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1、1,在电子和电气工程中经常应用各种机电能量或机电信号转换设备，其本质是磁和电的相互作用和相互转换。因此，研究磁和电的关系，掌握磁路的基本规律具有重要意义。,第13章 磁路和铁芯线圈,复习磁场基本知识，然后介绍磁路的概念、磁路的定律和铁磁物质的磁化过程。并在此基础上，介绍恒定磁通磁路的计算，简单交变磁通磁路中的波形崎变和能量损耗，铁芯线圈的电路模型和分析方法。,2,根据电磁场理论，磁场是由电流(运动电荷)产生的。电气设备的磁场一般集中分布在由导磁材料构成的闭合路径内，这样的路径称为磁路。磁路问题实质上是局限在一定范围内的磁场问题。磁路所涉及的一些物理量都来源于磁场。,13-1 磁场的主要物理量和
2、基本性质,一、磁场中的主要物理量 1. 磁感应强度和磁通,3,磁感应强度是磁场的基本物理量，它是根据洛仑兹力来定义的，是一个矢量，用符号B来表示。其方向与磁场的方向一致，可以用能够自由转动的小磁针来测定。放在磁场中某处的小磁针N极所指的方向就是该点磁感应强度的方向；其大小是运动电荷在磁场中受到磁场力的作用，当运动电荷与磁场的方向垂直时，它所受到的磁力最大，记为 Fmax。实验表明，磁场中任意给定点的Fmax与运动电荷q所带的电量和运动速度 v 都成正比，即,Fmax q v,4,Fmax与qv 的比值就是磁感应强度B的大小，为,它只与该点磁场的性质有关，是个定值。磁场中的不同点，B值可以是不同
3、的，磁场愈强B值愈大。,磁感应强度国际单位为特斯拉(tesla)，符号为T。,5,通常用磁感应强度线来描绘磁场中各点的情况。其方向代表该点磁感应强度的方向，其大小用该点附近磁感应强度线的疏密程度来表示。,磁感应强度线是连续的闭合曲线，且任意两根磁感应强度线不可能相交。如果磁场是由电流产生的，电流也是闭合流动的，即磁感应强度线总是与电流线相互钩链的。,6,磁感应强度矢量的通量称为磁通量(magnetic flux)，是一个标量，用符号 来表示。,若是均匀磁场，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积就叫作通过这块面积的磁通。用数学式表示磁通的定义为, = B S,可见，磁感应强度在数值上可以看
4、成是与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，所以，磁感应强度也称为磁通密度。,7,如果磁场是不均匀 ：,磁通是磁感应强度的面积分。可以形象地用穿过某一面积磁感应强度线的根数来表示。,磁通的单位是韦伯( Weber)，符号为Wb。,2. 磁场强度和磁导率,8,磁场强度是描述磁场的另一个重要的物理量。它也是一个矢量，用符号H来表示，它与磁场中同一点的磁感应强度B的关系为,B=H,式中，为该点磁介质的磁导率。,磁场中某点的磁场强度只取决于产生这个磁场的运动电荷(或电流)的分布，而与介质无关。即，在确定的运动电荷(或电流)分布所产生的磁场中，若分别充满不同的介质，则磁场中同一点的磁场强度H是相同的。而
5、磁感应强度随着介质的不同而不同，不同的程度取决于介质的磁导率 。,9,磁场强度的单位是安/米，符号为A/m。,二、磁场的基本性质 1. 磁通连续性原理 磁通连续性原理是磁场的一个基本性质，其内容是：在磁场中，磁感应强度对任意闭 合面的面积分恒等于零。即,即：穿进任一闭合面的磁通恒等于穿出此面的磁通。,10,2. 安培环路定律 安培环路定律(Amperes circuital law)是磁场又一基本性质。,其内容是： 在磁场中，磁场强度沿任意闭合路径的线积分等于穿过该路径所包围的全部电流的代数和。即,11,13-2 磁路的基本定律,一、磁路,在实际的电磁设备中，为了提高效率，减小体积和成本，一般
6、都要求能以尽可能小的电流(激磁电流)产生尽可能大的磁通，这就要求把磁场集中在尽可能小的区域内。利用特殊的电流分布如密绕螺线管，和利用高磁导率的材料制成闭合的或近似闭合的路径，即所谓铁芯来达到目的。在这种情况下，磁场主要集中在这个路径中，这种结构的总体(有时还包括一段空气隙)称为磁路。,12,当把磁场集中在一个有限的区域以后，磁场问题就简化为磁路的问题。从简化分析的角度来看，磁路有如下特点：,在对磁路的初步计算时常将漏磁通略去不计，认为全部磁通都集中在磁路里，,1. 磁路通常由若干段组成，若每段由同一种材料组成且具有相同的截面积。磁路中任意截面上 的磁通的分布认为是均匀的，同时认为各段中的磁场强
7、度相同且与磁路路径一致。,13,二、磁路的基本物理量 磁路分析中所涉及的物理量与前面磁场中的物理量相同，只是增加了两个新的名称。,1. 磁通势,围绕磁路的某一线圈的电流i与其匝数N的乘积Ni 称为该线圈电流产生的磁通势，简称磁势。用符号Fm表示，即,Fm=Ni,磁通势的方向由产生它的线圈电流按右手法则确定。磁通势的单位为安，或安匝，符号表示为A或AT。,14,2. 磁压降,每一段磁路中的磁场强度与磁路长度的乘积称为该磁路段的磁压降或磁位差。,磁压降的方向与磁场强度H的方向一致。磁压降的单位为安，或安匝，符号表示为A或AT。,Um=Hl,三、磁路中的基本定律,1 1. 磁路中的基尔霍夫定律,15
8、,与电路类似，磁路中一条支路内的磁通处处相同。对于有分支磁路，如图13-6所示(P.338)，在磁路分支点作闭合面。根据磁通连续性原理，可知穿过闭合面的磁通代数和为零。即对闭合面A，有,- 1+ 2 + 3 = 0,写成一般形式,0 ，或 人 出,磁路中的任一闭合面，任一时刻穿过该闭合面的各分支磁通的代数和等于零。,16,上述定律在形式上与电路中的基尔霍夫电流(第一)定律相似，故有时把此定律称为磁路的基尔霍夫第一定律。,由于磁路的特点，注意到各磁路段中的H与dl方向相同，故磁场中安培环路定律中的矢量点积简化成了标量的乘积。即磁路中可以简化为如下形式:,17,或写成磁路中的形式,Um Fm,Hl
9、 Ni,考虑到磁压降和磁通势的符号，磁路中的安培环路定律可写为,对于磁路中的任一闭合路径，任一时刻沿该闭合路径中各段磁压降之和等于围绕此闭合路径的所有磁通势之和。,上述定律在形式上与电路中的基尔霍夫电压(第二)定律相似，故有时把此定律称为磁路的基尔霍夫第二定律。,18,2. 磁路中的欧姆定律,与电路的基尔霍夫定律类似，磁路的基尔霍夫定律同样只与磁路的结构有关，与组成磁路的各个磁路段的性质(如材料、尺寸等)无关。,与电阻类似：,磁阻为：,为磁导率,为电导率,19,磁路的欧姆定律：Um=Rm ,3. 线性磁路的计算,电路和磁路中的两类约束方程的相似性，线性磁路与线性电路的计算类似 。,但应该指出，
10、磁路和电路的相似仅仅是形式上的，其本质是有区别的：,1.电路中的电流是带电粒子的运动，它在导体中的运动是有能量损耗的，RI2表示电流流经电阻时产生的功率损耗的大小；而磁路中的磁通不代表粒子的运动，当然，相应的Rm 2也不表示功率损耗。这是有本质区别的。,20,1. 2.自然界里存在对电流良好的绝缘材料，但却尚未发现对磁通绝缘的材料。就目前所知， 磁导率最小的铋的相对磁导率约为0.999824，空气约为1.000038，而导磁性能最好的铁磁材料的相对磁导率约为106的数量级。,而在电的绝缘材料中，橡胶的电导率约为铜的1020分之一，也就是说，电的良导体的电导率可以是电的良好的绝缘体的电导率的10
11、20倍。这就导致磁路对于电路而言有两点不同：,21,(1) 电路中存在开路现象，而磁路中没有开路(断路)现象，即不存在有磁势而无磁通的现象。即使在空气隙中磁通仍然存在，只是比无气隙时小类似电路的计算方法只在定性分析中起作用。而已。,(2) 磁路中的漏磁现象比电路中漏电现象严重得多。所以在磁路中很多场合需要考虑漏磁 通的存在。,此外，实际磁路中的铁磁材料的磁特性几乎都是非线性的，因此，分析磁路都是非线性问题。或者说，一般情况下不能应用磁路的欧姆定律来进行计算。类似电路的计算方法只在定性分析中起作用。,22,13-3 铁磁物质的磁化过程,铁磁物质的磁化性质一般由磁化曲线(magnetization
12、 curve)即B-H曲线表示。,一 一、起始磁化曲线,所谓起始磁化曲线是铁磁物质从H0，B0，开始磁化,1. 在磁场强度较小时，磁感应强度随的增大而增大，但其增长率并不大，如0H1，且特性是可逆的。,23,随着H的继续增大，磁感应强度急剧增大，即此时曲线斜率最大，如H1H2 ，且特性是不可逆的，即磁场减小不能恢复原状。,若H继续增大，磁感应强度增长率反而减小，如H2 H3。,在H3以后，B值的增长率更慢，接近于真空中的情况，称为饱和段，对应曲线的点称为饱和点。,就整个起始磁化曲线来看，铁磁物质的曲线是非线性的，表明铁磁物质的磁导率不是常数。通常要求铁磁物质工作在对应H2的曲线的点附近。,24
13、,二、磁滞回线,在交流电机或电器中的铁磁物质常受到交变磁化。反复磁化过程的B-H曲线称磁滞回线， 而不是起始磁化曲线。,25,当磁场强度由零增加到Hm ，使铁磁物质达到磁饱和点，相应的磁感应强度线为Bm 。如果将磁场强度H减小，磁感应强度B也将随之减小，但不是按原来上升的曲线减小，而是沿比原来上升的曲线稍高一些的曲线减小。特别是H降为零而却B不为零，这种B的改变落后于H改变的现象称为磁滞现象，简称磁滞。铁磁物质在磁场强度减少到零时保留的磁感应强度(图中的Br)称为剩余磁感应强度，简称剩磁。若要消去剩磁，需要将铁磁物质反向磁化。当H在相反方向达到图中的Hc值时，B降为零。此磁场强度值称为矫顽磁场
14、强度，又称矫顽力。,26,当继续反方向增加时，铁磁物质开始反向磁化。所得近似原点对称的闭合曲线称为磁滞回线。,铁磁物质在反复磁化过程中需要消耗能量并以热能的形式耗散，这种能量损耗称为磁滞损耗。后面将会证明，磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。,按磁滞回线的形状大体分为两类：,1. 软磁材料,27,具有较小的剩磁和矫顽力，磁滞回线较窄，磁滞损耗小，磁导率高，磁滞现象不明显，没有外磁场时磁性基本消失。,2. 硬磁材料 具有较大的矫顽力，磁滞回线较宽， 这类材 料被磁化后，其剩磁不易消失， 适用于制造永磁体。,三、基本磁化曲线,28,用磁滞回线表征铁磁物质的磁特性是比较精确的，但利用此特性进行分析是十分
15、困难 的。在进行定量分析时，总希望作某些简化，以便在分析的复杂性和结果的准确性上达到折衷。在一般的磁路计算中，常用所谓的基本磁化曲线来代替磁滞回线。在非饱和状态下，用不同幅度的周期变化的磁场对铁磁物质反复磁化，将得到一系列对称的局部磁滞回线。这些局部磁滞回线的顶点的连线就称为基本磁化曲线。,29,不难看出，可以理解为是略去了铁磁物质的不可逆性保留了其饱和非线性特性的曲线。又由于这样构成的曲线有某种平均的意义，故又称为平均磁化曲线。工程上简称磁化曲线。应该指出，基本磁化曲线和初始磁化曲线是很接近的。,30,13-4 非线性恒定磁通磁路的计算,了解了铁磁物质的磁特性后，下面讨论非线性磁路的分析计算
16、。通常，在计算磁路时有两类问题：一类是已知磁通(或磁感应强度)求磁通势；另一类是已知磁通势求磁通。一般称前者为正面问题，后者为反面问题。,恒定磁通磁路就是产生磁通的励磁电流是不随时间变化的直流电流，其产生的磁通势、磁通也都不随时间而变化，有时也称为直流磁路。,31,恒定磁通磁路的线圈中不会产生感应电动势。从电路的角度来看，当线圈两端加直流电压时，其电流只取决于线圈的电阻，与磁路的性质无关。从磁路欧姆定律可知，磁路的磁通势也是恒定的，但磁通的大小却与磁路的性质有关，它随磁阻的增加而减小，而铁磁材料的磁阻又与磁路的饱和程度有关。,在具体介绍各种磁路的计算之前先说明几个共同的问题：,1. 铁芯材料磁特性的选取,32,恒定磁通磁路的计算一般选取该磁路所用铁磁材料的基本磁化曲线作为其磁特性的表征。 通常。基本磁化曲线也称为直流磁化曲线。,2. 磁路的长度,在进行磁路计算时，一般都取其平均长度(中心线长度)作为磁路的长度。,2 3. 磁路的面积,磁路中截面积用磁路的几何尺寸直接计算
