大学电工电子技术磁路与铁心线圈电路.ppt
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1、1第第6 6章章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路2第第6章章 磁路与铁心线圈与电路磁路与铁心线圈与电路6.1 6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法6.2 6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路6.3 6.3 变压器变压器6.4 6.4 电磁铁电磁铁3磁路:主磁通所经过的闭合路径。磁路:主磁通所经过的闭合路径。i 线圈通入电流后,产生线圈通入电流后,产生磁通,磁通,分主磁通和漏磁通分主磁通和漏磁通。:主磁通主磁通:漏磁通漏磁通铁心铁心(导磁性能好(导磁性能好 的磁性材料)的磁性材料)线圈线圈6.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量6.1 6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法4
2、磁路的基本物理量及相互间的关系磁路的基本物理量及相互间的关系SB=复习复习磁感应强度(磁通密度磁感应强度(磁通密度):):B:单位:特斯拉单位:特斯拉(T)磁通磁通:单位:韦伯单位:韦伯(Wb)磁动势磁动势:F:单位:安单位:安(A)磁场强度磁场强度:H:单位:安单位:安/米米(A/m)磁导率磁导率:单位:亨单位:亨/米米(H/m)F=N IN IlHN IN I=表征各种材料导磁能力的物理量表征各种材料导磁能力的物理量 BH=5 真空中的磁导率真空中的磁导率()为常数为常数0m称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率 一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率和真空中的磁导率
3、 r之比之比,则称为磁性材料则称为磁性材料,则称为非磁性材料则称为非磁性材料-70104=pm非磁性材料非磁性材料:磁导率低,如真空、空气;:磁导率低,如真空、空气;磁性材料磁性材料:磁导率高,如铁磁物质。:磁导率高,如铁磁物质。66.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能分子中的电子环绕原子核运分子中的电子环绕原子核运动和本身的自转运动形成分动和本身的自转运动形成分子电流,分子电流产生磁场。子电流,分子电流产生磁场。磁性物质内,分成许多小区域,分子间的特殊作用磁性物质内,分成许多小区域,分子间的特殊作用力使每个区域内的分子磁铁排列整齐,显示磁性,力使每个区域内的分子磁铁排列整齐,显示磁性,
4、称为:磁畴。称为:磁畴。磁筹磁筹在没有外电场作用时,各磁筹排列混乱,磁场互相在没有外电场作用时,各磁筹排列混乱,磁场互相抵消,对外不显磁性。抵消,对外不显磁性。7B0在铁心上绕上线圈,通入在铁心上绕上线圈,通入电流,产生磁场:电流,产生磁场:B0 B0:以空气为介质产生的:以空气为介质产生的磁感应强度。磁感应强度。B0Bj在外磁场的作用下,磁筹在外磁场的作用下,磁筹就顺向外磁场的方向,显就顺向外磁场的方向,显示出磁性,产生很强的磁示出磁性,产生很强的磁化磁场。化磁场。B0外电流越大,磁化磁场越大,外电流越大,磁化磁场越大,当外电流增大到一定值时,当外电流增大到一定值时,磁筹全部转向外磁场的方向
5、,磁筹全部转向外磁场的方向,Bj最大。最大。Bj8结论:结论:(1)、用铁磁材料作磁路时,通入不大的励磁电)、用铁磁材料作磁路时,通入不大的励磁电流,可产生足够大的磁通和磁感应强度。流,可产生足够大的磁通和磁感应强度。(2)、用铁磁材料作磁路时,可以做成大电感。)、用铁磁材料作磁路时,可以做成大电感。非磁性材料没有非磁性材料没有 磁筹的结构,不具有磁化的特性。磁筹的结构,不具有磁化的特性。9 H(4)铁磁材料的)铁磁材料的 不是常数,不是常数,随电流变化。随电流变化。(5)铁心线圈的电感是随电流变化的。)铁心线圈的电感是随电流变化的。铁心线圈是非线性电感。铁心线圈是非线性电感。(3)磁性物质由
6、于磁化所产生的磁化磁场不会)磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强,当外磁场增大到随着外磁场的增强而无限增强,当外磁场增大到一定值时,全部磁筹的磁场方向都转向与外磁场一定值时,全部磁筹的磁场方向都转向与外磁场的方向一致。这时:磁化磁场的磁感应强度,的方向一致。这时:磁化磁场的磁感应强度,Bj即达到饱和值。即达到饱和值。10非线性!非线性!不是不是常数常数矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力剩磁剩磁剩磁剩磁磁滞性磁滞性磁饱和磁饱和非线性非线性磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能非线性;高导磁性;磁饱和性;磁滞性。非线性;高导磁性;磁饱和性;磁滞性。基本磁化曲线:基本磁化曲线:B=f(H)
7、或或 =f(I)H(I)B()0baB()H(I)ti励磁电流励磁电流励磁电流励磁电流ti00112233445566111 根据磁性能,磁性材料又可分为三种:根据磁性能,磁性材料又可分为三种:软磁材料软磁材料(磁(磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等)、滞回线窄长。常用做磁头、磁心等)、永磁材料永磁材料(磁(磁滞回线宽。常用做永久磁铁)、滞回线宽。常用做永久磁铁)、矩磁材料矩磁材料(滞回(滞回 线接近矩形。可用做记忆元件)。线接近矩形。可用做记忆元件)。B()H(I)B()H(I)B()H(I)12对于均匀磁路对于均匀磁路6.1.3 磁路及其基本定律磁路及其基本定律则:则:INSL由于磁性材料由
8、于磁性材料 的的 不常数,磁路欧姆不常数,磁路欧姆定律只用作定性定律只用作定性 分析,不做定量计算。分析,不做定量计算。slRm=令:令:Rm 称为磁阻称为磁阻mRlSNIF=注意!注意!一、磁路的欧姆定律:一、磁路的欧姆定律:13磁路和电路的比较磁路和电路的比较磁通磁通磁压降磁压降Hl磁动势磁动势INF=电动势电动势电流电流电压降电压降UEI电路电路R+_EIU磁路磁路IN 磁阻磁阻SlRm=电阻电阻SlRr=mRF=欧姆定律欧姆定律REI=欧姆定律欧姆定律14F 反映通电线圈励磁能力的大小反映通电线圈励磁能力的大小Rm 表示磁路的材料对磁通起阻碍作用的物理量。表示磁路的材料对磁通起阻碍作用
9、的物理量。反映磁路导磁性能的强弱,它只与磁路的尺反映磁路导磁性能的强弱,它只与磁路的尺寸,寸,材料的导磁率有关。材料的导磁率有关。对于不同材料或不同截面组成的几段磁路对于不同材料或不同截面组成的几段磁路磁路的总磁阻为各段磁组之和磁路的总磁阻为各段磁组之和15INF=SlRm=一定:一定:大大Rm小小F小小I小小 小小Rm大大F大大I大大I一定:一定:大大Rm小小 大大 小小Rm大大 小小16对带有空气隙的磁路对带有空气隙的磁路l1、1l2、20.5l0Rm0中,虽然中,虽然l0很小,但很小,但 0很小,因此很小,因此Rm0很大,很大,使整个磁路的磁阻大大增加。使整个磁路的磁阻大大增加。I不变:
10、不变:Rm大大 小小 不变:不变:Rm大大 I大大17二、直流磁路的分析计算二、直流磁路的分析计算已知磁路的材料和尺寸及要求磁路中达到的磁感应强度,计已知磁路的材料和尺寸及要求磁路中达到的磁感应强度,计算磁动势或励磁电流。算磁动势或励磁电流。对于均匀磁路:对于均匀磁路:各段磁路的磁通相等各段磁路的磁通相等步骤:步骤:1 1、根据各段磁路的截面积计算各磁感应强度、根据各段磁路的截面积计算各磁感应强度B;2 2、根据各段磁路的磁感应强度、根据各段磁路的磁感应强度B B查磁化曲线,得各段磁路的查磁化曲线,得各段磁路的H;气隙磁路:气隙磁路:3 3、计算各段磁路的磁压降:、计算各段磁路的磁压降:Hl4
11、 4、18例:例:一环型铁心线圈,尺寸如图示,铁心材料为铸钢,磁路中含有长度为一环型铁心线圈,尺寸如图示,铁心材料为铸钢,磁路中含有长度为两厘米的空气隙。设线圈中通有两厘米的空气隙。设线圈中通有1A的电流,如要得到的电流,如要得到0.9T的磁感应强的磁感应强度,试求线圈匝数。度,试求线圈匝数。15cm10cm0.2cmI解解:磁路的平均长度为磁路的平均长度为L=(10+15)/2*3.14=39.2cm铸钢磁路的长度为铸钢磁路的长度为L1=39.2-0.2=39cm查表磁化曲线查表磁化曲线,当当B=0.9T时,时,H=500A/m,于是,于是H1L1=5003910-2=195A对空气隙对空气
12、隙H0L0=L0 B0/0=1440ANI=H1L1+H0L0=1635A?19励磁电流励磁电流:在磁路中用来产生磁通的电流。在磁路中用来产生磁通的电流。(线圈中的电流)(线圈中的电流)6.2 铁心线圈铁心线圈分类:分类:直流铁心线圈直流铁心线圈交流铁心线圈交流铁心线圈励磁电流为直流电励磁电流为直流电励磁电流为交流电励磁电流为交流电20直流铁心线圈直流铁心线圈励磁电流为直流:励磁电流为直流:RUI=(R 为线圈的电阻)为线圈的电阻)IUU一定一定I一定,与磁路特性无关;一定,与磁路特性无关;磁动势恒定:磁动势恒定:F=N I磁通:磁通:)(mRF=Rm一定一定 一定,恒定磁通,无感应电动势产生
13、;一定,恒定磁通,无感应电动势产生;功率损耗:功率损耗:P=I2R只由线圈中的电流和线圈电阻决定。只由线圈中的电流和线圈电阻决定。21直流电磁铁磁路如图示。分在直流电磁铁磁路如图示。分在衔铁吸合前后的电流、磁通的衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。变化情况。IU1)因电流只与电源电压和线圈电阻有关,)因电流只与电源电压和线圈电阻有关,所以,吸合前后电流不变:所以,吸合前后电流不变:I=U/R2)因磁动势一定,)因磁动势一定,F=NI吸合前,磁路中气隙大,磁阻大,吸合前,磁路中气隙大,磁阻大,小;小;吸合后,磁路中气隙小,磁阻小,吸合后,磁路中气隙小,磁阻小,大。大。)(mRF=例例222:主磁
14、通主磁通:漏磁通漏磁通usesei交流铁心线圈交流铁心线圈交流励磁:交流励磁:线圈中上加正弦交流电压,励磁电流为交线圈中上加正弦交流电压,励磁电流为交流电流流电流 产生交变磁通产生交变磁通 在线圈中产生感应电动势在线圈中产生感应电动势usi(i N)e=-Ndd te s=-Nd sd t电流与磁通方向符合右螺旋法则电流与磁通方向符合右螺旋法则6.2.1 电磁关系电磁关系23电路方程:电路方程:eeuuR-+-+=)()(s :漏磁通,很小;漏磁通,很小;R:线圈电阻,线圈电阻,很小,很小,6.2.2 电压电流关系电压电流关系usesei假设假设则则tfNm cos2=最大值最大值有效值有效值
15、mmfNUU44.42=tNum cos mmfNU 2 246.2.3 功率损耗功率损耗 P=Pcu+Pfe 铜损铜损:Pcu=I2R铁损铁损:Pfe=Ph+Pe Ph:磁滞损耗磁滞损耗:铁心材料的磁滞回线面积铁心材料的磁滞回线面积采用软磁性材料做铁心可以减少磁滞损耗。采用软磁性材料做铁心可以减少磁滞损耗。Pe:涡流损耗:涡流损耗:与铁心的截面积、电源频率、与铁心的截面积、电源频率、磁感应强度有关。磁感应强度有关。采用顺磁场方向的硅钢片叠成的铁心可以采用顺磁场方向的硅钢片叠成的铁心可以减少涡流损耗。减少涡流损耗。25交流铁心线圈的有功功率交流铁心线圈的有功功率26mNfU 44.4 当外加电
16、压当外加电压U、频率、频率 f 与线圈匝数与线圈匝数N一定时,一定时,便一定。便一定。m 3.交流磁路的特点交流磁路的特点mR 一定,磁动势一定,磁动势IN 随磁阻随磁阻 的变化而变化的变化而变化;mmRIN=27uiX0R0RX 线圈线圈铁心铁心 6.2.4 等效电路等效电路:将铁心线圈的交流电路等效成一个不含铁心的交流电路。将铁心线圈的交流电路等效成一个不含铁心的交流电路。非线性电感非线性电感线性电感线性电感等效条件:等效条件:u不变时,不变时,P,i及各物理量之间的相位及各物理量之间的相位 关系不变。关系不变。28uiX0R0RcuX 线圈线圈铁心铁心RCu:线圈电阻。线圈电阻。X:漏磁
17、通引起的感抗。漏磁通引起的感抗。R0:铁心电阻。铁心电阻。X0:铁心存储能量引起的感抗。铁心存储能量引起的感抗。29在吸合过程中若外加电压在吸合过程中若外加电压U不变不变,则则 不变。不变。iumRIN=电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小)气隙小)小小 电流小。电流小。mR如果气隙中有异物卡住,电磁铁长如果气隙中有异物卡住,电磁铁长时间吸不上,线圈中的电流一直很时间吸不上,线圈中的电流一直很大,将会导致过热,把线圈烧坏。大,将会导致过热,把线圈烧坏。交流电磁铁磁路如图示。分析交流电磁铁磁路如图示。分析在衔铁吸合前后的电流、磁通在衔铁吸合前后的电流、磁通的变化情况。的变化情况。电磁铁吸合前电磁铁吸
18、合前(气隙大)气隙大)大大 电流大;电流大;mR例例3注意!注意!30(U不变,不变,I不变)不变)(I 随随 Rm 变化)变化)(U不变时,不变时,基本不变基本不变)直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路磁路磁路小结小结(随随Rm变化)变化)31变压器功能:变压器功能:变电压:变电压:电力系统电力系统 变阻抗:变阻抗:电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 (如喇叭的输出变压器)(如喇叭的输出变压器)变电流:变电流:电流互感器电流互感器 6.3 变压器变压器32 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站 1万伏万伏降压降压 变压器应用举例变压器应用举例降压降压实验
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