磁路与铁心线圈.ppt

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1、第第9 9章章 磁路与铁心线圈磁路与铁心线圈 磁场的基本物理量与铁磁物质磁场的基本物理量与铁磁物质 磁路及磁路定律磁路及磁路定律9.3 恒定磁通、磁路的计算恒定磁通、磁路的计算9.4 交流铁心线圈交流铁心线圈19.1 9.1 磁场的基本物理量与铁磁物质磁场的基本物理量与铁磁物质磁场的基本物理量磁场的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度表示磁场内某点的表示磁场内某点的磁场强弱和方向磁场强弱和方向的物理量为磁的物理量为磁感应强度，用感应强度，用B表示。它的方向可用右手螺旋定表示。它的方向可用右手螺旋定则来确定。则来确定。如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等，

2、方向相同，这样的磁场则称为相同，这样的磁场则称为均匀磁场均匀磁场。在国际单位制在国际单位制(SI)中，磁感应强度的中，磁感应强度的单位单位是特是特斯拉斯拉(T)，常用单位还有高斯，常用单位还有高斯(Gs)，1T=104 Gs22.磁通磁通磁感应强度磁感应强度(如果不是均匀磁场，则取如果不是均匀磁场，则取B的平均值的平均值)与垂直于磁场方向的面积的乘积，称为通过该与垂直于磁场方向的面积的乘积，称为通过该面积的磁通，用面积的磁通，用表示，即表示，即=BS即磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相即磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，又称为垂直的单位面积所通过的磁通，

3、又称为磁通密度磁通密度。国际单位制中，磁通的国际单位制中，磁通的单位单位是韦伯是韦伯(Wb)。1T也就也就是韦伯每平方米是韦伯每平方米(Wb/m2)。33.磁场强度磁场强度 磁场强度这个物理量，用磁场强度这个物理量，用H表示，磁场强度仅由表示，磁场强度仅由产生磁场的电流决定，与磁介质性质无关。产生磁场的电流决定，与磁介质性质无关。H=B/磁场强度的磁场强度的单位单位是安每米是安每米(Am)，工程上常用安，工程上常用安每厘米每厘米(Acm)为单位。为单位。磁导率磁导率是用来衡量是用来衡量物质导磁性能物质导磁性能的物理量，磁的物理量，磁导率导率的国际单位制单位为亨的国际单位制单位为亨/米米(H/m

4、)。4 真空磁导率真空磁导率0 任意一种物质的磁导率任意一种物质的磁导率和真空磁导率和真空磁导率0的比值，的比值，称为该物质的相对磁导率称为该物质的相对磁导率r。5 安培环路定律安培环路定律内容为在任何磁介质中，磁场强度内容为在任何磁介质中，磁场强度H沿任意闭合曲线沿任意闭合曲线l的线积分等于穿过该闭合回线的线积分等于穿过该闭合回线所围面积的电流的代数和，表示式为所围面积的电流的代数和，表示式为Hdl=I Hdl是磁场强度是磁场强度H沿任意闭合曲线沿任意闭合曲线l的线积分；的线积分；I是穿过该闭合曲线所围面积的电流的代数和。是穿过该闭合曲线所围面积的电流的代数和。求求I时，电流方向与闭合曲线环

5、绕方向之间符合时，电流方向与闭合曲线环绕方向之间符合右手螺旋定则的电流为正，反之为负。右手螺旋定则的电流为正，反之为负。6 如图环形线圈，取磁通作为闭合回线，其方向作如图环形线圈，取磁通作为闭合回线，其方向作为回线的环绕方向。有为回线的环绕方向。有 线圈内部半径为线圈内部半径为x处各点的磁感应强处各点的磁感应强度为度为 式中线圈匝数与电流的乘积式中线圈匝数与电流的乘积NI称为称为磁通势磁通势，用，用字母字母F代表，单位是代表，单位是安安培培A，则有，则有F=NI则则即即7磁性物质具有被磁化的特性是因为磁性物质其内磁性物质具有被磁化的特性是因为磁性物质其内部的部的特殊性特殊性。在磁性物质内部有许

6、多小区域，由。在磁性物质内部有许多小区域，由于磁性物质的分子间的作用力使每一区域显示磁于磁性物质的分子间的作用力使每一区域显示磁性；这些小区域称为性；这些小区域称为磁畴磁畴。在。在没有外磁场没有外磁场的作用的作用时，各个磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外就时，各个磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外就不显示磁性，不显示磁性，在外磁场作用下在外磁场作用下磁畴顺外磁场方向磁畴顺外磁场方向转向，显示出磁性。转向，显示出磁性。81.起始磁化曲线起始磁化曲线磁性物质由于磁化所产生磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限地增强。场的增强而无限地增强。当外磁场增大到一定值时

7、，当外磁场增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致，向与外磁场的方向一致，这时磁化磁场的磁感应强这时磁化磁场的磁感应强度达到度达到饱和值饱和值，即，即Bm。92.磁滞回线磁滞回线当铁心线圈中通有交变电流时，当铁心线圈中通有交变电流时，铁心就受到交变磁化。在电流铁心就受到交变磁化。在电流反复变化时，磁感应强度反复变化时，磁感应强度B随随磁场强度磁场强度H而变化的关系所示。而变化的关系所示。当当H已减到零值时，但已减到零值时，但B并未并未回到零值，这种磁感应强度滞回到零值，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁性物质

8、的磁滞性磁滞性。如果要使铁心的剩磁消失，如果要使铁心的剩磁消失，通常改变线圈中励磁电流的通常改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度方向，也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化，的方向来进行反向磁化，Hc称为矫顽磁力。称为矫顽磁力。103.基本磁化曲线基本磁化曲线对于不同的对于不同的H值，铁磁性物质有不同的磁滞回线，值，铁磁性物质有不同的磁滞回线，将各个不同将各个不同H下的磁滞回线的正顶点连成的曲线下的磁滞回线的正顶点连成的曲线称为称为基本磁化曲线基本磁化曲线。铁磁性材料具有高导磁铁磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、剩磁性性、磁饱和性、剩磁性和磁滞性和磁滞性11按磁性物质的磁性能，磁性材料

9、可以分成：按磁性物质的磁性能，磁性材料可以分成：软磁材料软磁材料：又称永磁材料，具有较小的矫顽磁力，：又称永磁材料，具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头。头。12硬磁材料硬磁材料：具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较：具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳

10、钢及铁宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。镍铝钴合金等。矩磁材料矩磁材料：具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。型铁镍合金等。13 磁路及磁路定律磁路及磁路定律电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心，铁心的磁导率比周围空气或成一定形状的铁心，铁心的磁导率

11、比周围空气或其他物质的磁导率大得多，因此磁通的绝大部分其他物质的磁导率大得多，因此磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路，这部分磁通称为经过铁心而形成一个闭合通路，这部分磁通称为主磁通主磁通。经过铁心而形成的闭合通路称为。经过铁心而形成的闭合通路称为磁路磁路。14磁通有少量经磁路周围的物质而闭合，有些磁通磁通有少量经磁路周围的物质而闭合，有些磁通不经过磁路而闭合，这些统称为不经过磁路而闭合，这些统称为漏磁通漏磁通。15磁路特点铁心中的磁场比周围空气中的磁场强得多；铁心中的磁场比周围空气中的磁场强得多；在限定的区域内利用较小的电流获得较强的磁场在限定的区域内利用较小的电流获得较强的磁场;主磁通

12、远远大于漏磁通；主磁通远远大于漏磁通；下 页上 页返 回16空心线圈磁场分布空心线圈磁场分布铁心线圈磁场分布铁心线圈磁场分布下 页上 页返 回17半封闭铁心线圈磁场分布半封闭铁心线圈磁场分布 全封闭铁心线圈磁场分布全封闭铁心线圈磁场分布下 页上 页返 回18=0磁路的任一节点所连各支路磁通的代数和等于磁路的任一节点所连各支路磁通的代数和等于零。零。磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律在磁路的任一回路中，各段磁位差的代数和等于在磁路的任一回路中，各段磁位差的代数和等于各磁通势的代数和。各磁通势的代数和。19应用磁路的基尔霍夫第二定律时，要应用磁路的基尔霍夫第二定律时，要选一环绕方选一环绕

13、方向向，当某段磁场强度的参考方向与环绕方向一致，当某段磁场强度的参考方向与环绕方向一致时，该段磁位差取正号，反之取负号；若励磁电时，该段磁位差取正号，反之取负号；若励磁电流的参考方向与环绕方向符合右手螺旋关系时，流的参考方向与环绕方向符合右手螺旋关系时，该磁通势取正号，反之取负号。该磁通势取正号，反之取负号。当当选择中心线的方向与铁心中磁场方向一致时选择中心线的方向与铁心中磁场方向一致时，每段磁路中心线的磁位差每段磁路中心线的磁位差U Um m等于其磁场强度与长等于其磁场强度与长度的乘积，即度的乘积，即U Um=+m=+HlHl ，如，如选择中心线的方向与选择中心线的方向与磁场方向相反磁场方向

14、相反，则，则U Um=-m=-HlHl。则则HlHl=NINI20设一段磁路的长为设一段磁路的长为l，截面积为，截面积为S，材料的磁导，材料的磁导率为率为，磁通为，磁通为 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律令令 则则 磁阻的单位为磁阻的单位为1/亨（亨（1/H）。）。219.3 9.3 恒定磁通、磁路的计算恒定磁通、磁路的计算 磁路计算的问题可以分为两类，一类是磁路计算的问题可以分为两类，一类是已知磁路已知磁路的磁通及结构、尺寸、材料，计算所需的磁通势的磁通及结构、尺寸、材料，计算所需的磁通势，另一类是另一类是已知磁路的磁通势及结构、尺寸、材料，已知磁路的磁通势及结构、尺寸、材料，计算磁路中的磁通计

15、算磁路中的磁通。22已知磁通求磁通势已知磁通求磁通势（1）按材料、截面积将磁按材料、截面积将磁路进行路进行分段分段，把材料相同、，把材料相同、截面积相等的部分作为一段。截面积相等的部分作为一段。（2）作出磁路的作出磁路的中心线中心线，计，计算各段磁路的截面积和平均算各段磁路的截面积和平均长度。长度。23（3）计算各段的计算各段的磁感应强度磁感应强度，可分别按下列各，可分别按下列各式计算。式计算。B1=S1，B2=S2（4）根据各段磁路材料的磁化曲线根据各段磁路材料的磁化曲线B=f(H)，查，查出与出与B1，B2相对应的相对应的磁场强度磁场强度H1，H2空气隙磁场强度空气隙磁场强度H0为为H0=

16、B00=B0410-70.8106B0 A/m（5）由磁路的基尔霍夫第二定律确定所需要的由磁路的基尔霍夫第二定律确定所需要的磁通势磁通势，即，即F=NI=Hl24已知磁通势求磁通已知磁通势求磁通已知磁通势求磁通时，如果对于无分支的均匀磁已知磁通势求磁通时，如果对于无分支的均匀磁路，计算不复杂，若又有分支磁路又不均匀，计路，计算不复杂，若又有分支磁路又不均匀，计算就较复杂，详细计算可参考有关资料，这里不算就较复杂，详细计算可参考有关资料，这里不再叙述。再叙述。259.4 9.4 交流铁芯线圈交流铁芯线圈铁心线圈分为铁心线圈分为直流铁心线圈和交流铁心线圈直流铁心线圈和交流铁心线圈两种，两种，直流铁

17、心线圈中通过直流电来励磁，因为励磁电直流铁心线圈中通过直流电来励磁，因为励磁电流是直流，产生的磁通是恒定的，在线圈中不会流是直流，产生的磁通是恒定的，在线圈中不会感应出电动势来。在一定电压下，线圈中的电流，感应出电动势来。在一定电压下，线圈中的电流，只和线圈本身的电阻只和线圈本身的电阻r有关，功率损耗也只有有关，功率损耗也只有I2r。交流铁心线圈中通入交流电来励磁，它在电磁关交流铁心线圈中通入交流电来励磁，它在电磁关系、电压电流关系及功率损耗等几个方面和直流系、电压电流关系及功率损耗等几个方面和直流铁心线圈是不同的。铁心线圈是不同的。26交流铁心线圈的电流、电压及磁通交流铁心线圈的电流、电压及

18、磁通 电源电压电源电压u可分线圈电阻上的电压可分线圈电阻上的电压ur=ri，漏磁通，漏磁通引起的漏磁感应电压引起的漏磁感应电压us与线圈感应电动势与线圈感应电动势 e。前。前两部分数值小，可忽略不计。两部分数值小，可忽略不计。27设设则则电压的有效值为电压的有效值为 当电源频率与线圈匝数一定时，铁心中的主磁通当电源频率与线圈匝数一定时，铁心中的主磁通与线圈电压成正比。与线圈电压成正比。则则28磁滞损耗与涡流损耗磁滞损耗与涡流损耗在交流铁心线圈中，除线圈电阻上有功率损耗在交流铁心线圈中，除线圈电阻上有功率损耗I2r(铜损铜损Pcu)外，还有处于交变磁化下的铁心中外，还有处于交变磁化下的铁心中的功

19、率损耗，即的功率损耗，即铁损铁损PFe。铁损是由磁滞和涡流铁损是由磁滞和涡流引起的。引起的。29铁损铁损涡流损耗涡流损耗磁滞损耗磁滞损耗由于涡流所产生的铁损称为由于涡流所产生的铁损称为涡流损耗涡流损耗Pe。当线。当线圈中通有交流时，铁心所产生的磁通也是交变的。圈中通有交流时，铁心所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流，这种感铁心内也要产生感应电动势和感应电流，这种感应电流称为应电流称为涡流涡流。涡流损耗也要引起铁心发热，。涡流损耗也要引起铁心发热，为了减小涡流损耗，在顺着磁场方向铁心可由彼为

20、了减小涡流损耗，在顺着磁场方向铁心可由彼此绝缘的钢片叠成此绝缘的钢片叠成。由于磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗由于磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗PF。交变磁。交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起磁滞损耗要引起铁心发热，铁心发热，为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的软磁性材料制造铁心。小的软磁性材料制造铁心。30交流铁心线圈的等效电路交流铁心线圈的等效电路R、X为线圈的电阻和感抗为线圈的电阻和感抗，由于铁心中有由于铁心中有能量的损耗能量的损耗和能量的储存与释放，因和能量的储存与释放，因此用电阻此用电阻R0和感抗和感抗X0的串的串联来等效代替联来等效代替。R0是和铁心中能量损耗是和铁心中能量损耗(铁损铁损)相应的等效电阻，相应的等效电阻，R0=PFe/I2，X0是和铁心中能量储放是和铁心中能量储放(与电源发与电源发生能量互换生能量互换)相应的等效感抗，为相应的等效感抗，为X0=QFe/I2。Z0=R0+jX031