磁路与铁芯线圈电路

1、10.1 磁场的基本物理量和基本定律10.2 铁磁物质的磁化 10.3 磁路与磁路定律 10.4 恒定磁通磁路的计算10.5 交流铁芯线圈10.6 电磁铁 第10章 磁路与铁芯线圈电路110.1 磁场的基本物理量和基本定律1磁感应强度B任何磁体都有两个磁性最强的区域磁体具有磁性的物体磁极指向地球北极的磁极，用N表示 在无外力阻碍下，其中指向地球南极的磁极，用S表示南极北极2磁场 -磁体周围存在磁力作用的空间 它可看成一种传递磁力作用的特殊物质，磁场是有强弱和方向的磁场方向 在磁场中某点处放一个能自由转动的小磁针，小磁针静止时N极所指的方向3图10-2 条形磁体的磁感线 4磁感线特征(1)磁感线

2、上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。(2)磁感线是互不交叉的闭合曲线。在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极，如图10-2所示。(3)磁感线的疏密程度反映了磁场的强弱。磁感线越密表示磁场越强，越疏表示磁场越弱。5磁感应强度 磁感应强度(磁通密度 ) -垂直通过单位面积的磁感线的多少 B=/S 在均匀磁场中，磁通的单位为Wb，称为韦伯；面积的单位为m2；磁感应强度B的单位是T，称为特斯拉，简称特。6磁感应强度B是个矢量。 B不但表示了某点磁场的强弱，而且还能表示出该点磁场的方向。某点磁感应强度B的方向 磁感线上该点的切线方向就是该点。B的大小 可以用特斯拉计进行测量。7均匀磁场

3、 -各点的磁感应强度的大小和方向相同的磁场。均匀磁场中的磁感线在均匀磁场中，磁感线是等距离的平行直线8平面上如何表示B的方向 “”表示B的方向是垂直进入纸面“”表示垂直从纸面出来92磁通及磁通连续性原理磁通 -通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁感线的总数用磁通量化磁场在一定面积上的分布情况。= BdS 10磁通的连续性磁通连续性即穿过任意闭合面上的磁通恒等于零，即 = B.dS=0 磁通的连续性可以这样来理解，即穿进某一闭合面的磁通，恒等于穿出此面的磁通。由于磁通的连续性，可知磁感应线总是闭合曲线 113磁导率用来表示媒介质导磁性能的物理量用字母表示，其单位名称是亨利每米，简称亨每米，用符号H

4、/m表示。由实验测得真空中的磁导率0=410-7H/m，为一常数。12相对磁导率r -任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值，即r =/0 式中 r-相对磁导率； -任一物质的磁导率； 0-真空的磁导率。表明在其他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的多少倍。13顺磁物质 r稍大于1。如空气、铝、铬、铂等。反磁物质 r稍小于1。如氢、铜等。顺磁物质与反磁物质一般被称为非磁性材料。铁磁物质 r远大于1。如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等144磁场强度及全电流定律 B0=0NI/ LB0通电线圈在真空中的磁感应强度，T；0真空的磁导率，H/m； N圆环线圈的匝数；L圆环的平均

5、长度，m； I线圈中的电流，A。15将圆环线圈放入相对磁导率为r的媒介质，B=r0 NI / LNI/ L 磁场中某点的磁感应强度B与媒介质磁导率的比值磁场强度HH = B/ 单位为安培每米，简称安每米，用符号Am表示 场强度是矢量，在均匀媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致 1610.2 铁 磁 物 质的磁化 10.1.1 铁磁性物质的磁化 铁磁物质会在外加磁场的作用下, 产生一个与外磁场同方向的附加磁场, 这种现象叫做磁化。 17 10.1.2 磁化曲线 磁化曲线是铁磁性物质的磁感应强度B与外磁场的磁场强度H之间的关系曲线, 所以又叫B-H曲线。 18起始磁化曲线 191. 起始磁化曲

6、线 (1) oa段-曲线上升缓慢 (2) ab段-B几乎是直线L升（3） bc段-B的上升缓慢，形成曲线的膝部（4） c点以后-B几乎不再上升，此段称为饱和段由图可见不是常数，因为=BH，在H变化过程中B跟着变化在实际使用铁磁材料时，可根据不同要求选择合适的值范围。1称为起始磁导率。202. 磁滞回线 图10-8 磁化原理 图10-9磁滞回线 利用图10-8所示磁化装置反复磁化铁磁材料后，铁磁材料上可得到如图10-9所示的磁滞回线。21铁磁性物质的分类 不同铁磁材料的磁滞回线 软磁硬磁矩磁22几种常用铁磁材料的基本磁化曲线 2310.3 磁路和磁路定律1 磁路 用铁磁性材料制成一个导磁路径，常

7、称为铁心。将通电线圈绕在铁心上，这样由铁磁性材料所构成的（包括必须有的气隙在内）通过磁通的路径即为磁路。 24（a）磁电式仪表的磁路 （b）心式变压器的磁路25主磁通、 漏磁通和边缘效应 主磁通全部在磁路中闭合的磁通漏磁通不是全部在磁路中闭合的磁通26272 磁路定律 1） 磁路的欧姆定律 （a）无分支磁路 （b）等效磁路28磁动势 Fm=NLRm=L/S 当磁路的长度和铁心截面积已确定时，为了减小磁动势，应尽量选用高磁导率的铁磁材料做铁心而且尽可能缩短磁路中不必要的气隙长度。291. 基尔霍夫磁通定律 302. 基尔霍夫磁压定律 图1016铁磁性物质和气隙构成的磁路3110.4 恒定磁通磁路

8、的计算一类是已知磁通求磁动势；另一类是已知磁动势求磁通 1已知磁通求磁动势 (1) 按照磁路的材料和截面不同进行分段, 把材料和截面相同的算作一段。 (2) 根据磁路尺寸计算出各段截面积S和平均长度l。 32 空气隙有效面积计算(a) 矩形截面； (b) 圆形截面 33 (3) 由已知磁通, 算出各段磁路的磁感应强度B=/S。 (4) 根据每一段的磁感应强度求磁场强度, 对于铁磁材料可查基本磁化曲线。 对于空气隙可用以下公式:(5) 计算各段磁路的磁压Um（=HL）。 (6) 根据基尔霍夫磁压定律, 求出所需的磁通势。 34例10-1 图10-18为一无分支磁路，铁心线圈有200匝。磁路尺寸如

9、图所示。磁路用0.35mm厚D-41硅钢片叠成，叠装系数k为0.91。若要在此磁路内建立=3010-4Wb的磁通，求所需线圈电流值。图10-18无分支磁路35 解：将该无分支磁路按材料和截面不同分为三段，其各段平均磁路长度为L0、L1、L2。则： L0=5mm=0.5cm L1=(240-40/2-40/2-5)mm=19.5cm L2=（240-40/2-40/2)+2（180-40/2-50/2) =47cm磁路的叠装厚度为： b=55mm=5.5cm36各段截面的有效面积S计算如下：S0=(5+0.5)(5.5+0.5) cm2=33cm2S1=0.9155.5 cm2=25cm2S2=

10、0.9145.5 cm2=20cm2各段截面中磁通密度B计算如下：B0=/ S0=3010-4/(3310-4) T =0.909T B1=/ S1=3010-4/(2510-4) T =1.2TB2=/ S2=3010-4/(2010-4) T =1.5T37根据D-41电工硅钢片磁化数据表，铁心中各段对应的磁场强度为： H1=2.85A/cm, H2=9.96A/cm 空气隙中磁场强度H0按（10-13）式计算H00.8106B0=0.81060.909=727000 A/m即H0=727000A/m=7270A/cm。38总的磁动势等于各段磁压之和，即：NI=H0L0+ H1L1+ H2

11、L2 =(72700.5+2.8519.5+9.9647)A =4160A所以线圈电流I为 I=HL/N=4160/200A=20.8A392已知磁动势求磁通（1）先设定一磁通值，然后按照已知磁通求磁动势的计算步骤求出所需的磁动势。 对于含有气隙的磁路，在计算时可先用给定的磁动势除以气隙磁阻得出磁通的上限值。 NIS0/(0.8L010-6) A/m 并估出一个比此上限值小一些的磁通值进行第一次试算40（2）把计算所得磁动势与已知磁动势加以比较，如果二者不符合，再将值进行修正，直到所算得的磁动势与给定磁动势相近。也可根据计算结果作出F曲线，根据这一曲线便可由给定的磁动势找出相应的磁通。41例1

12、02 上例101中如线圈中的电流I=16.5A，求磁路中的磁通。 解：应用试算法，先利用气隙磁阻作一估算，得：NIS0/(0.8L010-6) A/m =20016.53310-40.80.5/(0.80.510-2)10-6 A/m =27.210-4 A/m42考虑铁心磁阻的影响，实际磁通初选为=2710-4Wb 在第三次计算后，误差已很小，可以认为当I=16.5A时，=25.610-4Wb 43二、对称分支磁路的计算 把中间的铁心柱剖成两半，取其中一半来计算即可。应当注意，剖开后中间心柱的面积缩小一半，磁通也减为原来的一半，但磁通密度和磁动势却保持不变 44例10-2 由铸钢制成的对称分

13、支磁路示于图例10-19（a）中，具体磁路尺寸如图所示。当已知左边铁心中的磁通1=7.510-4Wb时，求产生此磁通所需要的磁动势。图1019a铸钢对称分支磁路 45解：这是一个由已知磁通求磁动势的磁路计算，由于两个分支磁路是对称的，可把中间的铁心柱剖开，并取其中一半当作无分支磁路来计算，示于图10-19b中 图1019b无分支磁路 46剖开后磁路的截面积变为处处相同，其值为： S=（33cm2= 9cm2磁路平均长度应取化为无分支磁路后的中心线长度 L=（6+3）4cm=36cm则磁感应强度： B=1 /S=7.510-4 /910-4 =0.833T查铸钢磁化数据表得对应磁场强度H=7.2

14、7A/cm，故所需磁动势为： F=H.L=7.2736A=262A4710.5 交流铁芯线圈1 交流铁心线圈的电磁关系 电压为正弦量 图9.14 交流铁芯线圈各电磁量参考方向 48 设(t)=msint, 则有 49用相量表示则为 E=-j4.44fNm 有效值 UE=4.44fNm 式中，U的单位为伏（V），f的单位为赫兹（Hz），m的单位为韦伯（Wb）。上式表明，在忽略线圈电阻及漏磁通的条件下，当线圈匝数N、电源频率f及电源电压U一定时，主磁通的最大值m基本保持不变。502交流铁心线圈的损耗511、磁滞损耗Ph 铁磁材料交变磁化，由磁滞现象所产生的铁损1)铁心中的磁滞损耗与该铁心磁滞回线所

15、包围的面积成正比2)励磁电流频率f越高，磁滞损耗 也越大。3)当电流频率一定时，磁滞损耗与铁心磁感应强度最大值的平方成正比。 为了减小磁滞损耗，应采用磁滞回线窄小的软磁材料 522、涡流损耗Pe 涡流 铁磁材料不仅有导磁能力，同时也有导电能力，因而在交变磁通的作用下铁心内将产生感庆电动势和感应电流，感应电流在垂直于磁通的铁心平面内围绕磁感线呈旋涡状，故称为涡流。涡流损耗涡流使铁心发热，其功率损耗称为涡流损耗 53为了减小涡流损耗，当线圈用于一般工频交流电时，可将硅钢片叠成铁心，这样将涡流限制在较小的截面内流通 涡流损耗与电源频率的平方及铁心磁感应强度最大值的平方成正比 54交流铁心线圈工作时的

16、功率损耗为：P=Pcu +PFe=Pcu+Ph+Pe 5510.6 电磁铁线圈通电后在它的周围会产生磁场，如果在线圈内放人软磁材料做成的铁心。铁心被磁化产生磁性。对于电磁铁来说，励磁线圈通电后产小的磁通经过铁心和衔铁形成闭合磁路使衔铁也被磁化，并产生与铁心不同的异性磁极，从而产生电磁吸力 56直流电磁铁的电磁吸力 F=（107/8）B2S交流电磁铁的最大电磁吸力 Fm =107m/8S m交流磁通幅值 若加在交流线圈上电压U稳定时，交流电磁铁中的磁通幅值m U/4.44fN不变，交流电磁铁的平均电磁吸力为最大电磁吸力的一半。即 Fev= Fm/2 =107m/16S57交流电磁铁中，铁心是山经

17、过绝缘处理后的多层很薄的硅钢片叠制而成的直流电磁铁中，铁心是用整块铸钢、软钢或工程纯铁制成的 58交、直流电磁铁电磁关系1直流电磁铁：励磁电流、磁通、磁感应强度等都是恒定不变的。交流电磁铁中却是随时间不断交替变化的。 因此交流电磁铁产生的吸力也是交变的，这也就是交流电磁铁工作时有噪声的原因。2交流电磁铁中由于电流交变，因而在交变磁通作用下，铁心中产牛磁滞损耗但直流电磁铁中因电流恒定而没有上述损耗。59 3直流电磁铁线圈中的励磁电流的大小仅决定于线圈端电压和线圈电阻。而与铁心与衔铁之间的气隙无关。 但对于交流电磁铁却不同，如果衔铁在吸合过程中被卡住，此时气隙较大，总磁阻较大，从而使励磁电流增大，

18、导致线圈过热而损坏。使用时若发现衔铁被卡住，则应立即切断电源，排除故障，以免损坏线圈。60注意： 即使额定电压相同的交、直流电磁铁也绝不能互换使用 61内 容 直流电磁铁 交流电磁铁 铁芯结构由整块软钢制成, 无短路环 由硅钢片制成, 有短路环 吸合过程 电流不变, 吸力逐渐加大 吸力基本不变, 电流减小 吸合后 无振动 有轻微振动 吸合不好时 线圈不会过热 线圈会过热, 可能烧坏 直流电磁铁与交流电磁铁比较 62 电磁铁的结构形式(a) 马蹄式； (b) 拍合式； (c) 螺管式 63用电磁铁来制动机床和起重机的电动机 当接通电源时，电磁铁动作而拉开弹簧2把抱闸3提起于是开了装在电动机轴上的制