磁路和磁性材料

1、磁路和磁性材料磁路和磁性材料 磁路和磁性材料 n磁路概述 n磁路基本定理 n磁链、电感和能量 n磁性材料的特性 1 磁路概述 n电机：应用电磁感应原理实现机-电能量转换的装置 q运动导体产生的感应电势 q变化磁场产生感应电势 q载流导体产生电磁力 n磁场是机电能量转换、传递的媒介 n必须存在磁场！ Blve dt d Ne Blif 1.1 假设条件 n忽略位移电流和电磁辐射 q电机涉及的电磁变量的频率低，尺寸小 n工频交流50Hz，电磁波波长6000km n普通电机尺寸几毫米到几十米 n用一维磁路近似等效三维磁场 q三维磁场分布非常复杂，几乎无解析解 q电机采用铁磁材料来定形和导向磁场 n铁

2、磁材料的高导磁新使磁场分布相对集中 q解的精度，能满足工程应用要求 1.2 磁路的概念 n磁路：磁通所通过的路径 n磁路是以高导磁性材料构成的使磁通被限制在 结构所确定的路径之中的一种结构 n和电流在电路中被导体所限制极为相似 （1）简单磁路 n铁心导磁率远大于空气 n磁力线几乎被限定在铁 心规定的路径中 n铁心外部的磁力线很少 （2）带气隙简单磁路 （3）简单同步电机磁路 n有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通两 部分 n主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通 n漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心周 围的空间的少量磁通 n励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈 n励磁电流：载流线圈中的电流 2

3、磁路基本定理 n磁路欧姆定律 n磁路基尔霍夫第一定律 n磁路基尔霍夫第二定律 2.1 基本磁路物理量 n磁场强度 H(A/m) n磁感应密度(磁密) B(T) n磁动势(磁势) F(A)：励磁绕组产生的安匝数 n磁通量(磁通)(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度 B的法线分量的面积分 qB均匀时 为绕组匝数NNiF, s daB cc B S n磁场强度H与磁感应密度B对比 qH和B均可表征磁场性质（即磁场强弱和方向） q均匀磁介质，若包括介质因磁化而产生的磁场在内时，用B 表示，其单位为特斯拉T，是一个基本物理量 q单独由电流或者运动电荷所引起的磁场（不包括介质磁化而 产生的磁场时）则用磁

4、场强度H表示，其单位为A/m，是一 个辅助物理量 q在各向同性的磁介质中，B与H的比值即介质的绝对磁导率 n从定义看 qB要考虑磁场对于电流元的作用，且考虑这种作用是否受到 磁场空间所在的介质的影响，即B同时由磁场的产生源与磁 场空间所充满的介质来决定 qH只反映磁场来源的属性，与磁介质没有关系 磁导率 n磁场强度H与磁感应密度B的关系 q由材料特性决定 q称为材料的磁导率 q真空磁导率 n相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率的比值 n电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率范围： 200080000 HB )/(104 7 0 mH 0 / r H 与 B 的区别 H I，与介质的性质无关。 B

5、 与电流的大小和介质的性质均有关。 2.2 磁路基本定理 c cs FidlH daJdlH N仅考虑导体电流： 安培环路定理： FiNlHH i ii 分段相等： （1 1）安培环路定理）安培环路定理 n对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单磁路 n假设磁通为，磁动势为F = Ni，磁路截面积为A， 磁路平均长度为l ABdaB s A B A B H 1 A l lHiNF 1 （2 2）磁路欧姆定理）磁路欧姆定理 n令： 称为磁路的磁位降 n令： 称为磁路的磁阻 n磁路欧姆定理为 lHU m A l Rm 1 A l lHiNF 1 mm RU n穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零 00

6、S dSB （3 3）磁路基尔霍夫第一定律）磁路基尔霍夫第一定律 分支磁路： 1+2=3 n沿任意闭合磁路的中磁动势恒等于各段磁路磁位降的 代数和 cs daJdlH ii mimimi i ii URlHF ii mimimi i ii URlHNiF （4 4）磁路基尔霍夫第二定律）磁路基尔霍夫第二定律 回路：H1l1+H3l3=N1i1 回路：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2 磁路磁路电路电路磁路磁路电路电路 物理量物理量基本定律基本定律 磁动势磁动势F F电动势电动势E E 磁通量磁通量电流电流I I 磁阻磁阻RmRm电阻电阻R R 磁导磁

7、导电导电导G G iRU mm RU 0 i i I0 i i ue m UF 2.3 磁路与电路比较 3 磁链、电感和能量 n磁通(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B的法线 分量的面积分 n定义：线圈交链的磁链 n定义：电感 N i L mm R N R iN i N i N i L 2 自感 m 2mm )()( N i NiN i FN i N i L N 线圈匝数 m自感磁通所经磁路的磁导 n自感的大小与匝数的平方和磁路 的磁导成正比； n铁心线圈的自感要比空心线圈的 大得多； n铁心线圈的电感不是常数，当磁 路饱和程度增加时，自感下降。 2122121m21 1m 12m 111

8、1 ()()N NFNN i MN N iiii N1 -线圈1的匝数 N2 -线圈2的匝数 m-互感磁通所经磁路的磁导 互感互感 互感的大小与两线圈匝数 的乘积和互感磁通所经磁 路的磁导成正比。 n磁场的能量密度(单位体积磁场储能) n电感储能 n带气隙电感的能量主要储存在气隙中 22 1 2 1 2 1 2 1 BHBHw V dvHBiLA 2 1 2 1 2 4 磁性材料的特性 n按相对磁导率，将材料分为 q顺磁物质：r略大于1 q抗磁物质：r略小于1 q铁磁物质：r远大于1 n铁磁物质包括铁、镍、钴等和它们的合金、氧化 物等 n铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强的现象 问题1：为什

9、么电机中要采用铁磁材料作为磁路？ 问题2：为什么铁磁材料具有较好的导磁性能， 而铜、银、木头没有？ 4.1 铁磁材料的磁化 开始磁化磁化完成 n磁畴 q未加磁场排列无序 分子运动 q施加磁场顺序排列 有向运动 4.2 磁化曲线 n磁化曲线：磁通密度B与磁场强度H之间的 关系 n起始磁化曲线：一未磁化的铁磁材料，磁 场强度H由零逐渐增大时的磁化曲线 n剩磁Br：铁磁材料去掉外磁场后，铁磁材 料内部仍然保留的磁通密度Br n矫顽力Hc：铁磁材料磁化后要使磁通密度 由Br减小到零，需外加的反向磁场强度 HB 0 在外磁场H作用下，磁感应强度B将发生变化， 二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(

10、H)。 4.3 磁滞现象与磁滞回线 n磁滞现象：铁磁材料磁化时磁通密度的变化滞 后于磁场强度的变化 n磁滞回线：由于磁滞效应，铁磁材料的磁化过 程不可逆，在等Hmax反复磁化过程中，铁磁材 料的B-H形成的闭合曲线 H B Hm Bm a Br 剩磁剩磁 -Hc b c -Hm -Bmd -Br e f 矫顽力矫顽力 Hc 铁磁材料的磁滞回线 有取向电工钢的B-H回线 4.4 基本磁化曲线 n以不同Hm磁化时 铁磁材料的磁滞 回线的顶点形成 的曲线 010203040506070 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 HA/cm BT -200-15

11、0-100-50050100150200 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 HA/m BT 【例例】 图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段 空气隙构成。各部分尺寸为：空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2 = 0.5 cm ， l1 = 30 cm ， l2 = 12 cm ，A0 = A1 = 10 cm2 ， A2 = 8 cm2 。线圈中的电。线圈中的电 流为直流电流，匝数流为直流电流，匝数N=100。今要求在空气隙处的磁感应。今要求在空气隙处的磁感应 强度达到强度达到 B0 = 1 T，问需要多大的磁动势，励磁电流？，问需要多大的

12、磁动势，励磁电流？ A1 A2 l1 l2l0/2 I I 解：(1) 磁路中的磁通 = B0A0 = 10.001 Wb = 0.001 Wb (2) 各段磁路的磁感应强度(磁密) B0 = 1 T B1 = = T = 1 T A1 0.001 0.001 B2 = = T = 1.25 T A2 0.001 0.000 8 A1 A2 l1 l2l0/2 I I (3) 各段磁路的磁场强度 由磁化曲线查得： H1 = 9.2 A/cm H2 = 14 A/cm H0 = = A/m B0 0 1 4107 = 796 000 A/m = 7 960 A/cm A1 A2 l1 l2l0/

13、2 I I (4) 各段磁路的磁位降 Um0 = H0 l0 = 7 9601 A = 7 960 A Um1 = H1 l1 = 9.230 A = 276 A Um2 = H2 l2 = 1412 A = 168 A (5) 磁动势 F = Um0Um2Um2 = ( 7 960276168 ) A = 8 404 A 励磁电流 I = F/N=84.04 A 4.5 铁磁材料分类及应用 n软磁材料 q磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc小 q铸铁、钢、硅钢片等 q软磁材料的磁导率较高 n硬磁（永磁）材料 q磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料 q铁氧体、稀土钴、钕铁硼等 q永磁材料的性能用剩

14、磁Br、矫顽力Hc和最大磁能积 （BH）max三项指标表征 n常见永磁材料 铸造型/粉末 型铝钴镍 铁氧体稀土钴钕铁硼 Br(T)1.350.4051.061.12 Hc(kA/m)59294748843 (BH)max(kJ/m3)59.730.5206.9238.7 Br温度系数-0.02-0.2-0.025-0.1 允许温度 受温度影响 变化大 200250100 价格便宜/较贵便宜贵 较稀土钴低 廉 铸造型铝钴镍铁芯 铁氧体铁芯 稀土粉末钕铁硼磁件电源用非晶铁心 铁磁材料应用 (1) 软磁材料软磁材料 n磁纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等 n易磁化、易退磁。饱和磁感应强度大，

15、矫顽力(Hc)小，磁滞回线呈细 长型，在交变磁场中剩磁易于被清除 n适用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒 (2) 硬磁材料硬磁材料 n钨钢，碳钢，铝镍钴合金等 n磁滞回线宽肥，磁化后可长久保持很强磁性 n适于制磁电式电表中的永磁铁、耳机中的永久磁铁、永磁扬声器 (3) 矩磁材料矩磁材料 n锰镁铁氧体，锂锰铁氧体等 n磁滞回线呈矩形，在两个方向上的剩磁可表示二进制的“0”和“1” n适合于制成“记忆”元件 (4)另外，利用铁磁质的磁致伸缩效应，可用来做换能器，在超声及检测 技术中大有作为。 4.6 铁心损耗 n磁滞损耗 q铁磁材料在交流磁场中反复磁化，磁畴会不停转动， 相互之间会

16、不断摩擦，产生功率损耗 n涡流损耗 q交变磁场在铁心中产生感应电势 q感应电势产生涡流 q涡流产生损耗 n若不计线圈电阻，铁心线圈从交流电源吸收的瞬时 电功率p为 n损耗能量为 dt d ieip 2 1 2 1 2 1 2 1 B B B B t t m HdBVNAdB N Hl idpdtW （1）磁滞损耗 n磁滞损耗就是消耗于铁心中的平均功率 n磁滞损耗与磁场交变频率f、铁心体积V和磁滞 回线的面积成正比 VfBKHdBVf T Wm p mhh （2）涡流损耗 n涡流 q铁磁材料在交变磁场将 有围绕磁通呈涡旋状的 感应电动势和电流产生， 简称涡流。 n涡流损耗 q涡流在其流通路径上的 等效电阻中产生的I2R损 耗称为涡流损耗。 n涡流损耗与磁场交变频率f、厚度d和