第5章铁心线圈

第5章铁心线圈 1 5 1磁路的基本概念与物理量 5 1 1磁路的基本概念 1 磁场 磁场是存在于磁体或电流周围的特殊物质 2 磁路 磁通的路径 而它实质就是局限在一定路径内的磁场 a 电磁铁的磁路 b 变压器的磁路 c 直流电机的磁路常见磁路的示意图 第5章铁心线圈 2 5 1 2磁通 磁感应强度 磁导率 1 磁通 垂直于磁场的某一面积A上所穿过的磁力线 单位是Wb 韦伯 2 磁感应强度B 是一个表示磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量 在均匀磁场中 磁感应强度等于垂直穿过单位面积的磁力线数目 单位是T 特斯拉 1T 1Wb m2 第5章铁心线圈 3 4 磁场强度H 2 相对磁导率 r 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率 0的比值 1 磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量 衡量物质的导磁能力 真空的磁导率为常数 用 0表示 有 3 磁导率 非铁磁物质的磁导率与真空极为接近 铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率 非磁性材料的 r 1 铁的 r 200 硅钢片的 r 10000 磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关 而与磁介质的磁导率无关 单位是安 米 A m 是为了便于计算 引入的一个计算磁场的物理量 r 0 或 第5章铁心线圈 4 5 2铁磁材料 1 磁化曲线和磁滞回线 1 磁化曲线 研究铁磁材料磁化情况的装置磁化曲线 图可见 磁化曲线具有如下特点 0a段 随H增大 B几乎是直线上升 ab段 H增大 B的增长变慢 bc段 H增大 B增长极慢 铁磁材料内部的磁场达到了饱和值Bm 5 2 1铁磁材料的磁性能 第5章铁心线圈 5 2 磁滞回线 磁滞回线 铁磁材料在磁化过程中 H从零到大 当磁感应强度B随H的增大由零达到饱和值Bm 如磁化曲线 a段此时若减小励磁电流I H也随之减小 B不是沿原来的曲线 a下降 而是沿曲线ab下降 当磁场强度为零 即I O 时 材料仍然保留磁性 B Br手的 如图中的b点 Br称作剩磁 要使剩磁去掉 就必须使线圈中的电流反向 产生反向磁场 使材料退磁 图中bc段就是退磁过程 直到H Hc时 剩磁完全消除 克服剩磁所加的磁场强度Hc称作娇顽磁力 如果H继续反向增大 则B也改变方向 铁磁材料反方向被磁化 当反方向H不断增大 B也随之增大达反方向饱和值一Bm 若再改变电流 B值沿defa变化 形成一个闭合回线 闭合回线abcdea称为磁滞回线 从图中可以看出 铁磁材料在反复磁化过程中 B的变化始终落后于H的变化 这种现象叫磁滞现象 第5章铁心线圈 6 2 铁磁材料的磁性能 1 高导磁性 r 1可达102 104 且 值不是常数 随H的大小而改变 4 磁滞损耗 铁磁材料在反复磁化过程中 磁畴来回翻转做功 使铁心发热 3 磁滞性 铁心线圈中通过交变电流时 H的大小和方向都会改变 铁心在交变磁场中反复磁化 在反复磁化的过程中 B的变化总是滞后于H的变化 2 磁饱和性 B不会随H的增强而无限增强 H增大到一定值时 B不能继续增强 有一个饱和值Bm 第5章铁心线圈 7 5 2 2铁磁材料的分类 根据磁滞回线的不同形状 铁磁材料基本上分为软磁材料和硬磁材料两大类 软磁材料 矫顽磁力和剩磁都比较小 且撤去外磁场后 磁性大部分消失 适用于交变磁场下工作的电器 硬磁材料 矫顽磁力大 剩磁也大 磁滞回线较宽 适用于制造永久磁铁 第5章铁心线圈 8 几种常见磁性物质的磁化曲线 第5章铁心线圈 9 5 2 3磁路的欧姆定律 1 磁路 在电气设备中 为了增强磁场 常把线圈绕在铁心上 当线圈通电后产生很强的磁场 并且大部分磁通 磁力线 集中在铁心中形成闭合回路 这个闭合回路称作磁路 图所示的磁路 便是由铁心 空气隙组成 磁路 2 磁动势 要使磁路中建立一定大小的磁通 就必须在具有一定匝数N的线圈中 通入一定大小的电流I 实验证明 增大电流I或增大线圈匝数N 都可以同样达到增大磁通 的目的 可见 NI乃是建立磁通的根源 所以把乘积NI称作磁路的磁动势 简称磁势 磁势的单位是安 A 第5章铁心线圈 10 磁动势 磁通 磁阻间的关系 上式就是磁路欧姆定律的表示式 它表明 在磁路中 磁通 与磁动势NI成正比 与磁阻RM成反比 第5章铁心线圈 11 4 均匀磁路和不均匀磁路 均匀磁路 由同一种材料组成 且各段铁心的横截面积相等 计算这种磁路时 NI Rm其中RM为均匀磁路的磁阻 不均匀磁路 假若磁路中有一很短的空气隙L 于是磁路就由铁心和空气隙两种物质组成 计算 R 铁 铁心磁阻RM气 气隙磁阻 RM气比R 铁大很多倍 第5章铁心线圈 12 5 3交流铁心线圈中的电压 电流与磁通 1 电压 电流和磁通的关系 交流铁心线圈 则 由 式中 有效值 第5章铁心线圈 13 铁心线圈的电压方程式为 由于线圈的电阻R和漏磁通 都很小 R上的电压和漏磁电动势e 也很小 与主磁电动势比较可以忽略不计 于是 第5章铁心线圈 14 2 功率损耗 铁心线圈交流电路的有功功率为 第5章铁心线圈 15 3 等效电路 交流铁心线圈等效电路 铁心线圈的总损耗包括有功损耗与无功损耗 有功损耗就是铜损 Pcu和铁损 PFe无功损耗是由铁心线圈中能量的储放 与电源发生能量交换 引起的 设反映此无功损耗大小的感抗为X0 则交流铁心线圈的等效电路如下图所示 第5章铁心线圈 16 5 4电磁铁 电磁铁由磁导率高的软磁材料铁心 衔铁及线圈三部分组成 电磁铁是利用通电铁心线圈对铁磁物质产生电磁吸引力而工作的一种电气设备 衔铁的动作可使其他机械装置发生联动 当电源断开时 电磁铁的吸力随之消失 衔铁或其他零件弹簧在作用下被释放 a 马蹄式 b 拍合式 c 螺管式电磁铁的几种结构形式 第5章铁心线圈 17 电磁铁按励磁电流的种类不同 可分为直流电磁铁和交流电磁铁两种 直流电磁铁 用直流电源励磁 衔铁所受吸引力 第5章铁心线圈 18 气隙中的磁感应强度 交流电磁铁通入的励磁电流是交变的 故磁场也是交变的 吸引力的瞬时值 2 交流电磁铁 用交流电源励磁 第5章铁心线圈 19 吸引力的平均值 第5章铁心线圈 20 第5章铁心线圈 21 交流电磁铁的瞬时吸引力在电源的一周期内两次为零 但吸引力方向不变 平均吸引力为最大吸引力的一半 当电源频率为50Hz时 交流电磁铁的瞬时吸引力在一秒内有一百次为零 引起衔铁的振动 产生噪声和机械损伤 为了消除这种现象 在铁心的端面装嵌一个叫做短路环的自成短路的铜环 装了短路环 磁通就分成不穿过短路环的 与穿过短路环的 两部分 由于磁通的变化 短路环内有感应电流并阻碍磁通变化 结果使 的相位比 滞后 由于这两部分磁通不是同时达到零值 就不会有吸引力为零的时候了 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 第5章铁心线圈 22 5 5涡流与趋肤效应 5 5 1涡流 当线圈中通过变化的电流i时 在铁心中穿过的磁通也是变化的 由于构成磁路的铁心是导体 于是在铁心中将产生感应电动势和感应电流 如图下所示 由于这种感应电流是一种自成闭合回路的环流 故称为涡流 铁心有一定的电阻值 故涡流将使铁心发热 损耗电功率 涡流损耗与电源频率的平方及铁心感应强度幅值的平方成正比 a 涡流 b 减小涡流 第5章铁心线圈 23 减小涡流 采用表面彼此相互绝缘的硅钢片叠合 做成电器设备的铁心 如图上所示 这样 一方面把产生涡流的区域划小 另一方面增加涡流的路径总长度 相当于增大涡流路径的电阻 因而可以减小涡流 利用涡流 熔化金属 电磁灶等等 涡流损耗 由于导体电阻很小涡流强度会很大 有大量的电能量转变为热能 造成能量的损失称为涡流损耗 它不仅消耗电能 使电气设备效率降低 而且涡流损耗转变为热量 使设备温度升高 严重时将影响设备正常运行 所以在电机和电器铁心中的涡流是有害的 第5章铁心线圈 24 5 5 2趋肤效应 趋肤效应 交流电通过导线时 导线横截面上各处的电流密度是不等的 中心处的电流密度小 靠近表面处的电流密度大 电流这种分布不均匀的现象称为电流的趋肤效应 趋肤效应原理图 趋肤效应原理 当交变电流通过导线时 在导线的内处部都有磁场存在 取导体任一个横截面来看 磁力线是以导线轴心为圆心 中心处薄圆管环绕的磁通多 表面处薄圆管环绕的磁通少 导线是线圈的一部分 当环绕导线的磁通随着电流交变时 各个薄圆管上便产生自感电动势 中心处薄圆管的自感电动势大 即感抗大 而表面处薄圆管的自感电动势小 即感抗小 各个薄圆管两端的电压相同 中心处薄圆管的感抗大故电流密度小 表面处薄圆管的感抗小 故电流密度大 出现了趋肤效应 第5章铁心线圈 25 弊端 由于趋肤效应的产生 使导线通过交变电流的有效截面积减小了 导线的电阻增大了 在高频电路中趋肤效应很明显 电流集中在导线表面 流过中心处的电流几乎为零 因而高频电路中的联接导线可采用空心导线以节省材料 改