磁路和鐵磁性材料

1、磁路和鐵磁性材料第一頁，課件共34頁第一節(jié)第一節(jié) 磁路的基礎(chǔ)知識磁路的基礎(chǔ)知識 電流流過的路徑是電路，同樣，磁通經(jīng)過的路徑叫做磁路。如圖6-1所示，繞在鐵芯上的線圈產(chǎn)生的磁通在鐵芯中流動(dòng)。 （a） （b） 圖6-1磁路第二頁，課件共34頁 由于鐵磁性材料具有較高的磁導(dǎo)率，導(dǎo)磁性能好，所以通常利用鐵磁性材料做鐵芯，以使磁通盡可能地集中在鐵芯中。但是，空間內(nèi)仍可能存在磁通，也就是存在漏磁現(xiàn)象。我們把集中在鐵芯內(nèi)的大部分磁通稱為主磁通，不在鐵芯內(nèi)的極小部分磁通稱為漏磁通。由此可見，磁路中的磁通是由主磁通和漏磁通構(gòu)成的。 通電線圈的電流是產(chǎn)生磁通的原因，電流越大，磁場越強(qiáng)，磁通也越大。通電線圈的每一匝

2、都要產(chǎn)生磁通，所有磁通合在一起構(gòu)成了磁路中的磁通。線圈的匝數(shù)越多，磁通也就越大。磁通與線圈中的電流強(qiáng)度和線圈的匝數(shù)有密切關(guān)系。通電線圈中的電流與線圈匝數(shù)的乘積被定義為磁動(dòng)勢（也稱磁通勢），即： Em=NI （6-1）第三頁，課件共34頁 電路中往往存在電阻，它對電流起到阻礙作用。磁路中同樣存在一個(gè)阻礙磁通的物理量，即磁阻。與導(dǎo)體的電阻相似，磁路中磁阻Rm與磁路的長度l成正比，與磁路的橫截面積S成反比，與構(gòu)成磁路的材料的磁導(dǎo)率成反比，可利用下面的公式描述： Rm=l/S （6-2） 若磁導(dǎo)率以H/m的單位，長度l和截面積分別以m和m2為單位，則磁阻的單位為1/亨（H-1）第四頁，課件共34頁第二

3、節(jié)第二節(jié) 磁路的相關(guān)定律磁路的相關(guān)定律 一、磁路的歐姆定律 電路中存在歐姆定律，磁路中也存在歐姆定律，即通過磁路的磁通與磁動(dòng)勢成正比，與磁阻成反比。 =Em/Rm （6-3） 與電路相比，磁路中的磁動(dòng)勢相當(dāng)于電路中的電動(dòng)勢，磁阻相當(dāng)于電阻，而磁通相當(dāng)于電流。需要注意的是，磁路與電路在本質(zhì)上不相同。電路斷開時(shí)，電動(dòng)勢依然存在，但磁路卻總是閉合的。第五頁，課件共34頁 二、磁路的基爾霍夫定律 1.磁路的KCL 由于磁力線是閉合曲線，所以磁力線從一個(gè)區(qū)域的某處穿進(jìn)去，必然會從另一個(gè)區(qū)域穿出來，并且穿入封閉區(qū)域的磁力線數(shù)目一定等于穿出該區(qū)域的磁力線數(shù)目。也就是說，在磁路中，進(jìn)入某一節(jié)點(diǎn)的磁通一定等于離

4、開該節(jié)點(diǎn)的磁通，或者說成：磁路中某一節(jié)點(diǎn)上的磁通的代數(shù)和恒等于零，這便是磁路的基爾霍夫第一定律（KCL）。第六頁，課件共34頁 2.磁路的KVL 將式（6-1）、（6-2）代入式（6-3），可得/S=NI/l。由于磁通與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁路橫截面積的關(guān)系是 =BS，所以B= NI/l，也可利用磁場強(qiáng)度H描述成NI=Hl，即磁路中磁場強(qiáng)度H與磁路的平均長度l的乘積在數(shù)值上等于磁動(dòng)勢NI，這是磁路的全電流定律。H與l的乘積稱為磁位差。第七頁，課件共34頁 如果構(gòu)成磁路的材料不同，磁路可以分成n段，那么： NI=H1l1+H2l2+Hnln 式中，l1+l2+ln是磁路的總長。進(jìn)一步，如果磁通是由m個(gè)

5、具有不同匝數(shù)的通電線圈產(chǎn)生的，那么： N1I1+N2I2+NmIm=H1l1+H2l2+Hnln （6-4） 在磁路的任一回路中，各段磁位差的代數(shù)和等于各磁動(dòng)勢的代數(shù)和，這便是磁路的基爾霍夫第二定律（KVL）。第八頁，課件共34頁第三節(jié)第三節(jié) 線圈的互感線圈的互感 一、互感現(xiàn)象 在自然界中，除了自感現(xiàn)象外，還存在另一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即互感現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化，使另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫互感現(xiàn)象。 互感現(xiàn)象可利用圖6-2所示的電路來說明。圖6-2中，線圈L1與線圈L2靠得很近，L2接有檢流計(jì)G，用于檢驗(yàn) L2內(nèi)是否有電流。當(dāng)開關(guān)S閉合的瞬間， L1內(nèi)的電流I從無到有，

6、 L1中產(chǎn)生變化的磁通1。 1的一部分磁通12穿過L2，根據(jù)電磁感應(yīng)定律， L2內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于L2與檢流計(jì)G串聯(lián)構(gòu)成了閉合的回路，因而L2內(nèi)有電流流過，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但是，S閉合一段時(shí)間后，由于I恒定不變， L2內(nèi)不再感生電動(dòng)勢，G的指針便回到零位。第九頁，課件共34頁 圖6-2 互感現(xiàn)象 由互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢稱為互感電動(dòng)勢?；ジ须妱?dòng)勢的大小正比于穿過本線圈的磁通的變化率。當(dāng)L1中的磁通完全穿過L2時(shí)，互感電動(dòng)勢最大；當(dāng)L1和L2垂直時(shí)， L1中的磁通完全不穿過L2，此時(shí)的互感電動(dòng)勢最小。互感電動(dòng)勢的方向仍用楞次定律判定，即感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙原來磁場的變化。 互感現(xiàn)象如

7、果利用恰當(dāng)，能夠給人們帶來許多益處，例如電源變壓器、電流互感器、電壓互感器等都利用了互感現(xiàn)象；如果利用不當(dāng)，它也會給我們的生活帶來不便，例如有線電話常由于兩路電路間的互感而串音，無線電設(shè)備也常由于互感現(xiàn)象造成相互干擾。第十頁，課件共34頁 二、耦合系數(shù) 對于兩個(gè)線圈，我們把一個(gè)線圈通有1A的電流時(shí)，在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生的磁通（也稱互感磁鏈）叫做互感系數(shù)，簡稱互感?；ジ械膰H單位與自感的相同，也是亨利（H）?；ジ械拇笮∪Q于兩個(gè)耦合線圈的幾何尺寸、匝數(shù)、相對位置和周圍磁介質(zhì)。如果磁介質(zhì)為非鐵磁性材料，互感則為常數(shù)。線圈中的互感電動(dòng)勢，與互感系數(shù)和另一個(gè)線圈中電流的變化率的乘積成正比。 圖6-2中的

8、兩個(gè)線圈，它們除了互感以外，每個(gè)線圈還有自感。兩線圈間的互感系數(shù)M和各自的自感系數(shù)L1、L2之間的關(guān)系為：12MkL L第十一頁，課件共34頁 k稱為兩線圈的耦合系數(shù)，它反映了兩個(gè)線圈之間的耦合程度。由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以0k1。k=0表明兩個(gè)線圈不產(chǎn)生互感磁通；k=1表明兩個(gè)線圈耦合得最緊，互感磁通也最大，這時(shí)又叫做全耦合。第十二頁，課件共34頁 三、同名端 在工程中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的有磁耦合的線圈，常常需要知道了互感電動(dòng)勢的極性，才能選擇正確的連接方式。互感電動(dòng)勢的極性不但與原磁通及其變化方向有關(guān)，還與線圈的繞向有關(guān)。盡管可以利用楞次定律來判斷互感電動(dòng)勢的極性，但這并不方便，

9、實(shí)際中常利用標(biāo)記同名端的方式來說明互感電動(dòng)勢的極性。 如圖6-3（a）所示，兩個(gè)線圈L1、L2繞在同一個(gè)鐵芯上。假設(shè)L1中通有隨時(shí)間逐漸增大的電流i，電流i產(chǎn)生的磁通1也隨時(shí)間的增加而增大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯中的磁通1在增大的過程中，L1中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，L2中將產(chǎn)生互感電動(dòng)勢，它們都會阻礙1的增大。根據(jù)安培右手定則可以判斷L1、L2的感應(yīng)電動(dòng)勢的極性如圖所示。其中，端點(diǎn)1和3的極性相同，端點(diǎn)2和4的極性相同。如果改變L1中電流的方向，仍讓其隨時(shí)間逐漸增大，那么L1、L2的感應(yīng)電動(dòng)勢的極性如圖6-3（b）所示。第十三頁，課件共34頁 顯然，端點(diǎn)1和3的極性仍相同，端點(diǎn)2和4的極性也相同。

10、這說明，如果兩個(gè)線圈按圖6-3的形式繞在同一個(gè)鐵芯上，那么不管電流的方向如何改變，大小如何改變，感應(yīng)電動(dòng)勢在端點(diǎn)1和3上的極性始終保持相同，在端點(diǎn)2和4上的極性也始終相同。我們把這種在同一磁通作用下，感應(yīng)電動(dòng)勢極性相同的端點(diǎn)稱為同名端，感應(yīng)電動(dòng)勢極性相反的端點(diǎn)稱為異名端。同名端利用“”表示。工程中通常只標(biāo)出一對同名端，如圖6-4所示。第十四頁，課件共34頁 （a） （b） 圖6-3互感線圈的同名端 圖6-4同名端的標(biāo)記第十五頁，課件共34頁第四節(jié)第四節(jié) 變變 壓壓 器器 變壓器是利用互感原理工作的一種電磁裝置。在電力系統(tǒng)中，變壓器常用于將某一數(shù)值的交流電壓或電流，變換成另一數(shù)值的交流電壓或電流

11、。除了可以變換電壓電流之外，變壓器常用于變換阻抗和改變相位。變壓器的種類很多，有輸電和配電使用的電力變壓器，實(shí)驗(yàn)用的整流變壓器，電解用的整流變壓器，電子技術(shù)中使用的輸入和輸出變壓器等。盡管不同類型的變壓器在結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，并具有不同的功能，但它們的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的。第十六頁，課件共34頁 一、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器由鐵芯、繞組和一些附件構(gòu)成，其中鐵芯和繞組是其最主要的組成部分。 變壓器的鐵芯是磁路的通道。為了減小渦流損耗和磁滯損耗，變壓器鐵芯常用磁導(dǎo)率較高的、相互絕緣的硅鋼片疊裝而成，鋼片的厚度約為0.350.5 mm。也有的變壓器采用鐵氧體或其他磁性材料作鐵芯。按鐵芯的結(jié)構(gòu)可將變

12、壓器分成芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在鐵芯柱上；殼式變壓器的繞組被鐵芯所圍繞。大型的變壓器多采用芯式結(jié)構(gòu)，小型的變壓器多采用殼式結(jié)構(gòu)。第十七頁，課件共34頁 變壓器的繞組是電流的通道，通常由具有良好絕緣性質(zhì)的漆包線繞在線圈框架上構(gòu)成。大型變壓器的繞組也使用紗包線和絲包線繞制。變壓器的繞組分為一次繞組（或稱初級繞組、原邊線圈）和二次繞組（或稱次級繞組、副邊線圈），其中一次繞組與電源相連，二次繞組與負(fù)載相連。變壓器的繞組和鐵芯之間、繞組與繞組之間以及繞組的每一匝之間都要保持良好的絕緣性，否則很容易燒壞。第十八頁，課件共34頁 變壓器的附件有很多，例如屏蔽裝置，冷卻裝置等。為了使變壓器不受外界

13、電磁場的干擾，常利用鐵殼或鋁殼將其罩起來，在一次繞組和二次繞組之間也常加一層金屬靜電屏蔽層。變壓器在正常工作時(shí)還需及時(shí)散熱，否則容易發(fā)生事故。變壓器的冷卻方式主要有油冷和自冷兩種。小型變壓器多采用自冷式，即靠空氣的流動(dòng)自然散熱；大型變壓器多采用油冷式，即把變壓器的鐵芯和繞組全部浸在油箱中。 變壓器在電路中的符號如圖6-7所示。第十九頁，課件共34頁 （a） （b） 圖6-7變壓器的符號第二十頁，課件共34頁二、變壓器的工作原理1.變換電壓理想的變壓器模型如圖6-8所示。讓一次繞組與交流電壓源相連，二次繞組不接任何負(fù)載，這時(shí)變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài)，一次繞組上的電流i0為空載電流。磁動(dòng)勢i0N1在

14、鐵芯磁路中產(chǎn)生交變的磁通。與一次和二次繞組交鏈，使得一次繞組和二次繞組上分別感應(yīng)出電動(dòng)勢e1和e2。如果=msin2ft，f是交流電壓源的頻率，那么e1和e2的有效值E1、E2分別為:于是: E1/E2=N1/N211124.442mmNfENf22224.442mmNfENf第二十一頁，課件共34頁 由于變壓器的空載電流非常小，由一次繞組內(nèi)阻形成的電壓可以忽略不計(jì)，因而一次繞組上的感應(yīng)電壓E1的有效值與交流電壓源的有效值U1近似相等。另外，由于二次繞組未接負(fù)載，其感應(yīng)電壓的有效值E2就等于其端電壓的有效值U2。因此: U1/U2E1/E2=N1/N2=K（6-8）上式表明，變壓器空載時(shí)，兩繞

15、組的電壓之比近似等于匝數(shù)之比。這個(gè)比值K稱為變壓比，簡稱變比。K1的變壓器稱為降壓變壓器，K1的變壓器稱為升壓變壓器。 圖6-8變壓器的空載運(yùn)行第二十二頁，課件共34頁 2.變換電流 如果在圖6-8所示的變壓器的二次繞組上接負(fù)載Z，那么變壓器由空載運(yùn)行變?yōu)橛休d運(yùn)行，如圖6-9所示。變壓器處于有載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，二次繞組上將產(chǎn)生電流 i2。對于理想變壓器，根據(jù)能量守恒定律，一次繞組從電源獲取的能量應(yīng)等于二次繞組上負(fù)載消耗的能量，即變壓器從電源獲取的功率P1應(yīng)等于它的輸出功率P2。根據(jù)交流電路的功率計(jì)算公式可知,P1=U1I1cos1，P2=U2I2cos2，式中，U1和U2分別為交流電壓源電壓的有效

16、值和負(fù)載電壓的有效值，I1和I2分別為一次繞組內(nèi)和二次繞組內(nèi)電流的有效值，cos1和cos2分別為一次繞組電路和二次繞組電路的功率因數(shù)。由于1與2通常相差較小，在工程中可近似認(rèn)為它們是相等的，因而U1I1U2I2，即： （6-9）12211IUIUK第二十三頁，課件共34頁 圖6-9 變壓器的有載運(yùn)行 可見，變壓器在有載狀態(tài)下工作時(shí)，一次繞組和二次繞組中的電流跟兩個(gè)繞組的匝數(shù)成反比，可以通過改變變壓器的匝數(shù)比來改變電流。電流互感器就是根據(jù)這一原理制成的。 3.變換阻抗在電子電路中，常利用變壓器將負(fù)載電阻變成與信號源的內(nèi)阻相等，以使負(fù)載獲得最大功率。此時(shí)稱為阻抗匹配。上式表明，如果在變壓器的二次

17、側(cè)接上負(fù)載|Z2|，那么相當(dāng)于使電源接上大小為|Z1|=K2|Z2|的阻抗。 2211222NZZKZN 第二十四頁，課件共34頁 三、變壓器的銘牌 變壓器的銘牌上面標(biāo)有變壓器的型號、額定值等技術(shù)指標(biāo)。通過查看變壓器的銘牌，我們能夠初步了解變壓器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 變壓器的型號上標(biāo)有變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、額定容量（單位是kVA）和高壓側(cè)的電壓等級（單位是kV），如圖6-10所示。電力變壓器型號中常用符號的含義見表6-2。 圖6-10變壓器的型號 表6-2變壓器型號中常用符號的含義（見書126頁）第二十五頁，課件共34頁第五節(jié)第五節(jié) 鐵磁性材料的基礎(chǔ)知識鐵磁性材料的基礎(chǔ)知識 一、鐵磁性物質(zhì)的磁化 當(dāng)把一

18、根鐵棒插入通有電流的線圈時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)鐵棒能夠吸引鐵屑，這是由于鐵棒被磁化的緣故。所謂磁化是指使原來沒有磁性的物質(zhì)具有磁性的過程。只有鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化，非鐵磁性物質(zhì)不能被磁化。 鐵磁性物質(zhì)能夠被磁化的主要原因是其內(nèi)部存在大量的磁性小區(qū)域，即磁疇。在無外磁場作用時(shí)，鐵磁物質(zhì)中磁疇的排列雜亂無章，磁性相互抵消，物質(zhì)對外界并不顯磁性。但是，在外磁場作用下，磁疇將沿著磁場的方向排列，從而產(chǎn)生附加磁場，如圖6-11所示。附加磁場與外磁場疊加在一起，使得總磁場增強(qiáng)。有些鐵磁性物質(zhì)在去掉外磁場后對外仍顯磁性，于是它們變成了永久磁鐵。第二十六頁，課件共34頁 （a） （b） 圖6-11鐵磁性物質(zhì)的磁疇第二十

19、七頁，課件共34頁 二、磁化曲線 鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生磁場。表征鐵磁性物質(zhì)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場強(qiáng)度H變化的曲線，稱為磁化曲線，也稱為B-H曲線。如果鐵磁性物質(zhì)從完全無磁的狀態(tài)進(jìn)行磁化所得到的磁化曲線稱為起始磁化曲線。磁化曲線是非線性的。起始磁化曲線應(yīng)經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖6-12所示。 圖6-12鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線第二十八頁，課件共34頁 在磁化曲線起始的Oa段，曲線上升緩慢，這是由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇的慣性造成的，這個(gè)階段稱為起始磁化階段。隨著H的增大，B也增大，磁化曲線中ab段的變化接近于直線，這是由于大量的磁疇在外磁場作用下沿著磁場的方向排列，附加磁場增強(qiáng)。然后，在bc段

20、，隨著H的增大，B也增大，但增大的速度變慢，這是由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部只剩下了少數(shù)的磁疇。最后，在cd段，由于鐵磁性物質(zhì)幾乎全部被磁化，繼續(xù)增大H，B幾乎沒有變化，即B達(dá)到了飽和值。不同的鐵磁性物質(zhì)具有不同的磁化曲線。第二十九頁，課件共34頁 三、磁滯回線 上面介紹的磁化曲線只反映了鐵磁性物質(zhì)在外磁場由零逐漸增強(qiáng)時(shí)的磁化過程。但是，在實(shí)際使用中，許多鐵磁性材料往往工作在大小和方向交替變化的磁場中，這時(shí)由于鐵磁性物質(zhì)具有滯后效應(yīng)和粘滯性，使得B的值不僅與相應(yīng)的H有關(guān)，還與物質(zhì)之前的磁化狀態(tài)有關(guān)。 實(shí)驗(yàn)表明，如果B達(dá)到飽和值后，逐漸減小H，這時(shí)B并不是沿著圖6-12中的磁化曲線減小，而是沿著另一條曲線下降，如圖6-13所示的de段。當(dāng)H減小至零時(shí)，B的值不是零，而是Br，Br稱為剩磁。 圖6-13磁滯回線第三十頁，課件共34頁 為了消除剩磁，必須施加反向的磁場。當(dāng)反向磁場由零增大到Hc時(shí)，B的值為零。Hc稱為矯頑力，它反映了鐵磁性物質(zhì)保持剩磁的能力。繼續(xù)增大反向磁場，B的值將從零變?yōu)樨?fù)值，即B的方向發(fā)生改變，鐵磁性物質(zhì)被反向磁化。反向磁化使B達(dá)到飽和值后，減小反向磁場，磁化曲線將沿gk段變化，在k點(diǎn)處H為零。繼續(xù)增大正向磁場，磁化曲線將沿khd變化。從磁化的整個(gè)過程可以看出，B的變化總是落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁化過程所形成的閉合的、對稱于原點(diǎn)的曲線defgkhd，稱