6-磁路与铁心线圈电路

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1、第6章磁路与铁心线圈电路 6 2磁性材料的磁性能 6 5变压器 6 6电磁铁 6 1磁场的基本物理量 6 3磁路及其基本定律 6 4交流铁心线圈电路 2 了解变压器的基本结构 工作原理 运行特性和绕组的同极性端 理解变压器额定值的意义 3 掌握变压器电压 电流和阻抗变换作用 4 了解三相电压的变换方法和原 副绕组常用的连接方式 本章要求 第6章磁路与铁心线圈电路 5 了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识 1 理解磁场的基本物理量的意义 了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律 会分析计算交流铁心线圈电路 6 1磁场的基本物理量 6 1 1磁感应强度 磁感应强度 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理

2、量 磁感应强度是矢量 用B表示 磁感应强度的大小 用该点磁场作用于1m长 通有1A电流且垂直于该磁场的导体上的力F来衡量 即B F lI 磁感应强度的方向 电流产生的磁场 B的方向用右手螺旋定则确定 磁场的基本物理量主要包括 磁感应强度 磁通 磁场强度 磁导率等 永久磁铁磁场 在磁铁外部 B的方向由N极到S极 6 1 2磁通 磁通 磁感应强度B与垂直与该磁场方向的面积S的乘积 称为通过该面积的磁通 用 表示 即 BS或B S 均匀磁场 各点磁感应强度大小相等 方向相同的磁场 也称匀强磁场 磁感应强度的单位 国际单位制 特 斯拉 T T Wb m2 韦伯 米2 电磁制单位 高斯 Gs 1T 10

3、4Gs 磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通 故又称磁通密度 磁通的单位 6 1 3磁场强度 磁场强度H 计算磁场时所引用的一个物理量 国际单位制 韦 伯 Wb Wb 伏 秒 电磁制单位 麦克斯韦 Mx 1Wb 108Mx 借助磁场强度建立了磁场与产生该磁场的电流之间的关系 即安培环路定律 或称全电流定律 磁场强度方向与产生磁场的电流方向之间符合右手螺旋定则 单位 国际单位制 安每米 A m 电磁制单位 奥斯特 Oe 1A m 4 10 8Oe 任意选定一个闭合回线的围绕方向 凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正 反之为负 其中 是磁场强度矢

4、量沿任意闭合线 常取磁通作为闭合回线 的线积分 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和 安培环路定律电流正负的规定 安培环路定律 全电流定律 例6 1 1 环形线圈如图 其中媒质是均匀的 试计算线圈内部各点的磁场强度 解 取磁通作为闭合回线 以其方向作为回线的围绕方向 则有 线圈匝数与电流的乘积NI 称为磁通势 用字母F表示 则有F NI磁通由磁通势产生 磁通势的单位是安 培 式中 N线圈匝数 lx 2 x是半径为x的圆周长 Hx半径x处的磁场强度 NI为线圈匝数与电流的乘积 故得 真空的磁导率为常数 用 0表示 有 6 1 4磁导率 磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量 衡量物质的导磁能力 用符号

5、 表示 B H的关系为 相对磁导率 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率 0的比值 用 r表示 磁导率的单位 亨 米 H m 根据上述有 可见 相对磁导率也就是当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度与在同样电流值下真空时该点的磁感应强度之比值 例6 1 2 环形线圈如图 其中媒质是均匀的 磁导率为 试计算线圈内部各点的磁感应强度 解 半径为x处各点的磁场强度为 故相应点磁感应强度为 由上例可见 磁场内某点的磁场强度H只与电流大小 线圈匝数 以及该点的几何位置有关 与磁场媒质的磁性 无关 即在同一电流值下 同一点的磁场强度不因磁场媒质的不同而不同 而磁感应强度与磁场媒质的磁性有关 当媒质不同时 磁

6、导率 不同 在同样电流值下 同一点的磁感应强度的大小不同 线圈内磁通也就不同 在物质的分子中 由于电子环绕原子核运动和本身自转运动而形成分子电流 相应产生分子电流磁场 由于不同物质的分子电流磁场的属性不同 使物质呈现为磁性物质和非磁性物质 6 1 5物质的磁性 一 非磁性物质非磁性物质分子电流的磁场排列杂乱无章 内部互相抵消 几乎不受外磁场的影响和不具有磁化特性 每一种非磁性材料的磁导率都是常数 有 可见 磁通 与产生此磁通的电流I成正比 呈线性关系 当磁场媒质是非磁性材料时 有 即B与H成正比 呈线性关系 由于 二 磁性物质磁性物质内部形成许多小区域 其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域

7、内的分子磁场排列整齐 显示磁性 称这些小区域为磁畴 在没有外磁场作用的普通磁性物质中 各个磁畴排列杂乱无章 磁场互相抵消 整体对外不显磁性 在外磁场作用下 磁畴方向发生变化 使之与外磁场方向趋于一致 物质整体显示出磁性来 称为磁化 即磁性物质能被磁化 磁畴 非磁性物质没有磁畴结构 不具有磁化特性 外磁场 6 2磁性材料的磁性能 6 2 1高导磁性 磁性材料的 r 1 可达数百 数千 乃至数万之值 能被强烈的磁化 具有很高的导磁性能 磁性材料在外磁场作用下 磁畴转向与外磁场相同的方向 产生一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场 磁性物质内的磁感应强度大大增加 即磁性物质被强烈的磁化 磁力线集中于磁性

8、物质中通过 磁性材料主要指铁 镍 钴及其合金等 在此主要介绍其磁性能 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心 实现用小的励磁电流产生较大的磁通和磁感应强度 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强 当外磁场增大到一定程度时 磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致 磁化磁场的磁感应强度达到饱和值 如图 6 2 2磁饱和性 BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线 B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线 B为BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B H磁化曲线 B H磁化曲线的特征Oa段 B与H几乎成

9、正比地增加 ab段 B的增加缓慢下来 b点以后 B增加很少 达到饱和 有磁性物质存在时 B与H不成正比 磁性物质的磁导率 不是常数 随H而变 如图 有磁性物质存在时 与I不成正比 磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要 其为非线性曲线 实际中通过实验得出 6 2 3磁滞性 当铁心线圈中通有交变电流 大小和方向都变化 时 铁心受到交变磁化 在电流变化一次时 磁感应强度B随磁场强度H而变化 变化关系如图 磁滞性 磁性物质中 当H已减到零时B并未回到零 这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性 磁滞回线 在铁心反复交变磁化的情况下 表示B与H变化关系的闭合曲线1234561 如图

10、称为磁滞回线 剩磁感应强度 剩磁 当线圈中电流减到零值 即H 0 时铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失 这时铁心中保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br 剩磁 如图 矫顽磁力 如果要使铁心的剩磁消失 通常改变线圈中的励磁电流方向 也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化 使B 0的H值称为矫顽磁力HC 如图 磁性物质不同 其磁滞回线和磁化曲线也不同 几种常见磁性物质的磁化曲线 按磁性物质的磁性能 磁性材料分为三种类型 1 软磁材料具有较小的矫顽磁力 磁滞回线较窄 一般用来制造电机 电器及变压器等的铁心 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金即铁氧体等 2 永磁材料具有较大的矫顽磁力 磁滞回线较宽 一般用

11、来制造永久磁铁 常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等 3 矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁 磁滞回线接近矩形 稳定性良好 在计算机和控制系统中用作记忆元件 开关元件和逻辑元件 常用的有镁锰铁氧体等 6 3磁路及其基本定律 6 3 1磁路的概念 为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通 或磁感应强度 在电机 变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心 铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多 磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路 磁通的闭合路径称为磁路 如四极直流电机 交流接触器等 的磁路如图 6 3 2磁路的欧姆定律 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图 其中媒质是均匀的

12、磁导率为 试计算线圈内部的磁通 解 根据安培环路定律 有 设磁路的平均长度为l 则有 一 引例 式中 F NI为磁通势 由其产生磁通 Rm称为磁阻 表示磁路对磁通的阻碍作用 l为磁路的平均长度 S为磁路的截面积 二 磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为 磁通势为F 磁阻为Rm 则 即有 此即磁路的欧姆定律 三 磁路与电路的比较 1 形式比较 2 磁路分析的特点 1 在处理电路时不涉及电场问题 在处理磁路时离不开磁场的概念 2 在处理电路时一般可以不考虑漏电流 在处理磁路时一般都要考虑漏磁通 3 磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似 由于 不是常数 其随励磁电流而变 磁路欧姆定律不能直接用来计

13、算 它只能用于定性分析 4 在电路中 当E 0时 I 0 但在磁路中 由于有剩磁 当F 0时 不为零 5 磁路的基本物理量单位较复杂 学习时应注意 6 3 3磁路的分析计算 主要任务 预先选定磁性材料中的磁通 或磁感应强度 按照所定的磁通 磁路各段的尺寸和材料 求产生预定的磁通所需要的磁通势F NI 确定线圈匝数和励磁电流 基本公式 设磁路由不同材料或不同长度和截面积的n段组成 则基本公式为 即 基本步骤 由磁通 求磁通势F NI 1 求各段磁感应强度Bi各段磁路截面积不同 通过同一磁通 故有 2 求各段磁场强度Hi根据各段磁路材料的磁化曲线Bi f Hi 求B1 B2 相对应的H1 H2 3

14、 计算各段磁路的磁压降 Hili 4 根据下式求出磁通势 NI 例6 3 1 一个具有闭合的均匀的铁心线圈 其匝数为300 铁心中的磁感应强度为0 9T 磁路的平均长度为45cm 试求 1 铁心材料为铸铁时线圈中的电流 2 铁心材料为硅钢片时线圈中的电流 解 1 用铸铁材料 B 0 9T时 据磁化曲线 查出磁场强度H 9000A m 则 2 用硅钢片材料 B 0 9T时 据磁化曲线 查出磁场强度H 260A m 则 分析本例 1 由于所用铁心材料的不同 要得到同样的磁感应强度 则所需要的磁通势或励磁电流的大小相差较大 因此 采用磁导率高的铁心材料 可使线圈的用铜量大为降低 2 在上面两种情况下

15、 如线圈中通有同样大小的电流0 39A 则铁心中的磁场强度是相等的 都是260A m 从磁化曲线可查出 铸铁时B 0 05T 硅钢片时B 0 9T 两者相差17倍 磁通也相差17倍 如要得到相同的磁通 则铸铁铁心的截面积必须增加17倍 因此 采用磁导率高的铁心材料 可使铁心的用铁量大为降低 例6 3 2 有一环形铁心线圈 其内径为10cm 外径为15cm 铁心材料为铸钢 磁路中含有一空气隙 其长度等于0 2cm 设线圈中通有1A的电流 如要得到0 9T的磁感应强度 试求线圈匝数 解 磁路的平均总长度为 1 对空气隙 磁场强度 平均长度 2 对铸钢材料 磁场强度查铸钢的磁化曲线 B 0 9T时

16、查出磁场强度H1 500A m 平均长度 对各段有 总磁通势为 线圈匝数为 磁路中含有空气隙时 由于其磁阻较大 磁通势几乎都降在空气隙上面 综合上述例题 可得如下结论 1 如果要得到相等的磁感应强度 采用磁导率高的铁心材料 可以降低线圈电流 减少用铜量 2 如果线圈中通有同样大小的励磁电流 要得到相等的磁通 采用磁导率高的铁心材料 可使铁心的用铁量大为降低 3 当磁路中含有空气隙时 由于其磁阻较大 要得到相等的磁感应强度 必须增大励磁电流 设线圈匝数一定 6 4交流铁心线圈电路 6 4 1电磁关系 交流铁心线圈电路如图 主要分析其电磁关系 电压电流关系及功率损耗等 基本关系 磁通势 主磁通 产生的磁通中 通过铁心闭合的部分 漏磁通 经过空气或其它非导磁媒质闭合的部分 漏磁电感 漏磁电感为常数 漏磁通主要经过空气隙或非磁性物质 励磁电流i与漏磁通 之间可认为成线性关系 铁心线圈的漏磁电感为常数 即有 铁心线圈为非线性电感元件 主磁通通过铁心 励磁电流i与主磁通 之间是非线性关系 主磁电感L随励磁电流i而变化 如图 6 4 2电压电流关系 瞬时值形式 其中 R为铁心线圈电阻 L 为漏磁电感