磁路與鐵芯線圈電路

關于磁路與鐵芯線圈電路第1頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.1磁場的基本物理量和基本定律1．磁感應強度B任何磁體都有兩個磁性最強的區(qū)域磁體具有磁性的物體磁極指向地球北極的磁極，用N表示在無外力阻礙下，其中指向地球南極的磁極，用S表示南極北極第2頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁場

------磁體周圍存在磁力作用的空間它可看成一種傳遞磁力作用的特殊物質，磁場是有強弱和方向的磁場方向在磁場中某點處放一個能自由轉動的小磁針，小磁針靜止時N極所指的方向第3頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五圖10-2條形磁體的磁感線第4頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁感線特征(1)磁感線上任意一點的切線方向，就是該點的磁場方向。(2)磁感線是互不交叉的閉合曲線。在磁體外部由N極指向S極，在磁體內部由S極指向N極，如圖10-2所示。(3)磁感線的疏密程度反映了磁場的強弱。磁感線越密表示磁場越強，越疏表示磁場越弱。第5頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁感應強度磁感應強度(磁通密度)---垂直通過單位面積的磁感線的多少B=Φ/S在均勻磁場中，磁通Φ的單位為Wb，稱為韋伯；面積的單位為m2；磁感應強度B的單位是T，稱為特斯拉，簡稱特。第6頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁感應強度B是個矢量。

B不但表示了某點磁場的強弱，而且還能表示出該點磁場的方向。某點磁感應強度B的方向磁感線上該點的切線方向就是該點。B的大小可以用特斯拉計進行測量。第7頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五均勻磁場

------各點的磁感應強度的大小和方向相同的磁場。均勻磁場中的磁感線在均勻磁場中，磁感線是等距離的平行直線第8頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五平面上如何表示B的方向“×”表示B的方向是垂直進入紙面“·”表示垂直從紙面出來第9頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2．磁通及磁通連續(xù)性原理磁通Φ----通過與磁場方向垂直的某一面積上的磁感線的總數(shù)用磁通量化磁場在一定面積上的分布情況。Φ=∫BdS第10頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁通的連續(xù)性磁通連續(xù)性即穿過任意閉合面上的磁通恒等于零，即Φ=∮B.dS=0磁通的連續(xù)性可以這樣來理解，即穿進某一閉合面的磁通，恒等于穿出此面的磁通。由于磁通的連續(xù)性，可知磁感應線總是閉合曲線第11頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五3．磁導率

用來表示媒介質導磁性能的物理量用字母μ表示，其單位名稱是亨利每米，簡稱亨每米，用符號H/m表示。由實驗測得真空中的磁導率μ0=4π×10-7H/m，為一常數(shù)。第12頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五相對磁導率μr----任一物質的磁導率與真空的磁導率的比值，即μr=μ/μ0

式中μr---相對磁導率；

μ---任一物質的磁導率；

μ0---真空的磁導率。表明在其他條件相同的情況下，媒介質中的磁感應強度是真空中磁感應強度的多少倍。第13頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五順磁物質

μr稍大于1。如空氣、鋁、鉻、鉑等。反磁物質

μr稍小于1。如氫、銅等。順磁物質與反磁物質一般被稱為非磁性材料。鐵磁物質

μr遠大于1。如鐵、鈷、鎳、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體等第14頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五4．磁場強度及全電流定律

B0=μ0NI/LB0——通電線圈在真空中的磁感應強度，T；μ0——真空的磁導率，H/m；N——圓環(huán)線圈的匝數(shù)；L——圓環(huán)的平均長度，m；I——線圈中的電流，A。第15頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五將圓環(huán)線圈放入相對磁導率為μr的媒介質，B=μrμ0NI/L≈μNI/L磁場中某點的磁感應強度B與媒介質磁導率μ的比值磁場強度HH=B/μ單位為安培每米，簡稱安每米，用符號A／m表示場強度是矢量，在均勻媒介質中，它的方向和磁感應強度的方向一致第16頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.2鐵磁物質的磁化

10.1.1鐵磁性物質的磁化鐵磁物質會在外加磁場的作用下,產生一個與外磁場同方向的附加磁場,這種現(xiàn)象叫做磁化。第17頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.1.2磁化曲線磁化曲線是鐵磁性物質的磁感應強度B與外磁場的磁場強度H之間的關系曲線,所以又叫B-H曲線。第18頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五起始磁化曲線第19頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五1.起始磁化曲線(1)oa段----曲線上升緩慢

(2)ab段----B幾乎是直線L升（3）bc段----B的上升緩慢，形成曲線的膝部（4）c點以后----B幾乎不再上升，此段稱為飽和段由圖可見μ不是常數(shù)，因為μ=B／H，在H變化過程中．B跟著變化在實際使用鐵磁材料時，可根據(jù)不同要求選擇合適的μ值范圍。μ1稱為起始磁導率。第20頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2.磁滯回線圖10-8磁化原理圖10-9磁滯回線利用圖10-8所示磁化裝置反復磁化鐵磁材料后，鐵磁材料上可得到如圖10-9所示的磁滯回線。第21頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五鐵磁性物質的分類不同鐵磁材料的磁滯回線

軟磁硬磁矩磁第22頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五幾種常用鐵磁材料的基本磁化曲線第23頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.3磁路和磁路定律1磁路

用鐵磁性材料制成一個導磁路徑，常稱為鐵心。將通電線圈繞在鐵心上，這樣由鐵磁性材料所構成的（包括必須有的氣隙在內）通過磁通的路徑即為磁路。第24頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五（a）磁電式儀表的磁路 （b）心式變壓器的磁路第25頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五主磁通、漏磁通和邊緣效應主磁通全部在磁路中閉合的磁通漏磁通不是全部在磁路中閉合的磁通第26頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五第27頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五第28頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2磁路定律1）磁路的歐姆定律

（a）無分支磁路（b）等效磁路第29頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五磁動勢Fm=NLRm=L/μS當磁路的長度和鐵心截面積已確定時，為了減小磁動勢，應盡量選用高磁導率的鐵磁材料做鐵心．而且盡可能縮短磁路中不必要的氣隙長度。第30頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五1.基爾霍夫磁通定律第31頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2.基爾霍夫磁壓定律圖10—16鐵磁性物質和氣隙構成的磁路第32頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.4恒定磁通磁路的計算一類是已知磁通求磁動勢；另一類是已知磁動勢求磁通

1．已知磁通求磁動勢

(1)按照磁路的材料和截面不同進行分段,把材料和截面相同的算作一段。

(2)根據(jù)磁路尺寸計算出各段截面積S和平均長度l。第33頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五

空氣隙有效面積計算(a)矩形截面；(b)圓形截面第34頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五(3)由已知磁通Φ,算出各段磁路的磁感應強度B=Φ/S。(4)根據(jù)每一段的磁感應強度求磁場強度,對于鐵磁材料可查基本磁化曲線。對于空氣隙可用以下公式:(5)計算各段磁路的磁壓Um（=HL）。

(6)根據(jù)基爾霍夫磁壓定律,求出所需的磁通勢。第35頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五例10-1圖10-18為一無分支磁路，鐵心線圈有200匝。磁路尺寸如圖所示。磁路用0.35mm厚D-41硅鋼片疊成，疊裝系數(shù)k為0.91。若要在此磁路內建立Φ=30×10-4Wb的磁通，求所需線圈電流值。圖10-18無分支磁路第36頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五

解：將該無分支磁路按材料和截面不同分為三段，其各段平均磁路長度為L0、L1、L2。則：

L0=5mm=0.5cmL1=(240-40/2-40/2-5)mm=19.5cmL2=［（240-40/2-40/2)+2（180-40/2-50/2)］

=47cm磁路的疊裝厚度為：

b=55mm=5.5cm第37頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五各段截面的有效面積S計算如下：S0=(5+0.5)×(5.5+0.5)cm2=33cm2S1=0.91×5×5.5cm2=25cm2S2=0.91×4×5.5cm2=20cm2各段截面中磁通密度B計算如下：B0=Φ/S0=30×10-4/(33×10-4)T=0.909TB1=Φ/S1=30×10-4/(25×10-4)T=1.2TB2=Φ/S2=30×10-4/(20×10-4)T=1.5T第38頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五根據(jù)D-41電工硅鋼片磁化數(shù)據(jù)表，鐵心中各段對應的磁場強度為：

H1=2.85A/cm,H2=9.96A/cm空氣隙中磁場強度H0按（10-13）式計算H0≈0.8×106B0=0.8×106×0.909=727000A/m即H0=727000A/m=7270A/cm。第39頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五總的磁動勢等于各段磁壓之和，即：NI=H0L0+H1L1+H2L2=(7270×0.5+2.85×19.5+9.96×47)A=4160A所以線圈電流I為

I=∑HL/N=4160/200A=20.8A第40頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2．已知磁動勢求磁通（1）先設定一磁通值，然后按照已知磁通求磁動勢的計算步驟求出所需的磁動勢。對于含有氣隙的磁路，在計算時可先用給定的磁動勢除以氣隙磁阻得出磁通的上限值。

Φ≈NIS0/(0.8L0×10-6)A/m

并估出一個比此上限值小一些的磁通值進行第一次試算第41頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五（2）把計算所得磁動勢與已知磁動勢加以比較，如果二者不符合，再將Φ值進行修正，直到所算得的磁動勢與給定磁動勢相近。也可根據(jù)計算結果作出F—Φ曲線，根據(jù)這一曲線便可由給定的磁動勢找出相應的磁通。第42頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五例10—2上例10—1中如線圈中的電流I=16.5A，求磁路中的磁通。解：應用試算法，先利用氣隙磁阻作一估算，得：Φ≈NIS0/(0.8L0×10-6)A/m=200×16.5×33×10-40.80.5/(0.8×0.5×10-2)×10-6A/m=27.2×10-4A/m第43頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五考慮鐵心磁阻的影響，實際磁通初選為Φ=27×10-4Wb在第三次計算后，誤差已很小，可以認為當I=16.5A時，Φ=25.6×10-4Wb第44頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五二、對稱分支磁路的計算把中間的鐵心柱剖成兩半，取其中一半來計算即可。應當注意，剖開后中間心柱的面積縮小一半，磁通也減為原來的一半，但磁通密度和磁動勢卻保持不變第45頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五例10-2由鑄鋼制成的對稱分支磁路示于圖例10-19（a）中，具體磁路尺寸如圖所示。當已知左邊鐵心中的磁通Φ1=7.5×10-4Wb時，求產生此磁通所需要的磁動勢。圖10—19a鑄鋼對稱分支磁路第46頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五解：這是一個由已知磁通求磁動勢的磁路計算，由于兩個分支磁路是對稱的，可把中間的鐵心柱剖開，并取其中一半當作無分支磁路來計算，示于圖10-19b中圖10—19b無分支磁路第47頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五剖開后磁路的截面積變?yōu)樘幪幭嗤渲禐椋?/p>

S=（3×3cm2=9cm2磁路平均長度應取化為無分支磁路后的中心線長度

L=（6+3）×4cm=36cm則磁感應強度：

B=Φ1/S=7.5×10-4/9×10-4=0.833T查鑄鋼磁化數(shù)據(jù)表得對應磁場強度H=7.27A/cm，故所需磁動勢為：

F=H.L=7.27×36A=262A第48頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.5交流鐵芯線圈1交流鐵心線圈的電磁關系電壓為正弦量

圖9.14交流鐵芯線圈各電磁量參考方向第49頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五

設Φ(t)=Φmsinωt,則有第50頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五用相量表示則為

E=-j4.44πfNΦm

有效值

U≈E=4.44πfNΦm

式中，U的單位為伏（V），f的單位為赫茲（Hz），Φm的單位為韋伯（Wb）。上式表明，在忽略線圈電阻及漏磁通的條件下，當線圈匝數(shù)N、電源頻率f及電源電壓U一定時，主磁通的最大值Φm基本保持不變。第51頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2．交流鐵心線圈的損耗第52頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五1、磁滯損耗△Ph

鐵磁材料交變磁化，由磁滯現(xiàn)象所產生的鐵損1)鐵心中的磁滯損耗與該鐵心磁滯回線所包圍的面積成正比2)勵磁電流頻率f越高，磁滯損耗也越大。3)當電流頻率一定時，磁滯損耗與鐵心磁感應強度最大值的平方成正比。為了減小磁滯損耗，應采用磁滯回線窄小的軟磁材料

第53頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五2、渦流損耗△Pe渦流鐵磁材料不僅有導磁能力，同時也有導電能力，因而在交變磁通的作用下鐵心內將產生感慶電動勢和感應電流，感應電流在垂直于磁通的鐵心平面內圍繞磁感線呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流損耗渦流使鐵心發(fā)熱，其功率損耗稱為渦流損耗第54頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五為了減小渦流損耗，當線圈用于一般工頻交流電時，可將硅鋼片疊成鐵心，這樣將渦流限制在較小的截面內流通渦流損耗與電源頻率的平方及鐵心磁感應強度最大值的平方成正比第55頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五交流鐵心線圈工作時的功率損耗為：△P=△Pcu+△PFe=△Pcu+△Ph+△Pe第56頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五10.6電磁鐵線圈通電后．在它的周圍會產生磁場，如果在線圈內放人軟磁材料做成的鐵心。鐵心被磁化產生磁性。對于電磁鐵來說，勵磁線圈通電后產小的磁通經過鐵心和銜鐵形成閉合磁路．使銜鐵也被磁化，并產生與鐵心不同的異性磁極，從而產生電磁吸力第57頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五直流電磁鐵的電磁吸力

F=（107/8π）B2S交流電磁鐵的最大電磁吸力

Fm=107Φm/8πSΦm—交流磁通幅值若加在交流線圈上電壓U穩(wěn)定時，交流電磁鐵中的磁通幅值Φm≈U/4.44fN不變，交流電磁鐵的平均電磁吸力為最大電磁吸力的一半。即

Fev=Fm/2=107Φm/16πS第58頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五交流電磁鐵中，鐵心是山經過絕緣處理后的多層很薄的硅鋼片疊制而成的直流電磁鐵中，鐵心是用整塊鑄鋼、軟鋼或工程純鐵制成的第59頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五交、直流電磁鐵電磁關系1直流電磁鐵：勵磁電流、磁通、磁感應強度等都是恒定不變的。交流電磁鐵中卻是隨時間不斷交替變化的。因此交流電磁鐵產生的吸力也是交變的，這也就是交流電磁鐵工作時有噪聲的原因。2交流電磁鐵中由于電流交變，因而在交變磁通作用下，鐵心中產牛磁滯損耗．但直流電磁鐵中因電流恒定而沒有上述損耗。第60頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五3直流電磁鐵線圈中的勵磁電流的大小僅決定于線圈端電壓和線圈電阻。而與鐵心與銜鐵之間的氣隙無關。但對于交流電磁鐵卻不同，如果銜鐵在吸合過程中被卡住，此時氣隙較大，總磁阻較大，從而使勵磁電流增大，導致線圈過熱而損壞。使用時若發(fā)現(xiàn)銜鐵被卡住，則應立即切斷電源，排除故障，以免損壞線圈。第61頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五注意：即使額定電壓相同的交、直流電磁鐵也絕不能互換使用第62頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五內容

直流電磁鐵交流電磁鐵鐵芯結構由整塊軟鋼制成,無短路環(huán)由硅鋼片制成,有短路環(huán)吸合過程電流不變,吸力逐漸加大

吸力基本不變,電流減小吸合后無振動有輕微振動吸合不好時線圈不會過熱線圈會過熱,可能燒壞

直流電磁鐵與交流電磁鐵比較

第63頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五

電磁鐵的結構形式(a)馬蹄式；(b)拍合式；(c)螺管式第64頁，共71頁，2022年，5月20日，14點16分，星期五用電磁鐵來制動機床和起重機的電動機當接通電源時，電磁鐵動作而拉開彈簧