。若将磁通势表示为磁位降若将磁通势表示为磁位降(磁位差磁位差)方向，也可写成方向，也可写成上一页 下一页 返回8.1磁路及磁路基本定律磁路及磁路基本定律(8-8)式式(8.6)、式、式(8.7)、式、式(8.8)与电路的与电路的KCL,KVL相对应。相对应。当励磁电流为直流时，磁路中产生恒定磁通，此磁路称为当励磁电流为直流时，磁路中产生恒定磁通，此磁路称为恒定磁通磁路，当励磁电流为交流时，产生交变磁通，此称恒定磁通磁路，当励磁电流为交流时，产生交变磁通，此称为交变磁通磁路。为交变磁通磁路。上一页返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 变压器中有硅钢片叠成的铁芯，电机的绕组是嵌放在由硅钢变压器中有硅钢片叠成的铁芯，电机的绕组是嵌放在由硅钢片叠成的铁芯槽内。在第片叠成的铁芯槽内。在第3章中己经介绍，硅钢片是高磁导率章中己经介绍，硅钢片是高磁导率(磁阻低磁阻低)的铁磁性材料，能使磁通绝大部分通过由硅钢片叠的铁磁性材料，能使磁通绝大部分通过由硅钢片叠成的铁芯而形成闭合回路。铁磁性物质是如何被磁化成的铁芯而形成闭合回路。铁磁性物质是如何被磁化?还具有还具有哪些特性哪些特性?1.铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 本来不具磁性的物质，由于受磁场的作用而具有磁性的现本来不具磁性的物质，由于受磁场的作用而具有磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化，而非铁磁性物质是不能被磁化的。磁性物质是不能被磁化的。下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化铁磁性物质能够被磁化的原因，是因为铁磁性物质是由许多铁磁性物质能够被磁化的原因，是因为铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域所组成，每一个磁畴相当于一个小被称为磁畴的磁性小区域所组成，每一个磁畴相当于一个小磁铁，在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，如磁铁，在无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，如图图8.5(a)所示，磁性互相抵消，对外不显磁性。但在外磁场的作用下，所示，磁性互相抵消，对外不显磁性。但在外磁场的作用下，磁畴就会沿着磁场的方向做取向排列，形成附加磁场，从而磁畴就会沿着磁场的方向做取向排列，形成附加磁场，从而使磁场显著增强，如图使磁场显著增强，如图8.5(b)所示。有些铁磁性物质在去掉外所示。有些铁磁性物质在去掉外磁场以后，磁畴的大部分仍然保持取向一致，对外仍显示磁磁场以后，磁畴的大部分仍然保持取向一致，对外仍显示磁性，这就成了永久磁铁。性，这就成了永久磁铁。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化铁磁性物质被磁化的性能，广泛地应用于电子和电气设备中，铁磁性物质被磁化的性能，广泛地应用于电子和电气设备中，如变压器、继电器、电机等，采用相对磁导率高的铁磁性物如变压器、继电器、电机等，采用相对磁导率高的铁磁性物质作为绕组的铁芯，可使同样容量的变压器、继电器和电机质作为绕组的铁芯，可使同样容量的变压器、继电器和电机的体积大大缩小，重量大大减轻的体积大大缩小，重量大大减轻;半导体收音机的天线线圈绕半导体收音机的天线线圈绕在铁氧体磁棒上，可以提高收音机的灵敏度。在铁氧体磁棒上，可以提高收音机的灵敏度。各种铁磁性物质，由于其内部结构不同，磁化后的磁性各各种铁磁性物质，由于其内部结构不同，磁化后的磁性各有差异，下面通过分析磁化曲线来了解各种铁磁性物质的特有差异，下面通过分析磁化曲线来了解各种铁磁性物质的特性。性。2.磁化曲线磁化曲线 铁磁物质的铁磁物质的B随随H而变化的曲线称为磁化曲线，又称而变化的曲线称为磁化曲线，又称B-H曲曲线。线。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 图图8.6(a)示出了测定磁化曲线的实验电路。将待测的铁磁物示出了测定磁化曲线的实验电路。将待测的铁磁物质制成圆环形，线圈密绕于环上。励磁电流由电流表测得，质制成圆环形，线圈密绕于环上。励磁电流由电流表测得，磁通由磁通表测得。磁通由磁通表测得。实验前，待测的铁芯是去磁的实验前，待测的铁芯是去磁的(即当即当H=0时时B=0)。实验开始，。实验开始，接通电路，使电流接通电路，使电流I由零逐渐增加，即由零逐渐增加，即H由零逐渐增加，由零逐渐增加，B随随之变化。以之变化。以H为横坐标、为横坐标、B为纵坐标，将多组为纵坐标，将多组B-H对应值逐点对应值逐点描出，就是磁化曲线，如图描出，就是磁化曲线，如图8.6(b)所示。由图可见，所示。由图可见，B与与H的的关系是非线性的，即关系是非线性的，即u=B/H不是常数。不是常数。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 B-H曲线分为曲线分为3段段:(1)起始磁化段起始磁化段(曲线的曲线的01段段)曲线上升缓慢，这是由于磁畴曲线上升缓慢，这是由于磁畴的惯性，当的惯性，当H从零值开始增大时，从零值开始增大时，B增加较慢。增加较慢。(2)直线段直线段(曲线的曲线的12段段)随着随着H的增大，的增大，B儿乎是直线上升，儿乎是直线上升，这是由于磁畴在外磁场作用下大部分都趋向这是由于磁畴在外磁场作用下大部分都趋向H的方向，的方向，B增加增加很快，曲线较陡。很快，曲线较陡。(3)饱和段饱和段(曲线的曲线的23段段)随着随着H的增加，的增加，B的上升又比较缓的上升又比较缓慢了，这是由于大部分磁畴方向己转向慢了，这是由于大部分磁畴方向己转向H方向，随着方向，随着H的增加的增加只有少数磁畴继续转向，只有少数磁畴继续转向，B的增加变慢。的增加变慢。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化到达到达3点以后，磁畴儿乎全部转到外磁场方向，再增大点以后，磁畴儿乎全部转到外磁场方向，再增大H值，值，也儿乎没有磁畴可以转向了，曲线变得平坦，这时的磁感应也儿乎没有磁畴可以转向了，曲线变得平坦，这时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。不同的铁磁性物质，强度叫饱和磁感应强度。不同的铁磁性物质，B的饱和值是不的饱和值是不同的，但对每一种材料，同的，但对每一种材料，B的饱和值却是一定的。对于电机和的饱和值却是一定的。对于电机和变压器，通常都是工作在曲线的变压器，通常都是工作在曲线的23段段(即接近饱和的地方即接近饱和的地方)。由于磁化曲线表示了媒质中磁感应强度由于磁化曲线表示了媒质中磁感应强度B和磁场强度和磁场强度H的函数的函数关系，所以，若已知关系，所以，若已知H值，就可以通过磁化曲线查出对应的值，就可以通过磁化曲线查出对应的B值。因此，在计算媒质中的磁场问题时，磁化曲线是一个很值。因此，在计算媒质中的磁场问题时，磁化曲线是一个很贡要的依据。贡要的依据。图图8.7所示的是儿种不同铁磁性物质的磁化曲线。所示的是儿种不同铁磁性物质的磁化曲线。从曲线上可以看出，在相同的磁场强度从曲线上可以看出，在相同的磁场强度H下，硅钢片的下，硅钢片的B值最值最大，铸铁的大，铸铁的B值最小，说明硅钢片比铸铁的导磁性能好得多。值最小，说明硅钢片比铸铁的导磁性能好得多。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 3.磁滞回线磁滞回线 上面讨论的磁化曲线，只是反映了铁磁性物质在外磁场由零上面讨论的磁化曲线，只是反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程。但在很多实际应用中，铁磁性物质逐渐增强时的磁化过程。但在很多实际应用中，铁磁性物质是工作在交变磁场中的，所以有必要研究铁磁性物质反复交是工作在交变磁场中的，所以有必要研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。变磁化的问题。(1)剩磁。当剩磁。当B随随H沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小减小H的数值。实验表明，这时的数值。实验表明，这时B不是沿起始磁化曲线减小，不是沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线而是沿另一条在它上面的曲线ab下降，如下降，如图图8.8所示。当所示。当H减减至零时，至零时，B值不等于零，而是保留一定的值称为剩磁，用值不等于零，而是保留一定的值称为剩磁，用Br表表示，永久磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。示，永久磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化(2)矫顽磁力。为了消除剩磁，必须外加反方向的磁场，随着矫顽磁力。为了消除剩磁，必须外加反方向的磁场，随着反方向磁场的增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大反方向磁场的增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定的值时，到一定的值时，B值变为零，剩磁完全消失，值变为零，剩磁完全消失，be这一段曲线叫这一段曲线叫退磁曲线。这时的退磁曲线。这时的H值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力，用矫顽磁力，用Hc表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保存剩磁的能力。存剩磁的能力。C3)磁滞现象。当反向磁场继续增大时，磁滞现象。当反向磁场继续增大时，B值就从零起改变方值就从零起改变方向，并沿曲线向，并沿曲线cd变化，铁磁性物质的反向磁化同样能达到饱变化，铁磁性物质的反向磁化同样能达到饱和点和点d。此时，若使反向磁场减弱到零，。此时，若使反向磁场减弱到零，B-H曲线将沿曲线将沿de变化，变化，在在e点点H=O。再逐渐增大正向磁场，。再逐渐增大正向磁场，B-H曲线将沿咖变化而完曲线将沿咖变化而完成一个循环。从整个过程看，成一个循环。从整个过程看，B的变化总是落后于的变化总是落后于H的变化，的变化，这种现象称为磁滞现象。经过多次循环，可以得到一个封闭这种现象称为磁滞现象。经过多次循环，可以得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线的对称于原点的闭合曲线(abcdefa)，叫做磁滞回线。，叫做磁滞回线。上一页 下一页 返回8.2铁磁性物质的磁化铁磁性物质的磁化 如果在线圈中改变交变电流幅值的大小，那么交变磁场强度如果在线圈中改变交变电流幅值的大小，那么交变磁场强度H的幅值也将随之改变。在反复交变磁化中，可相应得到一的幅值也将随之改变。在反复交变磁化中，可相应得到一系列大小不一的磁滞回线，联接各条对称的磁滞回线的顶点，系列大小不一的磁滞回线，联接各条对称的磁滞回线的顶点，得到的一条曲线叫基本磁化曲线，如得到的一条曲线叫基本磁化曲线，如图图8.9所示。由于大多数所示。由于大多数铁磁性物质是工作在交变磁场的情况下，所以基本磁化曲线铁磁性物质是工作在交变磁场的情况下，所以基本磁化曲线很重要。一般资料中的磁化曲线都是指基本磁化曲线。很重要。一般资料中的磁化曲线都是指基本磁化曲线。(4)磁滞损耗。铁磁性物质的反复交变磁化，会损耗一定的能磁滞损耗。铁磁性物质的反复交变磁化，会损耗一定的能量，这是由于在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程量，这是由于在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程中，产生了能量损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线包中，产生了能量损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗就越大。所以，剩磁和矫顽磁力越围的面积越大，磁滞损耗就越大。所以，剩磁和矫顽磁力越大的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线的形状大的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线的形状经常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。经常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。上一页返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈我们知道，铁磁性物质在交变磁化时，不仅有磁饱和现象，我们知道，铁磁性物质在交变磁化时，不仅有磁饱和现象，还有磁滞现象。此外，交变磁通还会在铁芯中引起涡流，而还有磁滞现象。此外，交变磁通还会在铁芯中引起涡流，而磁饱和、磁滞和涡流对交变磁通磁路和铁芯线圈电路都会产磁饱和、磁滞和涡流对交变磁通磁路和铁芯线圈电路都会产生影响。生影响。交流电工设备，如铁芯变压器、异步电动机等，通常交流电工设备，如铁芯变压器、异步电动机等，通常是在正弦电压作用下工作。其中的电流和磁通都是交变的。是在正弦电压作用下工作。其中的电流和磁通都是交变的。1.交流铁芯线圈中电压与磁通的关系交流铁芯线圈中电压与磁通的关系 图图8.10所示的铁芯线圈电路，在带铁芯的线圈上加正弦交所示的铁芯线圈电路，在带铁芯的线圈上加正弦交流电压流电压“，线圈中的电流便在铁芯中产生磁通，线圈中的电流便在铁芯中产生磁通 。上一页返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈电压电压“与磁通与磁通 之间的关系为之间的关系为(8-9)设设 则有则有式中式中所以所以(8-10)上一页 下一页 返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈 由此可知，当铁芯线圈上加以正弦交流电压时，铁芯线圈中由此可知，当铁芯线圈上加以正弦交流电压时，铁芯线圈中的磁通也是按正弦规律变化，在相位上电压超前于磁通的磁通也是按正弦规律变化，在相位上电压超前于磁通90o，在数值上端电压有效值在数值上端电压有效值 。2.交流铁芯线圈中磁通与电流的关系交流铁芯线圈中磁通与电流的关系 当铁芯线圈加正弦电压，铁芯中的磁通也按正弦规律变化，当铁芯线圈加正弦电压，铁芯中的磁通也按正弦规律变化，线圈中的电流线圈中的电流i怎样变化，由于怎样变化，由于 与与B成正比，成正比，i与与H成正比，成正比，故得故得 -i曲线也为非线性关系。曲线也为非线性关系。由铁磁物质的基本磁化曲线由铁磁物质的基本磁化曲线图图8.11(a)可得到图可得到图8.11(b)所示所示的的 -i曲线。曲线。上一页 下一页 返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈 当当 时，由于时，由于 为非线性关系，故电流为非线性关系，故电流i不是正弦不是正弦规律。电流波形可由规律。电流波形可由 曲线通过作图法得到。曲线通过作图法得到。3.交流铁芯线圈中的铁芯损耗交流铁芯线圈中的铁芯损耗 在交变磁通作用下，铁芯中有能量损耗，称为铁损。铁损在交变磁通作用下，铁芯中有能量损耗，称为铁损。铁损主要由两部分组成。主要由两部分组成。(1)涡流损耗。铁芯中的交变磁通涡流损耗。铁芯中的交变磁通 ，在铁芯中感应出电，在铁芯中感应出电压，由于铁芯也是导体，便产生一圈圈的电流，称之为涡流。压，由于铁芯也是导体，便产生一圈圈的电流，称之为涡流。涡流在铁芯内流动时，在所经回路的导体电阻上产生的能量涡流在铁芯内流动时，在所经回路的导体电阻上产生的能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗与感应电压损耗称为涡流损耗。涡流损耗与感应电压(或感应电流或感应电流)的平的平方方)成正比，由式成正比，由式(8.16)可知，感应电压可知，感应电压u与交变磁通的频率与交变磁通的频率f和磁感应强度的最大值和磁感应强度的最大值Bm即即 有关，因此，涡流损耗与有关，因此，涡流损耗与f及及Bm的平方成正比。的平方成正比。上一页 下一页 返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈 减少涡流损耗的途径有两种减少涡流损耗的途径有两种:一种是减小铁片厚度，通常采用一种是减小铁片厚度，通常采用表面有绝缘层的薄钢片叠装成铁芯表面有绝缘层的薄钢片叠装成铁芯;另一种是提高铁芯材料的另一种是提高铁芯材料的电阻率，通常采用掺杂的方法来提高材料的电阻率，如在铁电阻率，通常采用掺杂的方法来提高材料的电阻率，如在铁中加入少量的硅能使其电阻率大大提高。因此，大部分交流中加入少量的硅能使其电阻率大大提高。因此，大部分交流电气设备电气设备(如电机、变压器电器等如电机、变压器电器等)的铁芯均用硅钢片叠成。的铁芯均用硅钢片叠成。上一页 下一页 返回8.3交流铁芯线圈交流铁芯线圈(2)磁滞损耗。铁磁性物质在反复磁化时，磁畴反复变化，磁磁滞损耗。铁磁性物质在反复磁化时，磁畴反复变化，磁滞损耗是在克服各种阻滞作用而消耗的那部分能量。磁滞损滞损耗是在克服各种阻滞作用而消耗的那部分能量。磁滞损耗的能量转换为热能而使铁磁材料发热，如同摩擦生热一样。耗的能量转换为热能而使铁磁材料发热，如同摩擦生热一样。磁滞损耗的大小取决于材料性质、材料体积、最大磁感应强磁滞损耗的大小取决于材料性质、材料体积、最大磁感应强度和磁化场的变化频率。度和磁化场的变化频率。减少磁滞损耗有两条途径减少磁滞损耗有两条途径:一是提高材料的起始磁导率一是提高材料的起始磁导率u1;一是减小剩磁一是减小剩磁Bb。通常把磁滞损耗和涡流损耗的总和称为铁损。铁损可以由通常把磁滞损耗和涡流损耗的总和称为铁损。铁损可以由实验测定，也可以按经验公式计算，本书从略。实验测定，也可以按经验公式计算，本书从略。上一页返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器8.4.1电磁铁电磁铁1.电磁铁的工作原理与典型结构电磁铁的工作原理与典型结构电磁铁是利用载流铁芯线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，电磁铁是利用载流铁芯线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。它广泛应用于自动控制的机械传动系统中，可种电磁元件。它广泛应用于自动控制的机械传动系统中，可以单独作为一类电器，如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电以单独作为一类电器，如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁等，也可作为开关电器的一种部件，如接触器、继电器磁铁等，也可作为开关电器的一种部件，如接触器、继电器的电磁系统，断路器的电磁脱扣器等。的电磁系统，断路器的电磁脱扣器等。电磁铁主要由线圈、铁芯及衔铁电磁铁主要由线圈、铁芯及衔铁3部分组成，铁芯和衔铁一部分组成，铁芯和衔铁一般用软磁材料制成。铁芯一般是静止的，线圈总是装在铁芯般用软磁材料制成。铁芯一般是静止的，线圈总是装在铁芯上。开关电器的电磁铁的衔铁上还装有弹簧，如上。开关电器的电磁铁的衔铁上还装有弹簧，如图图8.12所示。所示。下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器 电磁铁的结构形式很多，如电磁铁的结构形式很多，如图图8.13所示。按磁路系统形式可所示。按磁路系统形式可分为拍合式、盘式、分为拍合式、盘式、E形和螺竹式。按衔铁运动方式可分为转形和螺竹式。按衔铁运动方式可分为转动式动式如图如图8.13(a)所示所示和和I直动式直动式如图如图8.13(b),(c),(d)所示所示。结构形式不同，电磁铁的工作特性不同，适用的场合也不同。结构形式不同，电磁铁的工作特性不同，适用的场合也不同。当电磁铁的线圈未通电时，衔铁在弹簧的作用下，与铁芯当电磁铁的线圈未通电时，衔铁在弹簧的作用下，与铁芯之间保持一个比较大的气隙，这时衔铁处于释放位置状态。之间保持一个比较大的气隙，这时衔铁处于释放位置状态。当线圈通电后，在线圈磁通势的作用下建立磁场，产生磁通，当线圈通电后，在线圈磁通势的作用下建立磁场，产生磁通，其中绝大部分磁通通过铁芯和衔铁形成的闭合回路。这时铁其中绝大部分磁通通过铁芯和衔铁形成的闭合回路。这时铁芯和衔铁被磁化，称为极性相反的两块磁铁，它们之间产生芯和衔铁被磁化，称为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。电磁吸力。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁芯方向运动，当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁芯方向运动，同时，可以通过衔铁来带动其他机械装置或部件，完成预期同时，可以通过衔铁来带动其他机械装置或部件，完成预期的自动化动作。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，的自动化动作。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。这就是电磁铁的基本工作原理。返回原来的释放位置。这就是电磁铁的基本工作原理。电磁铁的种类很多，按其线圈电流的性质可分为直流电磁铁电磁铁的种类很多，按其线圈电流的性质可分为直流电磁铁和交流电磁铁。直流电磁铁正常工作时，线圈中通过的是直和交流电磁铁。直流电磁铁正常工作时，线圈中通过的是直流电，在稳定状态下铁芯中的磁通是恒定的，铁芯中没有磁流电，在稳定状态下铁芯中的磁通是恒定的，铁芯中没有磁滞和涡流损耗，铁芯中部产生热量。直流电磁铁的铁芯和衔滞和涡流损耗，铁芯中部产生热量。直流电磁铁的铁芯和衔铁由整块软钢或电工纯铁制成。交流电磁铁正常工作时，线铁由整块软钢或电工纯铁制成。交流电磁铁正常工作时，线圈中通过的是交流电，铁芯中的磁通是交变的，交变的磁通圈中通过的是交流电，铁芯中的磁通是交变的，交变的磁通在铁芯中将会产生磁滞和涡流损耗，使铁芯中产生热量。为在铁芯中将会产生磁滞和涡流损耗，使铁芯中产生热量。为了减少铁损，铁芯和衔铁采用硅钢片叠成。了减少铁损，铁芯和衔铁采用硅钢片叠成。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器 2.电磁铁的分类电磁铁的分类 按用途分类，电磁铁可分为牵引电磁铁、制动电磁铁、起按用途分类，电磁铁可分为牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁及其他类型的专用电磁铁。重电磁铁及其他类型的专用电磁铁。牵引电磁铁主要用于自动控制设备中，用来牵引或推斥机牵引电磁铁主要用于自动控制设备中，用来牵引或推斥机械装置，以达到自控或遥控的目的。例如，用来开启或关闭械装置，以达到自控或遥控的目的。例如，用来开启或关闭水路、油路、气路等阀门，用以操纵金属切割机床的各种操水路、油路、气路等阀门，用以操纵金属切割机床的各种操作机构，以实现自动控制。当前常用的牵引电磁铁有作机构，以实现自动控制。当前常用的牵引电磁铁有MQ 1和和MQ2两个系列交流单相螺竹式电磁铁及两个系列交流单相螺竹式电磁铁及MQZ 1系列小型直流系列小型直流电磁铁。电磁铁。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器 制动电磁铁是用来操纵制动器，以完成制动任务的电磁铁。制动电磁铁是用来操纵制动器，以完成制动任务的电磁铁。通常与瓦式制动器配合使用，在电气传动装置中，用来对电通常与瓦式制动器配合使用，在电气传动装置中，用来对电动机进行机械制动，以达到准确、迅速停车的目的。常用的动机进行机械制动，以达到准确、迅速停车的目的。常用的制动电磁铁有制动电磁铁有MZS1系列三相交流长行程制动电磁铁、系列三相交流长行程制动电磁铁、MZZ2系列直流长行程制动电磁铁、系列直流长行程制动电磁铁、MZD 1系列单相交流短行程制系列单相交流短行程制动电磁铁、动电磁铁、MZZ 1系列直流短行程制动电磁铁等。系列直流短行程制动电磁铁等。起重电磁铁是用于起重、搬运铁磁性重物的电磁铁。它广起重电磁铁是用于起重、搬运铁磁性重物的电磁铁。它广泛应用于冶炼、铸造、机械制造和运输部门，在常温下搬运泛应用于冶炼、铸造、机械制造和运输部门，在常温下搬运钢板、生铁锭、废钢屑、钢轨、铁矿石等磁性物件。起重电钢板、生铁锭、废钢屑、钢轨、铁矿石等磁性物件。起重电磁铁为直流电磁铁，常用的起重电磁铁有磁铁为直流电磁铁，常用的起重电磁铁有MW1和和MWS系列系列圆盘形起重电磁铁、圆盘形起重电磁铁、MW2和和MW4系列矩形起重电磁铁、系列矩形起重电磁铁、MW61系列椭圆形起重电磁铁。系列椭圆形起重电磁铁。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器8.4.2变压器变压器 1.变压器的用途与组成变压器的用途与组成 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电了线路中变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电了线路中广泛应用。用于输、配电系统的电力变压器广泛应用。用于输、配电系统的电力变压器;用于工业动力系用于工业动力系统中直流拖动的专用电源变压器统中直流拖动的专用电源变压器;用于电力系统或实验室等场用于电力系统或实验室等场合的调压变压器合的调压变压器;用于测量电压、电流的电压匀用于测量电压、电流的电压匀_感器、电流感器、电流匀匀_感器感器;用于潮湿环境或人体常常接触场合的隔离变压器。用于潮湿环境或人体常常接触场合的隔离变压器。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器 变压器主要由铁芯和绕组两个基本部分组成。变压器主要由铁芯和绕组两个基本部分组成。2.变压器的工作原理变压器的工作原理 图图8.14所示为单相变压器的原理，与电源相连的称为一次所示为单相变压器的原理，与电源相连的称为一次绕组绕组(又称原边绕组又称原边绕组)，与负载相连的称为一次绕组，与负载相连的称为一次绕组(又称副边又称副边绕组绕组)。一次绕组、一次绕组的匝数分别为。一次绕组、一次绕组的匝数分别为N1和和N2。当变压器。当变压器的一次绕组接上交流电压的一次绕组接上交流电压U1时，一次绕组中便有电流时，一次绕组中便有电流i1通过。通过。电流电流i1在铁芯中产生闭合磁通在铁芯中产生闭合磁通 ，磁通，磁通 随随i1的变化而变化，的变化而变化，从而在一次绕组中产生感应电动势。如果一次绕组接有负载，从而在一次绕组中产生感应电动势。如果一次绕组接有负载，在一次绕组和负载组成回路中有负载电流在一次绕组和负载组成回路中有负载电流i2产生。产生。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器 1)变压器的变压比变压器的变压比 变压器中一、一次绕组的电压比为变压器中一、一次绕组的电压比为(8-11)式中式中K称为变压器的变比。称为变压器的变比。当电源电压当电源电压U1一定时，只要改变匝数比，就可得出不同输一定时，只要改变匝数比，就可得出不同输出电压出电压U2。K1为降压变压器为降压变压器;K1为升压变压器。为升压变压器。变比在变压器的铭牌上注明，它表示一、一次绕组的额定变比在变压器的铭牌上注明，它表示一、一次绕组的额定电压之比，如电压之比，如“10 000/400”V。这表示一次绕组的额定电压。这表示一次绕组的额定电压U1N=10000V，一次绕组的额定电压，一次绕组的额定电压U2N=400 V。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器2)变压器的变流比变压器的变流比变压器中一、三次绕组的电流之比为变压器中一、三次绕组的电流之比为(8-12)即变压器一、一次绕组的电流与绕组的匝数成反比。即变压器一、一次绕组的电流与绕组的匝数成反比。3)变压器的阻抗变换变压器的阻抗变换 变压器负载运行时，负载阻抗变压器负载运行时，负载阻抗ZL决定电流决定电流I2的大小，电流的大小，电流I2的大小又决定一次绕组电流的大小又决定一次绕组电流I1的大小。设想一次绕组电路存在的大小。设想一次绕组电路存在一个等效阻抗一个等效阻抗Z，它的作用是将一次绕组阻抗，它的作用是将一次绕组阻抗ZL折算到一次折算到一次绕组电路中去。在如绕组电路中去。在如图图8.15(a)所示电路中，负载阻抗及与变所示电路中，负载阻抗及与变压器一次绕组联接，虚线框内部分压器一次绕组联接，虚线框内部分ZL为折算到一次绕组的等为折算到一次绕组的等效阻抗效阻抗Z，如图，如图8.15(b)所示。所示。上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器由图由图8.15(a)可得可得由图由图8.15(b)可得可得将上述两式相比，可得将上述两式相比，可得上一页 下一页 返回8.4电磁铁与变压器电磁铁与变压器即即这表明变压器的副边接上负载这表明变压器的副边接上负载ZL后，对电源而言，相当于接后，对电源而言，相当于接上阻抗为上阻抗为K2ZL的负载。当变压器负载一定时，改变变压器原、的负载。当变压器负载一定时，改变变压器原、副边匝数，可获得所需的阻抗。副边匝数，可获得所需的阻抗。上一页返回图图8.1无分支磁路无分支磁路返回图图8.2有分支磁路有分支磁路返回图图8.3铁芯构成的磁路铁芯构成的磁路(a)变压器铁芯变压器铁芯:(b)直流电机铁芯直流电机铁芯:(c)电器铁芯电器铁芯返回表表8.1磁路与电路对应的物理量及其磁路与电路对应的物理量及其关系式关系式返回图图8.4基尔霍夫磁位差定律基尔霍夫磁位差定律返回图图8.5磁畴取向示意图磁畴取向示意图(a)无外磁场作用无外磁场作用:(b)有外磁场作用有外磁场作用返回图图8.6磁化曲线的实验测定磁化曲线的实验测定(a)实验电路实验电路:(b)磁化曲线磁化曲线返回图图8.7小同铁磁性物质的磁化曲线小同铁磁性物质的磁化曲线返回图图8.8磁滞回线磁滞回线返回图图8.9基本磁化曲线基本磁化曲线返回图图8.10 铁芯线圈铁芯线圈返回图图8.11 B-H与与 -i曲线曲线(a)B-b曲线曲线:(b)-i曲线曲线返回图图8.12电磁铁的基本组成电磁铁的基本组成返回图图8.13电磁铁的结构形式电磁铁的结构形式(a)拍合式拍合式:(b)盘式盘式:(c)E 形形:(d)螺管式螺管式返回图图8.14变压器的工作原理变压器的工作原理返回图图8.15变压器的阻抗变换变压器的阻抗变换返回