第一讲磁路的基本知识

1 电工基础 教案 课课 题 题 项目四 第一讲 磁路的基本知识磁路的基本知识 教学目的教学目的 1 理解磁路中磁势磁阻的概念以及磁路的欧姆定律 2 全电流定律及其应用 教学重点教学重点 磁路中的欧姆定律和全电流定律的应用 教学难点 教学难点 磁势和磁阻的概念 教学方法 教学方法 启发式综合教学法 教学课时 教学课时 4 课时 教学过程教学过程 时间时间 分配分配 新课讲授 导入 磁路系统广泛应用在电器设备之中 如变压器 电机 继电器等 并且在电机和 某些电器的磁路中 一般还需要一段空气隙 或者说空气隙也是磁路的组成部分 图 1 1 是电机电器的几种常用磁路结构 图 a 是普通变压器的磁路 它全部由铁磁材 料组成 图 b 是电磁继电器磁路 它除了铁磁材料外 还有一段空气隙 图 c 表示电机 的磁路 也是由铁磁材料和空气隙组成 图 b 是无分支的串联磁路 空气隙段和铁磁材料 串联组成 图 a 是有分支的并联磁路 图中实 或虚 线表示磁通的路径 a b c 图 1 1 几种常用电器的典型磁路 a 普通变压器铁芯 b 电磁继电器常用铁芯 c 电机磁路 1 磁感应强度 磁通密度 磁感应强度 磁通密度 B 描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度 为了形象地描绘磁场 往往采用磁感B 应线 常称为磁力线 磁力线是无头无尾的闭合曲线 图 1 3 中画出了直线电流及螺线管 电流产生的磁力线 a b 图 1 3 电流磁场中的磁力线 150 2 a 直线电流 b 螺线管电流 磁力线的方向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系 如图 1 3 a 所示 在国际单位制中 磁感应强度的单位为特 特斯拉 单位符号为 即BT 2 11 TWb m 韦伯 米 2 2 磁通磁通 穿过某一截面 S 的磁感应强度的通量 即穿过截面 S 的磁力线根数称为磁感应通量 B 简称磁通 用表示 即 1 1 s dSB 图 1 4 均匀磁场中的磁通 在均匀磁场中 如果截面 S 与垂直 如图 1 4 所示 则上式变为B 或 1 2 BS B S 式中 为磁通密度 简称磁密 为面积 BS 在国际单位制中 的单位名称为韦 韦伯 单位符号 Wb 3 3 磁场强度 磁场强度H 计算导磁物质中的磁场时 引入辅助物理量磁场强度 它与磁密的关系为HB 1 3 HB 式中 为导磁物质的磁导率 真空的磁导率为 铁磁材料的 7 0 410 H m 例如铸钢的约为的 1000 倍 各种硅钢片的约为的 6000 7000 倍 0 0 0 国际单位制中 磁场强度的单位名称为安 安培 米 单位符号 H A m 4 4 铁磁材料 铁磁材料 铁磁材料 一般是由铁或铁与钴 钨 镍 铝及其他金属的合金构成 迄今为止是最通 用的磁性材料 虽然这些材料的性能差异很大 但决定其性能的基本现象却是共同的 4 14 1 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化 研究发现 铁磁材料由许许多多的磁畴构成 每个磁畴相当于一个小永磁体 具有较强 的磁矩 如图 1 11 所示 在未磁化的材料样品中 所有磁畴摆列杂乱 因此材料对外不显 磁性 如图 1 11 a 所示 当外部磁场施加到这一材料时 磁畴就会沿施加的磁场方向转 向 所有的磁畴平行 铁磁材料对外表现出磁性 如图 1 11 b 所示 因此 当外磁场加到 S B 3 铁磁材料时 铁磁材料产生比外部磁场单独作用所引起的磁场更强 随着外部磁场强度 的增加 这一现象会继续 直到所有的磁矩沿施加的磁场排列 此时 磁畴将不再能使H 磁通密度增加 也就是说材料完全饱和 这也是铁磁材料的磁导率比非铁磁材料大的多的B 原因 a b 图 1 11 铁磁材料的磁化 a 未磁化 b 磁化 4 24 2 起始磁化曲线 磁滞回线 基本磁化曲线起始磁化曲线 磁滞回线 基本磁化曲线 将一块没有磁化的铁磁材料进行磁化 当磁场强度由零逐渐增大时 磁通密度将随之增 大 用描述的曲线称为是铁磁材料的起始磁化曲线 如图 1 12 所示 HfB 图 1 12 起始磁化曲线 图 1 12 可见 当磁场强度从零增大初期 磁密随磁场强度增加较慢 图中段 BHoa 之后 磁密随的增加而增大加快 段 过了点 的增加减慢 段 最后为BHabbBbc 段 又呈直线 其中称为跗点 点为膝点 点为饱和点 过了饱和点 铁磁材料cdabcc 的磁导率趋近于 各种电机和变压器的主磁路中 为了获得较大的磁密 又不过分增大 0 磁动势 通常把铁心内的工作点磁通密度选择在膝点附近 若将铁磁材料进行周期性磁化 和之间的变化关系就会变成如图 1 13 中的BH 所示形状 当开始从零增加到 以后逐渐减小磁场强度 值将沿曲线abcdefaH m HHB 下降 当时 值并不为零 而等于 称为剩余磁通密度 简称剩磁 要使ab0H B r B 值从减小到零 必须加上相应的反向外磁场 此反向磁场强度称为矫顽力 用表B r B c H 示 铁磁材料所具有的这种磁通密度的变化滞后于磁场强度变化的现象 叫做磁滞 BH 呈现磁滞现象的闭合回线 称为磁滞回线 见图 1 13 中的所示 曲线段BH abcdefa 为磁滞回线下降分支 为磁滞回线上升分支 abcddefa 4 图 1 13 铁磁材料的磁化特性 对于同一铁磁材料 选择不同的磁场强度反复磁化时 可得出不同的磁滞回线 将 m H 各条磁滞回线的顶点连接起来 所得的曲线称为基本磁化曲线 或平均磁化曲线 起始磁化 曲线与平均磁化曲线相差甚小 如图 1 14 的虚线所示 图 1 14 基本磁化曲线 铁磁材料 如铁 镍等的磁导率比空气的磁导率大几千到几万倍 磁导率除 0 了比大得多外 还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关 所以铁磁材料的不是一个 0 常数 在工程计算时 不按进行计算 而是按铁磁材料的基本磁化曲线计算 BH 图 1 15 为电机中常用的硅钢片 DR320 铸铁 铸钢的基本磁化曲线 5 图 1 15 电机中常用的基本磁化曲线 4 34 3 软磁材料和硬磁材料软磁材料和硬磁材料 磁滞回线较窄 剩磁和矫顽力都小的铁磁材料属于软磁材料 如硅钢片 铁镍合 r B c H 金 铁滏氧 铸钢等 这些材料磁导率较高 磁滞回线包围面积小 磁滞损耗小 多用于做 电机 变压器的铁心 磁滞回线较宽 剩磁和矫顽力都大的铁磁材料属于硬磁材料 如钨钢 钴钢 铝 r B c H 镍钴 铁氧体 钕铁硼等 硬磁材料主要用做永久磁铁 4 44 4 磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗 一 一 磁滞损耗磁滞损耗 磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下 发生移动和倒转时 彼此之 间产生 摩擦 由于这种 摩擦 的存在 当外磁场停止作用后 磁畴与外磁场方向一致 的排列便被保留下 不能恢复原状 形成了磁滞现象和剩磁 铁磁材料在交变磁场的作用下而反复磁化过程中 磁畴之间不停地互相摩擦 消耗能量 因此引起损耗 这种损耗称为磁滞损耗 磁滞回线面积越大 损耗越大 磁通密度最大值 越大时 磁滞回线面积也越大 试验表明 交变磁化时 磁滞损耗与磁通的交变频率 m B h P 成正比 与磁通密度的幅值的次方成正比 与铁心重量成正比 即f m BnG 1 14 GfBCp n mhh 式中 为磁滞损耗系数 对一般的电工用硅钢片 由于硅钢片的磁滞回 h C3 2 6 1 n 线面积较小 所以电机和变压器的铁心都采用硅钢片 二 二 涡流损耗涡流损耗 当通过铁心的磁通发生交变时 根据电磁感应定律 在铁心中将产生感应电动势 并引 起环流 这些环流在铁心内部围绕磁通呈旋涡状流动 如图 1 16 所示 称为涡流 涡流在 铁心中引起损耗 称为涡流损耗 6 5 5 小结 小结 本节对对电机学中遇到的电磁学的基本知识和基本定律做了一个简单的回顾 同时介 绍了铁磁材料的基本知识 铁磁材料常常用来导向和集束磁场 形成磁路 因为铁磁材料的 磁导率可以很大 达周围空间磁导率的好几万倍 大部分磁通就被限制在精心设计的路径中 这一路径由磁性材料的几何形状决定 因而 在这些磁结构中磁场的求解 可以直截了当地 用磁路分析方法来获得 不同铁磁材料的性能各异 一般而言 铁磁材料的特性为非线性 而其 B H 特性常常以磁滞回线族的形式表示 铁磁材料的损耗 指磁滞损