磁場(chǎng)的基本物理量

1、第二篇電機(jī)與控制第二篇電機(jī)與控制本篇主要介紹了磁路、變壓器、異步電動(dòng)機(jī)和控制電機(jī)等。從應(yīng)用的角度出發(fā)，講解異步電機(jī)的工作原理和基本使用控制方法，重點(diǎn)放在電機(jī)的外特性上。最后借助經(jīng)典的繼電接觸器控制概念，介紹了PLC（可編程序控制器）控制技術(shù)。 第第7章章 磁路磁路一、磁感應(yīng)強(qiáng)度一、磁感應(yīng)強(qiáng)度 （磁通密度）（磁通密度） 與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過(guò)的磁與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過(guò)的磁通（通（磁力線磁力線）。）。SB單位：?jiǎn)挝唬喉f伯韋伯1 Tesla = 104 高斯高斯B 的單位：的單位：特斯拉特斯拉（Tesla）7.1 磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)的基本物理量二、磁通二、磁通BS單位：韋伯（單

2、位：韋伯（Wb）B 單位：特斯拉（單位：特斯拉（T） 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直與磁場(chǎng)方向的面積與垂直與磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁通。的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁通。dtdNe單位：?jiǎn)挝唬悍敕?三、磁場(chǎng)強(qiáng)度三、磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 磁場(chǎng)強(qiáng)度是計(jì)算磁場(chǎng)所用的物理量，其大磁場(chǎng)強(qiáng)度是計(jì)算磁場(chǎng)所用的物理量，其大小為小為磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度和和導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率之比。之比。BH 單位：?jiǎn)挝唬築 ：特斯拉：特斯拉：亨亨/米米H：安安/ /米米四、磁導(dǎo)率四、磁導(dǎo)率：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨（亨/米）米）70104 真空中真空中的磁導(dǎo)率的磁導(dǎo)率( )為常數(shù)為常數(shù)0一

3、般材料的磁導(dǎo)率一般材料的磁導(dǎo)率 和真空中的磁導(dǎo)率之比，和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率r0r1r，則稱為，則稱為磁性材料磁性材料1r，則稱為，則稱為非磁性材料非磁性材料7.2 磁性材料磁性材料7.2.1 磁性材料的主要特性磁性材料的主要特性 1. 非線性非線性大大小小BH)(I) 2. 磁飽和性磁飽和性HBBH 3. 磁滯性磁滯性7.2.2 磁性材料的分類磁性材料的分類 根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料軟磁材料（磁滯回線窄長(zhǎng)。常用做磁頭、磁心等）；（磁滯回線窄長(zhǎng)。常用做磁頭、磁心等）；永磁材料永磁材料（磁滯回線寬

4、。常用做永久磁鐵）；（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）；矩磁材料矩磁材料（滯回（滯回 線接近矩形?？捎米鲇洃浽＞€接近矩形?？捎米鲇洃浽D a 軟磁和硬磁材料的磁滯回線 圖b 矩磁材料的磁滯回線 7.3 磁路的概念及磁路的基本定律磁路的概念及磁路的基本定律7.3.1 磁路的概念磁路的概念 典型磁路示意圖 磁路：磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。1u2uis 線圈通入電流后，產(chǎn)線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁生磁通，分主磁通和漏磁通。通。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通鐵心鐵心（導(dǎo)磁性能好（導(dǎo)磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）線圈線圈7.3.2 磁路的基本定律磁路

5、的基本定律一一. 安培環(huán)路定律（全電流律）：安培環(huán)路定律（全電流律）： 磁場(chǎng)中任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分磁場(chǎng)中任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分, ,等等于通過(guò)這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。于通過(guò)這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。HI1I2I3IldH電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合符合右手定則右手定則的，電流取正；的，電流取正；否則取負(fù)。否則取負(fù)。HLNI 在無(wú)分支的均勻磁路在無(wú)分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：磁路磁路長(zhǎng)度長(zhǎng)度L線圈線圈匝數(shù)匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降

6、。稱為磁壓降。NI：稱為磁動(dòng)勢(shì)。稱為磁動(dòng)勢(shì)。一般用一般用 F 表示。表示。F=NIHLNI總磁動(dòng)勢(shì)總磁動(dòng)勢(shì) 在非均勻磁路在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場(chǎng)（磁路的材料或截面積不同，或磁場(chǎng)強(qiáng)度不等）中，強(qiáng)度不等）中，總磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁壓降之和?？偞艅?dòng)勢(shì)等于各段磁壓降之和。00lHIHNI例：例：INl0l對(duì)于均勻磁路對(duì)于均勻磁路 LSLBHLNI磁路中的磁路中的歐姆定律歐姆定律二二. 磁路的歐姆定律：磁路的歐姆定律：則：則： mRLSNIFINSL注：注：由于磁性材料由于磁性材料 是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性 分析，不做定量計(jì)算。分析，不做定量計(jì)

7、算。slRm令：令：Rm 稱為磁阻稱為磁阻7.4 直流磁路直流磁路直流磁路的勵(lì)磁線圈中通入的是直流電流，磁路的磁通勢(shì)和磁通都是恒定的。下面就通過(guò)兩道例題，介紹簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算方法。 例例1 一個(gè)環(huán)形線圈如圖所示，其外徑D186mm，內(nèi)徑D274mm，線圈匝數(shù)N100，勵(lì)磁電流I1.25A。若環(huán)形線圈的心子分別采用鑄鋼、電工鋼片和非磁性材料塑料制成，試分別計(jì)算磁路中的磁通和它們的磁導(dǎo)率。 圖 例1的圖 解解 這是一個(gè)沒(méi)有分支的均勻磁路，已知磁通勢(shì)NI，要求計(jì)算磁通。無(wú)分支磁路是指只有一個(gè)回路的磁路，均勻磁路是指磁路中各處材料相同且質(zhì)地均勻、截面積相等。 這個(gè)問(wèn)題不能直接用磁路的歐姆定律求解。因

8、為對(duì)于磁性材料來(lái)說(shuō)，其磁導(dǎo)率不是常數(shù)，它是隨激勵(lì)電流的大小不同而變化的，現(xiàn)為未知數(shù)，所以磁阻Rm為未知。但是可以應(yīng)用磁路的有關(guān)定律和公式，按如下順序求解： BH，最后再計(jì)算出磁導(dǎo)率。 磁路的平均長(zhǎng)度 1286740.2522DDlmH NIl50025. 025. 1100(A/m)查閱圖7-4可得，當(dāng)H500A/m時(shí)，鑄鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.64T，電工硅鋼片的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1.25T。環(huán)形鐵心的截面積22521228.3()2.83 10 ( )4DDsmmm當(dāng)材料是鑄鋼時(shí)551081. 11083. 264. 0SB(Wb)31028. 150064. 0HB(H/m) 當(dāng)材料是電工硅鋼片時(shí)

9、551054. 31083. 225. 1SB(Wb) 3105 . 250025. 1HB(H/m) 塑料是非磁性樹(shù)料，它的其磁導(dǎo)率是已知的， H/m，所以其磁感應(yīng)強(qiáng)度701044701028. 6500104HB（T） 8541078. 11083. 21028. 6SB(Wb) 如果上述環(huán)形線圈的鐵心由磁性材料做成，且在鐵心上開(kāi)一個(gè)很小的空氣隙，如圖所示（圖中勵(lì)磁線圈略去未畫(huà))，這時(shí)鐵心中的磁通如何改變?圖 包含氣隙的環(huán)形鐵心例題例題2 一線圈,匝數(shù) 1000N,繞在鑄鋼制成的鐵心上,鐵心截面積S=20 2cm鐵心平均長(zhǎng)度cml50,該磁路如圖所示。 欲在鐵心中產(chǎn)生磁通002. 0（2）

10、若在貼心中加入一個(gè)0.2cm的空氣隙,欲保持磁通不變,通入繞組的直流勵(lì)磁電流I=?Wb,應(yīng)在繞組中通入多大的直流勵(lì)磁電流?圖 例2的圖NI解解 本例題是已知磁路中的磁通,求勵(lì)磁電流(磁通勢(shì) ）。（1）當(dāng)磁路完全由鑄鋼制成時(shí)，是均勻磁路。11020002. 04SB（T） 查圖知鑄鋼材料在B=1T時(shí),H =1000A/m5 . 010005 . 01000NHlI(A) (2) 如果磁路由不同材料或者不同截面積的幾段組成,則成為不均勻磁路。現(xiàn)磁路中加入了空氣隙是不均勻磁路。這時(shí)可根據(jù)安培環(huán)路定律，進(jìn)行分段積分，可得計(jì)算磁路的基本公式 2211lHlHNl計(jì)算步驟： B第一，對(duì)于不同截面積的磁路，

11、分別計(jì)算各段的磁感應(yīng)強(qiáng)度。無(wú)分支磁路磁通處處相等。 BH第二，根據(jù)材料的磁化曲線查出與值對(duì)應(yīng)的值。 第三,分別計(jì)算各段的NI值。第四，最后可得 0011lHlHNI7.5 交流磁路與交流鐵心線圈交流磁路與交流鐵心線圈 7.5.1 磁通與電壓的關(guān)系磁通與電壓的關(guān)系：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei1. 電磁關(guān)系電磁關(guān)系i(Ni)u dtdNedtdiLdtdNe電路方程：電路方程：dtdNRieeuulR)()(一般情況下一般情況下 很小很小RudtdNu 交流激勵(lì)交流激勵(lì) 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei的感應(yīng)電勢(shì)的感應(yīng)電勢(shì) 和和 產(chǎn)生產(chǎn)生

12、2.2.電壓電流關(guān)系電壓電流關(guān)系假設(shè)假設(shè)tmsin則則tfNtNummcos2cos最大值最大值mmfN U2有效值有效值mmfNUU44.42dtdNu uLeeimNfU44.4mRIN m一定時(shí)磁動(dòng)勢(shì)一定時(shí)磁動(dòng)勢(shì)IN隨磁阻隨磁阻 的變化而變化。的變化而變化。mR當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓U、頻率、頻率 f 與與線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)N一定時(shí)一定時(shí)， 便便基本不變。根據(jù)磁路歐姆基本不變。根據(jù)磁路歐姆定律定律 ，當(dāng)，當(dāng) m 交流磁路的特點(diǎn)交流磁路的特點(diǎn): :交流磁路交流磁路和電路中的和電路中的恒流源恒流源類似類似交流磁路中：交流磁路中：mRF 固定固定mRF隨隨 變化變化直流電路中：直流電路中：RIUS

13、 IS固定固定U 隨隨 R 變化變化uLeei交流磁路中磁阻交流磁路中磁阻 對(duì)電流的影響對(duì)電流的影響mR 電磁鐵吸合過(guò)程的分析：電磁鐵吸合過(guò)程的分析： 在吸合過(guò)程中若外加電在吸合過(guò)程中若外加電壓不變壓不變, 則則 基本不變?；静蛔儭umRmRIN 電磁鐵吸合前電磁鐵吸合前(氣隙大）氣隙大） 大大 起動(dòng)電流大起動(dòng)電流大 電磁鐵吸合后電磁鐵吸合后(氣隙小）氣隙?。?小小 電流小電流小mR 如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間吸不上，線如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，把線圈燒壞。圈中的電流一直很大，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，把線圈燒壞。 注意：注意：7.5.2 鐵

14、心線圈的功率損耗鐵心線圈的功率損耗鐵損鐵損 PFe:磁滯損耗磁滯損耗: Ph:由于磁滯由于磁滯回線回線,交變磁化產(chǎn)生。交變磁化產(chǎn)生。渦流損耗渦流損耗 Pe:鐵心中感鐵心中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和電流。應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和電流?？朔椒朔椒?1.磁滯損耗磁滯損耗: 選用軟磁材料選用軟磁材料.2.渦流損耗渦流損耗:采用硅鋼片采用硅鋼片,疊加而成疊加而成 銅損銅損 Pcu: 線圈電阻線圈電阻R上的損耗（上的損耗（ ）.2RI鐵心線圈交流電路的有功功率為：鐵心線圈交流電路的有功功率為：FePRIUICOSP27.5.3 交流鐵心線圈的等效電路交流鐵心線圈的等效電路 7.5.3 交流鐵心線圈的等效電路 20IPRFe

15、IQXFe0IUIUXRZ20200本章小結(jié)本章小結(jié)1磁性物質(zhì)的性能 1）磁性物質(zhì)都能被磁化，而非磁性物質(zhì)均不能被磁化。2）磁性物質(zhì)具有磁導(dǎo)率高、磁飽和性、磁滯現(xiàn)象。3）磁性物質(zhì)通常分為軟磁、硬磁、矩磁三大類。2由鐵磁材料組成的閉合通路（中間可含有微小氣隙）稱為磁路，磁通絕大部分集中在磁路內(nèi)。磁路中的磁通勢(shì)、磁壓、磁通和磁阻與電路中的電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流和電阻相對(duì)應(yīng)，磁路的歐姆定律和基爾霍夫定律的表達(dá)式為 mmRF0INHl3簡(jiǎn)單的無(wú)分支直流磁路的計(jì)算分為兩類問(wèn)題：一類是已知磁通求磁動(dòng)勢(shì)，其計(jì)算步驟可歸納為INHlHHHBBSB對(duì)于氣隙直接求解曲線查由根據(jù)已知 另一類問(wèn)題是已知磁通勢(shì)求磁通，通常采用的方法是試探法。RUI mRmmRFmfNU44. 4mR4鐵心線圈按其勵(lì)磁方