第13章磁路和铁芯线圈.ppt
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1、第第13章章 磁路和铁芯线圈磁路和铁芯线圈 13.1磁场的主要物理量和基本性质磁场的主要物理量和基本性质13.2磁路的基本定律磁路的基本定律13.3铁磁物质的磁化过程铁磁物质的磁化过程13.4非线性恒定磁通磁路的计算非线性恒定磁通磁路的计算13.1磁磁场场的主要物理量和基本性的主要物理量和基本性质质根根据据电电磁磁场场理理论论,磁磁场场是是由由电电流流(运运动动电电荷荷)产产生生的的。电电气气设设备备的的磁磁场场一一般般集集中中分分布布在在由由导导磁磁材材料料构构成成的的闭闭合合路路径径内内,这这样样的的路路径径称称为为磁磁路路。磁磁路路问问题题实实质质上上是是局局限限在在一一定定范范围围内内
2、的的磁磁场场问问题题。磁磁路路所所涉涉及及的的一一些些物物理理量量都都来来源源于于磁磁场场,为为了了分分析析计计算算磁磁路路,本本节节先先对对磁磁场场的的基基本本物物理理量量及及其基本性其基本性质质作作简简要复要复习习。一、一、磁磁场场中的主要物理量中的主要物理量1.磁感磁感应应强强度和磁通度和磁通磁磁感感应应强强度度(magnetic induction)是是磁磁场场的的基基本本物物理理量量,它它是是根根据据洛洛仑仑兹兹力力来来定定义义的的,是是一一个个矢矢量量,用用符符号号B来来表表示示。其其方方向向与与磁磁场场的的方方向向一一致致,可可以以用用能能够够自自由由转动转动的小磁的小磁针针来来
3、测测定。定。放放在在磁磁场场中中某某处处的的小小磁磁针针N极极所所指指的的方方向向就就是是该该点点磁磁感感应应强强度度的的方方向向;其其大大小小是是运运动动电电荷荷在在磁磁场场中中受受到到磁磁场场力力的的作作用用,当当运运动动电电荷荷与与磁磁场场的的方方向向垂垂直直时时,它它所所受受到到的的磁磁力最大,记为力最大,记为Fmax。通通常常用用磁磁感感应应强强度度线线来来描描绘绘磁磁场场中中各各点点的的情情况况。其其方方向向代代表表该该点点磁磁感感应应强强度度的的方方向向,其其大大小小用用该该点点附附近近磁磁感感应应强强度度线线的的疏疏密密程程度度来来表表示示。磁磁感感应应强强度度线线是是连连续续
4、的的闭闭合合曲曲线线,且且任任意意两两根根磁磁感感应应强强度度线线不不可可能能相相交交。如如果果磁磁场场是是由由电电流流产产生生的的,电电流流也也是是闭闭合合流流动动的的,即即磁磁感感应应强强度度线线总总是是与与电电流流线线相相互互钩钩链链的的。图图13-1画画出出了了3种种常常见见电电流流产产生磁生磁场场的情况。的情况。图图13-1 3种常见电流的磁场种常见电流的磁场 磁磁感感应应强强度度矢矢量量的的通通量量称称为为磁磁通通量量(magnetic flux),是是一一个个标标量量,用用符符号号来表示。来表示。如如果果是是均均匀匀磁磁场场,磁磁感感应应强强度度B与与垂垂直直于于磁磁场场方方向向
5、的的面面积积S的的乘乘积积就就叫叫作作通通过过这块面积的磁通。这块面积的磁通。磁感应强度也称为磁通密度。磁感应强度也称为磁通密度。磁磁通通可可以以形形象象地地用用穿穿过过某某一一面面积积磁磁感感应应强强度度线线的根数来表示。的根数来表示。在在国国际际单单位位制制(SI)中中,磁磁通通的的单单位位是是韦韦伯伯(Weber),符符号号为为Wb。即即磁磁感感应应强强度度为为一一个个特特斯斯拉拉时时,通通过过垂垂直直于于磁磁场场方方向向上上一一平平方方米米的的截截面面积积中中磁磁通通量量为为一一个个韦韦伯。伯。2.磁磁场场强强度和磁度和磁导导率率磁场强度是描述磁场的另一个重要的物磁场强度是描述磁场的另
6、一个重要的物理量。理量。磁磁场场中中某某点点的的磁磁场场强强度度只只取取决决于于产产生生这这个个磁磁场场的的运运动动电电荷荷(或或电电流流)的的分分布布,而而与与介介质质无无关关。也也就就是是说说,在在确确定定的的运运动动电电荷荷(或或电电流流)分分布布所所产产生生的的磁磁场场中中,如如果果分分别别充充满满不不同同的的介介质质,则则磁磁场场中中同同一一点点的的磁磁场场强强度度H是是相相同同的的。而而磁磁感感应应强强度度随随着着介介质质的的不不同同而而不不同同,不不同同的的程度取决于介程度取决于介质质的磁的磁导导率率。在在国国际际单单位位制制(SI)中中,由由后后面面介介绍绍的的安安培培环环路路
7、定定律律可可知知,磁磁场场强强度度的的单单位位是是安安/米,符号米,符号为为A/m。磁导率磁导率(permeability)是反映物质导是反映物质导磁能力或物质被磁化能力的物理量。磁能力或物质被磁化能力的物理量。二、二、磁磁场场的基本性的基本性质质1.磁通磁通连续连续性原理性原理磁通连续性原理是磁场的一个基本性磁通连续性原理是磁场的一个基本性质。质。其内容是,在磁其内容是,在磁场场中,磁感中,磁感应应强强度度对对任意任意闭闭合面的合面的面积分恒等于零面积分恒等于零。2.安培安培环环路定律路定律安安 培培 环环 路路 定定 律律(Amperes circuital law)是是磁磁场场又又一一基
8、基本本性性质质。其其内内容容是是,在在磁磁场场中中,磁磁场场强强度度沿沿任任意意闭闭合合路路径径的的线线积积分分等等于于穿穿过过该该路路径径所所包包围围的的全全部部电电流流的的代代数和数和。13.2 磁路的基本定律磁路的基本定律一、一、磁路磁路在在实实际际的的电电磁磁设设备备中中,为为了了提提高高效效率率,减减少少体体积积和和成成本本,一一般般都都要要求求能能以以尽尽可可能能小小的的电电流流(激激磁磁电电流流)产产生生尽尽可可能能大大的的磁磁通通,这这就就要要求求把把磁磁场场集集中中在在尽尽可可能能小小的的区区域域内内。利利用用特特殊殊的的电电流流分分布布如如密密绕绕螺螺线线管管,和和利利用用
9、高高磁磁导导率率的的材材料料制制成成闭闭合合的的或或近近似似闭闭合合的路径,即所的路径,即所谓铁谓铁芯来达到目的。芯来达到目的。在在这这种种情情况况下下,磁磁场场主主要要集集中中在在这这个个路路径径中中,这这种种结结构构的的总总体体(有有时时还还包包括括一一段段空气隙空气隙)称称为为磁路磁路(magnetic circuit)。图图13-4示示出出了了几几种种常常见见的的磁磁路路结结构构,图图(a)是是单单相相变变压压器器的的磁磁路路;图图(b)和和(c)是是接接触触器器和和继继电电器器的的磁磁路路;图图(d)是是直直流流电电机机的的磁磁路路;图图(e)是是电电工工仪仪表表的的磁磁路路。这这些
10、些磁磁路路分分别别由由不不同同的的铁铁磁磁物物质质构构成成,磁磁路路内内有有时时需要有很小的空气隙需要有很小的空气隙(简简称气隙称气隙)存在。存在。图图13-4 几种常见的磁路几种常见的磁路当当把把磁磁场场集集中中在在一一个个有有限限的的区区域域以以后后,磁磁场场问问题题就就简简化化为为磁磁路路的的问问题题。从从简简化化分分析析的的角角度度来来看,磁路有如下特点。看,磁路有如下特点。1.磁磁路路中中的的磁磁通通可可以以分分为为两两部部分分,绝绝大大部部分分通通过过磁磁路路(包包括括气气隙隙),称称为为主主磁磁通通,用用来来表表示示;很很小小一一部部分分经经过过磁磁路路周周围围的的非非铁铁磁磁物
11、物质质的的磁磁通通称称为为漏漏磁磁通通,用用S表表示示,如如图图13-5(a)所所示示。在在对对磁磁路路的的初初步步计计算算时时,常常将将漏漏磁磁通通略略去去不不计计,认认为为全全部部磁磁通通都都集集中中在在磁磁路路里里,同同时时选选定定铁铁芯芯的的几几何何中中心心闭闭合合线线作作为为主主磁磁通通的的路路径径。这这样样,图图13-5(a)就可以用就可以用13-5(b)来表示。来表示。图图13-5 主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通2.磁磁路路通通常常由由若若干干段段组组成成,若若每每段段由由同同一一种种材材料料组组成成且且具具有有相相同同的的截截面面积积。磁磁路路中中任任意意截截面面上上的的磁磁通通
12、的的分分布布认认为为是是均均匀匀的的,同同时时认认为为各各段段中中的的磁磁场场强强度度相相同同且且与与磁路路径一致。磁路路径一致。二、二、磁路的基本物理量磁路的基本物理量磁磁路路分分析析中中所所涉涉及及的的物物理理量量与与前前面面磁磁场场中中的的物物理理量量相相同同,只只是是增增加加了了两两个新的名称。个新的名称。1.磁通磁通势势2.磁磁压压降降三、三、磁路的基本定律磁路的基本定律1.磁路的基磁路的基尔尔霍夫定律霍夫定律磁磁路路的的基基尔尔霍霍夫夫定定律律是是由由描描述述磁磁场场性性质质的的磁磁通通连连续续性性原原理理和和安安培培环环路路定定律律推推导导而得到,它而得到,它们们是分析是分析计计
13、算磁路的基算磁路的基础础。与电路类似,磁路中一条支路内的磁与电路类似,磁路中一条支路内的磁通处处相同。对于有分支磁路,如图通处处相同。对于有分支磁路,如图13-6所示,在磁路分支点作闭合面。根据磁通所示,在磁路分支点作闭合面。根据磁通连续性原理,可知穿过闭合面的磁通代数连续性原理,可知穿过闭合面的磁通代数和为零。和为零。图图13-6 说说明明磁磁路路定定律律的的用用图图 2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律与电路的基尔霍夫定律类似,磁路与电路的基尔霍夫定律类似,磁路的基尔霍夫定律同样只与磁路的结构有的基尔霍夫定律同样只与磁路的结构有关,与组成磁路的各个磁路段的性质关,与组成磁路的各个磁路段的性质(
14、如材料、尺寸等)无关。磁路的欧姆(如材料、尺寸等)无关。磁路的欧姆定律由磁介质的性质方程导出。定律由磁介质的性质方程导出。如如果果组组成成磁磁路路的的各各磁磁路路段段的的磁磁阻阻均均为为常常数数,则则称称为为线线性性磁磁路路,否否则则称称为为非非线线性磁路。性磁路。3.线线性磁路的性磁路的计计算算由于电路和磁路中的两类约束方程的由于电路和磁路中的两类约束方程的相似性,线性磁路与线性电路的计算类似。相似性,线性磁路与线性电路的计算类似。磁磁路路和和电电路路的的相相似似仅仅仅仅是是形形式式上上的的,其本其本质质是有区是有区别别的。的。1.电电路路中中的的电电流流是是带带电电粒粒子子的的运运动动,它
15、它在在导导体体中中的的运运动动是是有有能能量量损损耗耗的的,RI2表表示示电电流流流流经经电电阻阻时时产产生生的的功功率率损损耗耗的的大大小小。而而磁磁路路中中的的磁磁通通不不代代表表粒粒子子的的运运动动,当当然然,相相应应的的Rm2也也不不表表示示功功率率损损耗耗。这这两两者者是是有本有本质质区区别别的。的。2.自然界里存在对电流良好的绝缘材自然界里存在对电流良好的绝缘材料,但却尚未发现对磁通绝缘的材料。料,但却尚未发现对磁通绝缘的材料。磁路磁路对对于于电电路而言路而言 有两点不同。有两点不同。(1)电电路路中中存存在在开开路路现现象象,而而磁磁路路中中没没有有开开路路(断断路路)现现象象,
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- 第13章 磁路和铁芯线圈 13 磁路 线圈
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