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第六章磁路 实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心 线圈通电后铁心就构成磁路 磁路又影响电路 因此电工技术不仅有电路问题 同时也有磁路问题 磁路 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 磁力线 6 1磁场的基本物理量 磁场的特性可用磁感应强度 磁通 磁场强度 磁磁导率等几个物理量表示 矢量 二 磁通 flux 磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积 称为通过该面积的磁通 三 磁场强度H magnetizingforce 磁场强度是计算磁场所用的物理量 其大小为磁感应强度和导磁率之比 磁性材料主要是指由过渡元素铁 钴 镍极其合金等材料 分子电流和磁畴理论 分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流 分子电流将产生磁场 每个分子都相当于一个小磁铁 由于磁性物质分子的相互作用 使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性 这些小区域称为磁畴 6 2磁性材料的磁性能 高磁导率的成因 磁性物质没有外场时 各磁畴是混乱排列的 磁场互相抵消 当在外磁场作用下 磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上 即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场 从而磁性物质内的磁感应强度大大增加 物质被强烈的磁化了 磁性物质被广泛地应用于电工设备中 电动机 电磁铁 变压器等设备中线圈中都含有的铁心 就是利用其磁导率大的特性 使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感应强度和磁通 非磁性材料没有磁畴的结构 所以不具有磁化特性 磁性物质的磁化示意图 a 无外场 磁畴排列杂乱无章 b 在外场作用下 磁畴排列逐渐进入有序化 磁性材料的磁性能 一 高导磁性指磁性材料的磁导率很高 r 1 使其具有被强烈磁化的特性 二 磁饱和性当外磁场 或励磁电流 增大到一定值时 磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致 磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值 高导磁性 磁饱和性 磁滞性 非线性 磁化曲线 B和 与H的关系 注 当有磁性物质存在时B与H不成比例 与I也不成比例 三 磁滞性characteristicsofhysteresis当铁心线圈中通有交变电流 大小和方向都变化 时 铁心就受到交变磁化 电流变化时 B随H而变化 当H已减到零值时 但B未回到零 这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性 磁滞回线 剩磁 当线圈中电流减到零 H 0 铁心在磁化时所获的磁性还未完全消失 这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br 根据磁性能 磁性材料又可分为三种 软磁材料 磁滞回线窄长 常用做磁头 磁心等 永磁材料 磁滞回线宽 常用做永久磁铁 矩磁材料 磁滞回线接近矩形 可用做记忆元件 返回 磁性物质的分类 根据滞回曲线和磁化曲线的不同 大致分成三类 1 软磁材料 其矫顽磁力较小 磁滞回线较窄 铁心 2 永磁材料 其矫顽磁力较大 磁滞回线较宽 磁铁 3 矩磁材料 其剩磁大而矫顽磁力小 磁滞回线为矩形 记忆元件 铸铁 铸钢及硅钢片的磁化曲线 磁路 主磁通所经过的闭合路径 线圈通入电流后 产生磁通 分主磁通和漏磁通 6 3磁路及其基本定律 磁路的基本概念 一 安培环路定律 全电流律 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分 等于通过这个闭合路径内电流的代数和 电流方向和磁场强度的方向符合右手定则的 电流取正 否则取负 在无分支的均匀磁路 磁路的材料和截面积相同 各处的磁场强度相等 中 安培环路定律可写成 磁路长度L 线圈匝数N HL 称为磁压降 总磁动势 在非均匀磁路 磁路的材料或截面积不同 或磁场强度不等 中 总磁动势等于各段磁压降之和 例 对于均匀磁路 二 磁路的欧姆定律 磁路和电路的比较 磁路 电路 磁通 I N R E I 磁压降 磁动势 U 磁路的计算 在计算电机 电器等的磁路时 要预先给定铁心中的磁通 或磁感应强度 而后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势F NI 计算均匀磁路要用磁场强度H 即NI Hl 如磁路由不同的材料 长度和截面积的几段组成 则磁路由磁阻不同的几段串联而成 NI H1l1 H2l2 Hl 解 磁路的平均长度为l 10 15 2 39 2cm查铸钢的磁化曲线 当B 0 9T时 H1 500A m于是H1l1 195A空气隙中的磁场强度为H0 B0 0 0 9 4 10 7 7 2 105A m H0 7 2 105 0 2 10 2 1440A总磁通势为NI Hl H1l1 H0 195 1440 1635线圈匝数为N NI I 1635 若要得到相等的磁感应强度 采用磁导率高的铁心材料 可使线圈的用铜量大为降低 若线圈中通有同样大小的励磁电流 要得到相等的磁通 采用磁导率高的铁心材料 可使铁心的用铁量大为降低当磁路中含有空气隙时 由于其磁阻较大 要得到相等的磁感应强度 必须增大励磁电流 线圈匝数一定 结论 返回 励磁电流 在磁路中用来产生磁通的电流 6 4交流铁心线圈电路 I U 直流磁路的特点 直流磁路和电路中的恒压源类似 R为线圈的电阻 一 直流磁路的分析 二 交流磁路的分析 交流铁心线圈电路 1 电磁关系 电路方程 一般情况下很小 主磁通 漏磁通 2 电压电流关系 假设 则 最大值 有效值 交流磁路的特点 U不变 I不变 I随Rm变化 U不变时 基本不变 直流磁路 交流磁路 磁路小结 随Rm变化 3 铁心线圈电路的能量损失 1铁心线圈电路的铜损无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损 Pcu I2R 返回 铁心线圈的功率损耗主要有两部分 2铁心线圈电路的铁损 有铁心的线圈加上交流电时 它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热 这种能量损耗称为铁损 返回 PFe Ph Pe 磁滞损耗Ph 铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量 使磁铁发热 可以证明 铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比 所以一般为了减小磁滞损耗 常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心 通常采用硅钢 返回 涡流损耗Pe 磁铁材料既导磁又导电 在交变磁通通过铁心时 在线圈和铁心中都有感应电动势产生 在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流 涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗 ic 返回 为了减小涡流损耗 一方面采用电阻率较高的铁磁材料 如硅钢 也可以减小涡流 另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成 这样就可以限制涡流在较小的截面内流过 交流铁心线圈的铁心都选用法 0 5或0 35mm厚的彼此绝缘的硅钢片叠成 返回 三 交直流磁路的比较 在直流磁路中 磁动势 磁通 磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的 而在交流磁路中 这些量应随时间不断地变化 返回 直流励磁电流的大小取决于线端电压和线圈电阻的大小 而与磁路的性质 材料种类 几何尺寸 有无气隙及气隙大小等 无关 而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定 交流磁路的磁通基本上由线圈电压决定 与磁路的性质无关 而在直流磁路中 在线圈端电压一定时 磁通的大小与磁路的磁阻有关 返回 交流磁路中 在交变磁通的作用下 铁心中有磁滞损耗和涡流损耗 铁损 而在直流磁路中 由于磁通是恒定不变的 所以无铁损 6 4电磁铁 1 概述 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件 工件于固定位置的一种电器 当电源断开时电磁铁的磁性消失 衔铁或其它零件即被释放 电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动 根据使用电源类型分为 直流电磁铁 用直流电源励磁 交流电磁铁 用交流电源励磁 2 基本结构 电磁铁由线圈 铁心及衔铁三部分组成 常见的结构如图所示 铁心 衔铁 衔铁 有时是机械零件 工件充当衔铁 线圈 线圈 衔铁 铁心 线圈 铁心 3 电磁铁吸力的计算 电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比 基本公式如下 式中 B0的单位是特 斯拉 S0的单位是平方米 F的单位是牛 顿 N 直流电磁铁的吸力 直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取 交流电磁铁的吸力 交流电磁铁中磁场是交变的 设 则吸力瞬时值为 式中 为吸力的最大值 吸力的波形 吸力平均值为 O 1 交流电磁铁的吸力在零与最大值之间脉动 衔铁以两倍电源频率在颤动 引起噪音 同时触点容易损坏 为了消除这种现象 在磁极的部分端面上套一个分磁环 或称短路环 工作时 在分磁环中产生感应电流 其阻碍磁通的变化 在磁极端面两部分中的磁通 1和 2之间产生相位差 相应该两部分的吸力不同时为零 实现消除振动和噪音 如图所示 而直流电磁铁吸力恒定不变 综合上述 2 交流电磁铁中 为了减少铁损 铁心由钢片叠成 直流电磁铁的磁通不变 无铁损 铁心用整块软钢制成 4 直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关 在吸合过程中 励磁电流不变 3 在交流电磁铁中 线圈电流不仅与线圈电阻有关 主要的还与线圈感抗有关 在其吸合过程中 随着磁路气隙的减小 线圈感抗增大 电流减小 如果衔铁被卡住 通电后衔铁吸合不上 线圈感抗一直很小 电流较大 将使线圈严重发热甚至烧毁 4 电磁铁的应用 电磁铁在生产中获得广泛应用 其主要应用原理是 用电磁铁衔铁的动作带动其他机械装置运动 产生机械连动 实现控制要求 应用实例图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构 其中电动机和制动轮同轴 原理如下 通电 电磁铁动作 拉开弹簧 抱闸提起 松开制动轮 电机转动 断电 电磁铁释放 弹簧收缩 抱闸抱紧 抱紧制动轮 电机制动 启动过程 制动过程 例1 如图是一拍合式交流电磁铁 其磁路尺寸为 c 4cm l 7cm 铁心由硅钢片叠成 铁心和衔铁的截面都是正方形 每边长度a 1cm 励磁线圈电压为交流220V 今要求衔铁在最大空气隙 1cm 平均值 时须产生吸力50N 试计算线圈匝数和此时的电流值 计算时可忽略漏磁通 并认为铁心和衔铁的磁阻与空气隙相比可以不计 解 按已知吸力求 空气隙中和铁心中的可认为相等 故有 计算线圈匝数 求初始励磁电流 线圈 铁心 衔铁 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件 工件于固定位置的一种电器 电磁铁吸合过程的分析 在吸合过