电工学(第二版)4铁磁材料与磁路.ppt

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1、第四章第四章第四章第四章 铁磁材料与磁路铁磁材料与磁路铁磁材料与磁路铁磁材料与磁路4.1 铁磁材料的磁特性铁磁材料的磁特性4.2磁路的基本知识磁路的基本知识4.3同名端的概念同名端的概念小结小结习题四习题四 返返 回回 总总 目目 录录磁介质磁介质:磁场中的物质称为磁介质。磁场中的物质称为磁介质。导磁性导磁性物质对磁场的影响能力物质对磁场的影响能力非铁磁材料非铁磁材料:空气、木材、瓷、胶木、铜、铝之类的磁介空气、木材、瓷、胶木、铜、铝之类的磁介质，其导磁能力（即对磁场的增强程度）很弱且接近，质，其导磁能力（即对磁场的增强程度）很弱且接近，这类磁介质统称为非铁磁材料（又称为非铁磁物质）这类磁介质

2、统称为非铁磁材料（又称为非铁磁物质）铁磁材料铁磁材料:铁、钴、镍和它们的合金及氧化物之类的磁介铁、钴、镍和它们的合金及氧化物之类的磁介质，其导磁能力很强，这类磁介质统称为铁磁材料质，其导磁能力很强，这类磁介质统称为铁磁材料（又称为铁磁物质）。（又称为铁磁物质）。第一节铁磁材料的磁特性第一节铁磁材料的磁特性一、铁磁物质的磁化一、铁磁物质的磁化用金相显微镜观察到的磁畴：用金相显微镜观察到的磁畴：铁磁材料的磁化：铁磁材料的磁化：若将铁磁材若将铁磁材料放入通电线圈中（线圈称为料放入通电线圈中（线圈称为励磁线圈，电流称为励磁电流）励磁线圈，电流称为励磁电流），在励磁电流产生的外磁场的，在励磁电流产生的外

3、磁场的作用下，各磁畴的磁场方向趋作用下，各磁畴的磁场方向趋向于外磁场的方向，产生一个向于外磁场的方向，产生一个很强的附加磁场，使合成的总很强的附加磁场，使合成的总磁场大大增强，这种现象称为磁场大大增强，这种现象称为铁磁材料的磁化。铁磁材料的磁化。(磁畴的体积约为磁畴的体积约为1010-9-9cmcm3 3）天然磁化区天然磁化区磁畴磁畴:磁畴内部的分子电流排列整齐，每个磁畴内部的分子电流排列整齐，每个磁畴相当于一个小磁体，对外显示着很强的磁性磁畴相当于一个小磁体，对外显示着很强的磁性。起始磁化曲线起始磁化曲线0A0A段段:近似正比的增加。（线性段）近似正比的增加。（线性段）ABAB段：段：增加缓

4、慢。增加缓慢。(膝部膝部)B B点以后：点以后：几乎不增加。（饱和段）几乎不增加。（饱和段）由于大量磁畴转向由于大量磁畴转向剩余少量磁畴转向剩余少量磁畴转向空心线圈空心线圈二、磁化曲线二、磁化曲线铁心线圈铁心线圈没有磁畴可转向没有磁畴可转向为了用较小的励磁电流获得尽可能大的非饱和磁通，磁为了用较小的励磁电流获得尽可能大的非饱和磁通，磁路设计的最大工作磁通，一般都取在靠近膝部的路设计的最大工作磁通，一般都取在靠近膝部的A点附点附近。近。三、磁滞回线三、磁滞回线 当铁磁材料的励磁电流交变当铁磁材料的励磁电流交变时，如图：时，如图：(2)(2)磁滞现象：磁滞现象：的变化落后于的变化落后于 的变化，的

5、变化，(1)i 减小为零时，减小为零时，铁磁材料中仍保留一部分剩余磁通，铁磁材料中仍保留一部分剩余磁通，称为剩磁称为剩磁；使材料完全退磁需要反向使材料完全退磁需要反向i i达到一定数值达到一定数值的现象称为磁滞现象。的现象称为磁滞现象。(3)磁滞损失：磁畴反复转向引起的能量损失。磁滞损失：磁畴反复转向引起的能量损失。磁滞损失：使铁芯发热。磁滞损失：使铁芯发热。i 铁磁材料的磁特性是：铁磁材料的磁特性是：导磁能力强，磁通与励磁电流为非线性关系，具有磁滞性和磁饱和性。磁特性的根源在于铁磁材料内部存在着磁畴。软磁物质：软磁物质：磁滞损失小（硅钢、纯铁、铸铁、铁镍合金）磁滞损失小（硅钢、纯铁、铸铁、铁

6、镍合金）软磁材料的磁滞现象不明显，剩磁及磁滞损失小，磁滞回线软磁材料的磁滞现象不明显，剩磁及磁滞损失小，磁滞回线“瘦瘦”细细狭长，适宜制作交流电气设备中的铁心。狭长，适宜制作交流电气设备中的铁心。硬磁物质：硬磁物质：磁滞损失大（铬钢、钴钢、钨钢及铝镍钴合金）磁滞损失大（铬钢、钴钢、钨钢及铝镍钴合金）硬磁材料的磁滞现象显著，剩磁及磁滞损失大，磁滞回线硬磁材料的磁滞现象显著，剩磁及磁滞损失大，磁滞回线“肥胖肥胖”，适宜制作永久磁铁。适宜制作永久磁铁。铁磁材料的分类铁磁材料的分类 第二节磁路的基本知识一、磁路的概念一、磁路的概念 变压器、电机、电磁铁等电气设备的工作需要强磁场，变压器、电机、电磁铁等

7、电气设备的工作需要强磁场，且要求绝大部分磁通集中在主要由铁磁材料构成的路径上，且要求绝大部分磁通集中在主要由铁磁材料构成的路径上，这一路径这一路径称为磁路称为磁路（a）、（）、（b）称为无分支磁路，（）称为无分支磁路，（c）称为有分支磁路）称为有分支磁路 主磁通：主磁通：在磁路中穿过的磁通称为主磁通，又称为工作在磁路中穿过的磁通称为主磁通，又称为工作磁通。磁通。漏磁通：漏磁通：在线圈周围的空气及其他非铁磁材料中穿过的在线圈周围的空气及其他非铁磁材料中穿过的磁通称为漏磁通磁通称为漏磁通。漏磁通相对主磁通很小，计算不予考虑。漏磁通相对主磁通很小，计算不予考虑。磁阻：磁阻：截面截面S、长度、长度l，

8、材料相同的均匀磁路段引进的类，材料相同的均匀磁路段引进的类似于电阻的量似于电阻的量称磁介质的磁导率，单位是称磁介质的磁导率，单位是H/m Rm的单位是的单位是1/H 真空的磁导率真空的磁导率0=410-7H/m，其他非铁磁材料的磁导率，其他非铁磁材料的磁导率0，且为常数；铁磁材料的，且为常数；铁磁材料的很大，但不是常数。很大，但不是常数。直流磁路直流磁路：由直流电流励磁的磁路中，磁通的方向不变，由直流电流励磁的磁路中，磁通的方向不变，这样的磁路称为直流磁路，又称为恒定磁通的磁路。这样的磁路称为直流磁路，又称为恒定磁通的磁路。二、直流磁路二、直流磁路无分支磁路的欧姆定律式无分支磁路的欧姆定律式

9、F=NI称为称为磁动势磁动势，单位与电流单位相同；，单位与电流单位相同；Rm为闭合磁路的总磁阻为闭合磁路的总磁阻 铁磁材料的铁磁材料的不是常数，不能用式进行计算，只能对磁路进行定性分析。不是常数，不能用式进行计算，只能对磁路进行定性分析。直流磁路中的磁通不变，励磁线圈中没有感应电动势，励磁电流直流磁路中的磁通不变，励磁线圈中没有感应电动势，励磁电流I仅由仅由励磁线圈的外加电压励磁线圈的外加电压U和线圈电阻和线圈电阻R决定（决定（I=U/R）。励磁线圈的电阻）。励磁线圈的电阻是不变的，当外加电压一定时，若磁路状况（中心长度、截面、材料）是不变的，当外加电压一定时，若磁路状况（中心长度、截面、材料

10、）不同，则总磁阻和磁通也不同不同，则总磁阻和磁通也不同 交流磁路：交流磁路：在由交流电流励磁的磁路中，磁通随时间不断交变，这样的磁路称为交流磁路。交流铁心线圈：交流铁心线圈：交流磁路的励磁线圈称为交流铁心线圈 两种损耗：两种损耗：磁滞、涡流 三、交流磁路三、交流磁路当磁路中的磁通交变时，会在铁心中感应出旋涡状的电流当磁路中的磁通交变时，会在铁心中感应出旋涡状的电流。1、涡流、涡流涡流损失：涡流损失：涡流使铁心发热并消耗能量，称为涡流损失。涡流使铁心发热并消耗能量，称为涡流损失。铁损：铁损：铁心中的磁滞损失与涡流损失总称铁心损失铁心中的磁滞损失与涡流损失总称铁心损失减小涡流损失：减小涡流损失：绝

11、缘层的硅钢片叠成交流磁绝缘层的硅钢片叠成交流磁路铁心（交流电机、变压器、交流接触器等）路铁心（交流电机、变压器、交流接触器等）高频交流铁心则一般采用铁淦氧磁体等高频交流铁心则一般采用铁淦氧磁体等 涡流应用：涡流应用：电磁炉、高频感应电炉、电工仪表中利电磁炉、高频感应电炉、电工仪表中利用涡流产生的阻尼力矩，使仪表指针尽快停摆。用涡流产生的阻尼力矩，使仪表指针尽快停摆。2、交流铁心线圈的电磁关系、交流铁心线圈的电磁关系励磁线圈外加的正弦交流电压与磁通的关系励磁线圈外加的正弦交流电压与磁通的关系 法拉第定律法拉第定律 若不计铁心损失、线圈电阻和漏磁通的影响若不计铁心损失、线圈电阻和漏磁通的影响 交流

12、铁心线圈的特点：交流铁心线圈的特点：电源的频率及线圈的匝数一定时，电源的频率及线圈的匝数一定时，如线圈电压有效值不变，如线圈电压有效值不变，m不变；不变；电压的有效值改变时，电压的有效值改变时，m与与U成成正比改变，而与磁路情况无关。正比改变，而与磁路情况无关。第三节同名端的概念第三节同名端的概念 同名端：同名端：一般地说：在具有互感关系的两个线圈中的任意一个线圈一般地说：在具有互感关系的两个线圈中的任意一个线圈的任意一端，通入任意变化（增大或减小）的电流，由于自感电动势的任意一端，通入任意变化（增大或减小）的电流，由于自感电动势和互感电动势的作用，在两上线圈中，总有一对端钮（它们分属两个和互

13、感电动势的作用，在两上线圈中，总有一对端钮（它们分属两个线圈）相对于另一对端钮，同时为高电位或低电位。这样的一对端钮线圈）相对于另一对端钮，同时为高电位或低电位。这样的一对端钮称为同名端，又称为同极性端。其标记符号是称为同名端，又称为同极性端。其标记符号是“”或或“*”同名端是由两个线圈的绕向决定同名端是由两个线圈的绕向决定 若在同名端的两个端钮分别各自通进电流，若在同名端的两个端钮分别各自通进电流，则它们产生的磁通方向一致，若在异名端分别各则它们产生的磁通方向一致，若在异名端分别各自通进电流，则它们产生的磁通方向相反。自通进电流，则它们产生的磁通方向相反。判断已知绕向的两个线圈的同名端方法：

14、判断已知绕向的两个线圈的同名端方法：【例4-1】判断图4-9所示两线圈的同名端。【例4-2】利用同名端的定义可以判断互感电动势的方向。图4-10是已知同名端但不知绕向的两个互感线圈。试判断当i1减小时，在第二个线圈中产生互感电动势e2的方向。（图中的M表示两线圈间具有互感关系）小结小结（1）铁磁材料因内部存在磁畴而具有磁特性。）铁磁材料因内部存在磁畴而具有磁特性。（2）均匀磁路段的磁阻）均匀磁路段的磁阻Rm=l/S。闭合直流磁路的磁通。闭合直流磁路的磁通=NI/Rm=F/Rm，常利用该式定性分析直流常利用该式定性分析直流磁路。磁路。直流磁路没有磁滞损失和涡流损失；直流磁路没有磁滞损失和涡流损失

15、；交流磁路存在磁滞损失和涡流损失；交流磁路存在磁滞损失和涡流损失；交流铁心线圈外加的正弦交流电压与磁通最大值的交流铁心线圈外加的正弦交流电压与磁通最大值的关系是关系是U=4.44fNm。（3）同名端又叫同极性端）同名端又叫同极性端 习题四习题四 4-1铁磁材料的磁特性有哪些？它具有磁特性的根源是铁磁材料的磁特性有哪些？它具有磁特性的根源是什么？什么？4-2什么是铁磁材料的磁滞现象？什么是铁磁材料的磁滞现象？4-3软磁材料和硬磁材料各自的特点是什么？软磁材料和硬磁材料各自的特点是什么？4-4如图如图4-11所示，图所示，图 所示磁滞回线所对应的铁所示磁滞回线所对应的铁磁材料适宜用作交流电气设备的

16、磁路；图磁材料适宜用作交流电气设备的磁路；图 所所示磁滞回线所对应的铁磁材料适宜制作永久磁铁。示磁滞回线所对应的铁磁材料适宜制作永久磁铁。4-5将一个空心线圈先后接到直流电源和交流电源上，然后在这个线圈中插入铁将一个空心线圈先后接到直流电源和交流电源上，然后在这个线圈中插入铁 心，再接上述直流电源和交流电源，交流电源电压的有效值和直流电源电压相等，心，再接上述直流电源和交流电源，交流电源电压的有效值和直流电源电压相等，试比较上述四种情况下线圈电流的大小。试比较上述四种情况下线圈电流的大小。4-6直流磁路仅作如下之一变化，磁通将如何变化：（直流磁路仅作如下之一变化，磁通将如何变化：（1）励磁线圈

17、外加电压增大；）励磁线圈外加电压增大；（2）线圈匝数增多；（）线圈匝数增多；（3）磁路中心长度增加；（）磁路中心长度增加；（4）磁路截面增大；（）磁路截面增大；（5）在由）在由铁磁材料构成的磁路段上切开一小段变成气隙。铁磁材料构成的磁路段上切开一小段变成气隙。4-7交流铁心线圈仅作如下之一的变化，对磁通和励磁电流的大小有何影响：交流铁心线圈仅作如下之一的变化，对磁通和励磁电流的大小有何影响：（1）外加电压减小；（）外加电压减小；（2）电源频率减小；（）电源频率减小；（3）励磁线圈匝数减小；（）励磁线圈匝数减小；（4）铁心）铁心截面增大。截面增大。4-8判断图判断图4-12所示两线圈的同名端。所示两线圈的同名端。4-9对图对图4-13所示电路，判断当开关所示电路，判断当开关S闭合时线圈闭合时线圈的互感电动势的互感电动势e2的方向（标的方向（标在图中）。在图中）。