磁路学习情境八

1、教 案 授课顺序：授课日期班级专业教学内容学习情境八 ：电磁电路的测试 教学目的掌握同名端的判别重点难点理解互感电压、同名端的概念；握互感线圈同名端的判别方法。作业布置引导文其他记载任务一：同名端的判别互感和互感电动势 前面已讲到电感元件只要是穿过某线圈的磁链（总磁通量）发生改变，不论使之改变的原因为何，都会在该线圈中产生感应电动势；但前面只考虑了其中的自感现象，也只讨论了线圈两端产生的自感电动势。而当一个线圈附近还存在其他线圈时，情况又会怎样呢？下面将对此进行具体分析。（一） 互感 两个线圈靠得很近，当一个线圈中通过电流时，它所产生的磁通，有一部分要穿过一个线圈，这部分磁通叫互感磁通，相应地

2、磁链叫做互感磁链。有互感磁通交链的两个线圈称为磁耦合线圈。 如图8-2所示的两个线圈，当线圈1通过电流时，它所产生的磁通为自感磁通，其中的一部分磁通穿过线圈2，便为互感磁通。如果穿过线圈2的所有匝数，则,称为互感磁链。互感磁链与产生它的电流的比值 定义为两耦合线圈的互感系数。 图8-2 互感线圈 同样，线圈2中的电流要在线圈1中产生互感磁链，比值 也是互感系数。 可以证明，,所以不必区分和，统一用M表示，并称互感。由于一般总是选定互感磁通的参考方向与产生它的电流的参考方向符合右手螺旋定则，所以互感M总是正值。互感的单位与自感的单位一样，也是H（亨）。互感的大小反映了一个线圈在另一个线圈中产生磁

3、链的能力。耦合线圈的互感只与这两个线圈的结构、介质的磁导率和相互位置有关，而与两线圈中的电流无关；但介质为铁磁物质时，互感与电流有关。自感为和的两个线圈，常用耦合系数K来B表示它们的耦合程度。K的定义为： K值在0与1之间。当M=0，即两个线圈的磁通互不交链时，K=0，当,即一个线圈产生的磁通全部与另一个线圈交链时，K=1，此时又称为全耦合。（二） 同名端同名端是用来说明耦合线圈的相对绕向的。 如图8-3（a），当线圈1的电流从端子1通入时，它所产生的磁通方向，由右手螺旋定则确定，如所示，（顺时针方向）。当线圈2的电流从端子3通入时，它所产生的磁通方向如所示（也是顺时针方向）。两个磁通的方向相

4、同，则端子1和3 称为同名端。也就是说：两个线圈的电流自同名端通入时，互感磁链与自感磁链的方向相同。（或者说自感磁链和互感磁链相助）。 （a）全耦合的两线圈 （b）同名端表示图8-3同名端之一通常用符号“*”来表示同名端，而线圈的具体绕向可不必画出，如图8-3（b）所示. 图8-4同名端之二如果将其中一个线圈反绕，如图8-4(a)所示，则端子1和4为同名端，当然端子2和3也是同名端。可见，只要知道线圈的绕向，同名端是容易确定的。实际的耦合线圈，线圈的绕向是不知道的，通常采用实验的方法来确定。三、铁磁物质的磁化（一）物质的磁化1、物质的分类：物质按磁性能的不同，可分为铁磁物质和非铁磁物质两大类。

5、（1） 非铁磁物质非铁磁物质包括空气、铜、铝等，它们的相对磁导率，即它们的导磁性能接近于真空中的情况，这类物质的磁导率为常量。非铁磁物质又可分为顺磁质和抗磁质两类。其中顺磁质（如锰、铂、铝、氮、氧等）的相对磁导率略大于1，即在磁场强度相同时，这些磁介质中的磁感应强度要稍大于真空中的磁感应强度；而抗磁质（如铜、氯、金、锌、铅等）的相对磁导率又略小于1，即相同磁场强度时，这些磁介质中的磁感应强度要稍小于真空中的磁感应强度。（2） 铁磁物质铁磁物质包括铁、钴、镍以及它们的合金。这类物质的特点是磁导率特别大（），可比真空时的大几千以至几万倍。且同一物质的磁导率随磁场的强弱而变化。铁磁物质因具有优异的导

6、磁性能而广泛使用于电工设备中，并对电工设备的结构和工作情况产生巨大影响，如在具有铁芯的线圈中通入不大的电流，便可生产较大的磁感应强度和磁通，从而降低线圈用铜量。采用优质铁芯物质，可以使同容量的电机和变压器降低铁芯用铁量，并使体积大大缩小，重量大大减轻。 2、物质的磁化为什么铁磁物质具有高导磁性呢？我们知道电流会产生磁场，而围绕原子核旋转的电子形成的环绕电流，也会产生磁场。由于原子之间的相互作用，又使一个小区域内的各原子磁场取向一致，形成磁性很强的小永磁体，这种小永磁体称为磁畴。磁畴的体积很小，但磁性很强，铁磁物质就是由许许多多磁畴组成的。在没有外磁场作用的情况下，磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消

7、，铁磁物质对外不显磁性。但是，在外磁场作用下，磁畴取向趋向于外磁场方向，因而铁磁物质对外显示出很强的磁性，这一现象称为磁化。可见，铁磁物质的磁化过程就是其磁畴取向过程。（二）物质的磁化曲线铁磁物质的磁化特性常用磁化曲线即B-H曲线来表示，如图8-9所示。B为物质中磁感应强度，相当于电流在真空中所产生的磁场和物质磁化后的附加磁场的叠加；H为物质中磁场强度，它决定于产生磁场的电流。所以B-H曲线表明了物质的磁化效应。1、起始磁化曲线真空或空气的,由于为常数，所以其B -H曲线为一直线，如图8-9中的直线所示。 铁磁物质的B-H曲线可由实验测出，将一块尚 未磁化的（或完全去磁后）的铁磁物质，拿来实验

8、，即从H=0、B=0的状态开始对其磁化，在测得对应于不同磁场强度H值下的磁感应强度B的值后，再逐点绘制出其所对应的B-H曲线，如图8-9中的曲线所示，这样的B-H曲线叫做起始磁化曲线。在曲线的开始几点（Oa段），B的增大较慢，主要是由可逆的畴壁移动造成的。在ab段，则随 图8-9 起始磁化曲线着H的增加，B会急剧增大，主要是由不可逆的磁畴转向引起的。在bc段，H已很大，B的增大却减慢，因为所有磁畴的大部分已转向。到c点为止，所有磁畴都转到与外磁场方向一致的方向，达到了饱和。C点以后，在增大H，B却增加得很小，与真空或空气一样，c点以后近似于直线，c点以后的磁化过程又是可逆的。在曲线ab段，铁磁

9、物质中的B要比真空或空气中大得多，所以通常要求铁磁材料工作在b点附近。就整个起始磁化曲线来看，铁磁物质的B和H的关系为非线性关系，并表明铁磁物质的磁导率不是常数，要随外磁场H的变化而变化。图8-9所示的曲线为铁磁物质的曲线。开始阶段较小，随着外磁场H的增大，达到最大值，以后又减小，并逐渐趋为。2、磁滞回线与基本磁化曲线铁磁物质由于它的高导磁性能，使之在许多的电机、电器设备中，被制作成铁芯，而得以广泛应用。在交流电机或电器中，铁芯常常受到交变磁化，铁磁物质在反复磁化过程中的B-H关系，是磁滞回线的关系，而不再是起始磁化曲线的关系，如图8-10（a）所示。当磁场强度由零增加到，使铁磁物质达到磁饱和

10、对应的磁感应强度为后，如将减小H，B要由沿着比起始磁化曲线稍高的曲线ab下降。特别的是：当H降为零时，而B不为零，这种B的滞后于H的变化的现象，称为磁滞现象，简称磁滞。由于磁滞，铁磁物质在磁场强度H减小到零时保留的磁感应强度如图8-10（a）中的，称为剩余磁感应强度，简称剩磁。如要消去剩磁，需要将铁磁物质反向磁化，当H相反方向达到图中的值时，才使B降为零，这一磁场强度值称为矫顽磁场强度，也称为矫顽力。当H继续反向增 图8-10 磁滞回线与基本磁化曲线加时，铁磁物质开始进行反向磁化。到时，铁磁物质反向磁化到饱和点。当H由回到零时，B-H曲线沿变化。H再由零增加到时，B-H曲线沿着变化，而完成一个

11、循环。铁磁物质在和之间反复磁化，所得近似对称于原点的闭合曲线，称为磁滞回线。铁磁物质之所以产生剩磁和磁滞现象，是因为磁畴的翻转过程不可逆。磁化后同向排列的磁畴，在外磁场减小或撤除后，由于相互之间的摩擦力，已翻转的磁畴不会再回到原位，必须加一矫顽力才能使其回复原位。在交变磁化过程中，由于磁畴反复转向、相互摩擦使铁芯发热，造成磁化过程中铁芯中的能量损耗，称为磁滞损耗，损耗的能量由产生外磁场的线圈电流提供。高温情况下，铁磁物质分子热运动加剧，会破坏磁畴的有规则排列，故磁场强度一定时，温度升高，磁导率减小，每种铁磁物质都有一个温度值，当温度升高到该值时，磁导率下降到，这个温度称为铁磁物质的居里点，当温

12、度高于居里点时，铁磁材料将失磁。敲击和振动也会破坏磁畴的有规则排列，也会使铁磁物质失磁。对应于不同的值，铁磁物质有不同的磁滞回线。如图8-10（b）的虚线所示。将各个不同下的各条磁滞回线的正顶点连成的曲线称为基本磁化曲线，如图中实线所示。基本磁化曲线略低于起始磁化曲线，但相差很小。铁磁材料的基本磁化曲线，有时也用表格形式给出，称为磁化数据表；这些曲线或数据表通常都可以在产品目录或手册上查到。本章末也附有铸铁和一些常用的电工硅钢片的磁化数据表（见附表8-1）。（三）铁磁物质的分类 按照磁滞回线的形状和在工程上的用途，铁磁物质大体可以分为软磁材料和硬磁材料两类。1、 软磁材料2、 硬磁材料任务二：

13、交流铁心线圈特点的认知一、 磁路的基本定律 （一）磁路与磁路定律 1、磁路 为了得到较强的磁场，许多电工设备都把线圈绕在铁芯上。图8-13为一铁芯线圈，当线圈中通入电流时（称为励磁电流），由于铁芯的磁导率比周围非铁磁物质的磁导率高得多，故磁通基本上集中 图8-13 铁芯线圈于铁芯内，仅有少量经过周围的非铁磁物质而闭合。前者称为主磁通，以表示，如图虚线所示；后者称为漏磁通，以表示,如图中实线所示。通常把主磁通经过的路径称为磁路。相对主磁通来说，作为初略的分析，漏磁通可以忽略不计。这样，在下面分析中就可以认为励磁电流产生的磁通全部集中在磁路中，于是难以计算的分布的磁场问题简化为易于计算的集中磁路问

14、题。 2、磁路的基尔霍夫定律、欧姆定律 磁路的基尔霍夫定律是根据磁场的基本规律推导出来的，是分析计算磁路的基础。（1）磁路的基尔霍夫第一定律在磁路的分支处（也叫做磁路的节点），作一封闭面S包围它，如图8-14所示。由于磁感线是不间断的，所示穿入闭合面的磁通，必等于穿出闭合面的磁通。即或 图8-14 磁路的节点 写成一般形式为： （8-7） 即穿入闭合面S的磁通的代数和为零。上式中的符号规定如下：穿出闭合面的磁通取正号，穿入闭合面的磁通取负号，式（8-7）在形式上非常类似于电路中的基尔霍夫定律，故称为基尔霍夫磁通定律，又称为磁路的基尔霍夫第一定律。 （2）磁路的基尔霍夫第二定律 对于磁路中的任一

15、闭合路径，先选定它的一个绕行正方向。在任一时刻，沿该闭合路径的各段磁路上磁压降的代数和等于环绕此闭合路径的所有磁通势的代数和，即或 (8-8)由前面说明可知，式（8-8）中的F=NI是线圈中电流所提供的磁通势（又叫磁动势）,它可视为使磁路中产生磁通的根源；而磁路中某段磁路的长度与其磁场强度H的乘积称为该段磁路的磁压，常用表示。显然，式（8-8）也与基尔霍夫电压定律非常类似，故称为基尔霍夫磁压定律，又称为基尔霍夫第二定律。 式（8-8）中各量的符号规定如下：式中等号左端各项的正负号，有磁场强度H与所选定的绕行方向是否一致来确定，一致时取正号，不一致时取负号；等号右端各项的正负号，又由各磁通势的方向与所选定的闭合路径之绕行方向是否一致来确定，一致时取正号，反之取负号。此式也是计算磁路的基本公式。【例8-2】如图8-15所示，是一个由D21型硅钢片叠装而成的无分支铁芯磁路，已知磁路均匀，其平均长度，横截面积（指有效铁芯截面积）,线圈匝数是100匝：若要在磁路中建立大小为的磁通。试问：（1） 铁芯磁路中磁感应强度 图8-15 均匀铁芯磁路 的大小为多少？（2） 线圈中需通