第11章 磁路與鐵心線圈

第11章

磁路和鐵芯線圈電路

11.1

磁路及基本物理量11.2交流鐵芯線圈11.3電磁鐵磁路的基本知識交流鐵芯線圈電路加以分析電磁鐵本章重點11.1磁路及基本物理量1）

磁路概念主磁通漏磁通由交流電流勵磁的磁路叫交流磁路

用于產(chǎn)生磁通的電流

通過勵磁電流的線圈稱為勵磁線圈或勵磁繞組

由直流電流勵磁的磁路叫直流磁路主要由鐵磁物質(zhì)所組成的，能使絕大部分磁通通過的路徑稱為磁路磁路勵磁電流勵磁繞組直流磁路

交流磁路

2）

磁路的主要物理量1.磁感應(yīng)強度B磁感應(yīng)強度B是表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱和方向的物理量，它是一個矢。磁感應(yīng)強度B的單位為特斯拉（T），簡稱特。2.磁通Ф在均勻磁場中，磁感應(yīng)強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通Ф?；虼磐ǖ膯挝皇琼f伯（Wb），簡稱韋。磁感應(yīng)強度B在數(shù)值上等于與磁場方向垂直的單位面積上通過的磁通，所以磁感應(yīng)強度又稱為磁通密度。3.磁導(dǎo)率μ

磁導(dǎo)率μ是用來表征物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，它的單位是H/m（亨/米）。實驗測出，真空（或空氣）的磁導(dǎo)率是一個常數(shù)，為其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空的磁導(dǎo)率μ0的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率μr4.磁場強度H

磁場強度H是一個矢量，反映的是電流產(chǎn)生的磁場中某點磁場的強弱和方向，而與磁場中有無磁介質(zhì)無關(guān)。故定義為

或單位是安/米（A/m）。11.2鐵磁材料的磁性能

根據(jù)導(dǎo)磁性能的好壞，自然界的物質(zhì)可分為兩大類。一類稱為鐵磁材料，如鐵、鋼、鎳、鈷等，這類材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率μ值大，可以被強烈磁化；另一類為非鐵磁材料，如銅、鋁、紙、空氣等，此類材料的導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率μ≈μ0，基本上不具有磁化的特性。

鐵磁材料應(yīng)用：鐵磁材料是制造變壓器、電機、電器等各種電工設(shè)備的主要材料，鐵磁材料的磁性能對電磁器件的性能和工件狀態(tài)有很大的影響。鐵磁材料的磁性能主要體現(xiàn)為高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。1）高導(dǎo)磁性鐵磁材料具有很強的導(dǎo)磁能力，在外磁場的作用下，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強度會大大增強，相對磁導(dǎo)率μr可達(dá)102～104的數(shù)量級。這是因為在鐵磁材料的內(nèi)部存在許多磁化小區(qū)，稱為磁疇，在沒有外磁場作用時，這些磁疇無規(guī)則排列，磁場相互抵消，對外不顯示磁性。如圖(a)所示。在一定強度的外磁場作用下，鐵磁材料內(nèi)部的磁疇將順著外磁場的方向轉(zhuǎn)向；當(dāng)外磁場逐漸增強，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外磁場相同的方向，產(chǎn)生一個與外磁場同方向的附加磁場，使鐵磁物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強度大大增強，如圖(b)所示，這種現(xiàn)象稱為磁化。非鐵磁材料由于其內(nèi)部不存在磁疇結(jié)構(gòu)，所以不具有磁化特性2）磁飽和性鐵磁材料由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場增強而無限地增強，當(dāng)外磁場增強到一定數(shù)值時，磁化磁場的磁感應(yīng)強度幾乎不再增加，這種現(xiàn)象稱為磁飽和現(xiàn)象。這是由于鐵磁材料內(nèi)部的磁疇已經(jīng)全部轉(zhuǎn)向與外磁場相同的方向，鐵磁材料的磁化過程可由B-H曲線描述，稱為鐵磁材料的磁化曲線。磁化曲線大致上可分為四段，其中oa段的磁感應(yīng)強度B隨磁場強度H增加較慢；ab段的磁感應(yīng)強度B隨磁場強度H幾乎成正比地增加；b點以后，B隨H的增加速度又減慢下來，逐漸趨于飽和；過了c點以后，其磁化曲線近似于直線，且與真空或非鐵磁物質(zhì)的磁化曲線B0=f（H）平行。工程上稱a點為附點，稱b點為膝點，c點為飽和點。鐵磁材料的B與H的關(guān)系是非線性的，由B=μH的關(guān)系可知，其磁導(dǎo)率μ的數(shù)值將隨磁場強度H的變化而改變，鐵磁材料在磁化起始的oa段和進入飽和以后，μ值均不大，在膝點b的附近μ達(dá)到最大值。所以電氣工程上通常要求鐵材料工作在膝點附近。非磁性材料不具備磁化的性質(zhì)，μ0是常數(shù)，磁化曲線見圖中的B0=f(H)。3）磁滯性當(dāng)鐵心線圈中通有交變電流時，鐵心受到交變磁化。矯頑磁力剩磁在鐵磁材料反復(fù)磁化的過程中，磁感應(yīng)強度的變化總是落后于磁場強度的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象，圖中所示的封閉曲線稱為磁滯回線。

鐵磁材料按其磁性能又可分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料三種類型，如圖所示。剩磁和矯頑磁力較小，磁滯回線較窄，磁導(dǎo)率高，所包圍的面積較小。它既容易磁化，又容易退磁，一般用于有交變磁場的場合，如用來制造鎮(zhèn)流器、變壓器、電動機以及各種中、高頻電磁元件的鐵心等。軟磁材料剩磁和矯頑磁力較大，磁滯回線較寬，所包圍的面積較大，適用于制作永久磁鐵，如揚聲器、耳機、電話機、錄音機以及各種磁電式儀表中的永久磁鐵都是由硬磁材料制成的。硬磁材料磁滯回線近似于矩形，具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，接近飽和磁感應(yīng)強度，穩(wěn)定性好。但由于矯頑磁力較小，易于翻轉(zhuǎn)，常在計算機和控制系統(tǒng)中作記憶元件和開關(guān)元件。矩磁材料11.3磁路的基本定律

對于磁場中任意封閉曲面，進入該封閉曲面的磁通等于穿出該封閉曲面的磁通，則有磁路的基爾霍夫第一定律全電流定律的數(shù)學(xué)表示式為根據(jù)全電流定律稱為磁位差，用表示，即

由于勵磁繞組為N匝，有N個電流I穿過磁力線所圍曲面，故故因稱為鐵心中的磁阻稱為空氣隙中的磁阻

IN為產(chǎn)生磁通的磁化力，稱為磁動勢，用Fm表示可知

磁路的基爾霍夫第二定律如磁路由幾段串聯(lián)組成，則磁路的歐姆定律【例11-1】一空心環(huán)形螺旋線圈，其平均長度為30cm，橫截面積為10cm2，匝數(shù)等于103匝，線圈中電流為10A，求線圈磁阻，磁動勢及磁通。解：

11.4交流鐵心線圈的電路模型交流鐵心線圈由交流電來勵磁，產(chǎn)生的磁通是交變的，其電磁關(guān)系、電壓電流關(guān)系以及功率損耗等方面與直流鐵心線圈不同，其分析計算要復(fù)雜得多。鐵心線圈是把導(dǎo)線纏繞在由鐵磁材料加工而成的具有一定形狀的骨架上而構(gòu)成的。直流鐵心線圈由直流電來勵磁，產(chǎn)生的磁通是恒定的，線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，線圈中的電流由外加電壓和線圈本身的電阻決定，功率損耗也只有線圈電阻上的損耗，分析比較簡單。交流鐵心線圈鐵心線圈直流鐵心線圈1)交流鐵芯線圈的電磁關(guān)系由基爾霍夫電壓定律，可得設(shè)主磁通

則其中是主電動勢e的幅值，其有效值為故可見，外加電壓的相位超前于鐵心中磁通90°，而外加電壓的有效值當(dāng)線圈匝數(shù)N、外加電壓U和頻率f都一定時，鐵心中的磁通最大值將基本保持不變

結(jié)論：2)交流鐵心線圈電路的功率損耗在交流鐵心線圈電路中，除了在線圈電阻上有功率損耗外，鐵心中也會有功率損耗。交流鐵心線圈的功率損耗銅損PCu鐵損PFe：鐵心中損耗的功率：線圈上損耗的功率鐵損PFe渦流損耗Pe磁滯損耗Ph：由磁滯現(xiàn)象所引起的損耗：由渦流所引起的損耗交流鐵心線圈的功率損耗為在直流磁路的鐵心中，因磁通是恒定的，故不存在鐵損耗【例】某鐵心線圈，加10V直流電壓時，電流為1A；加220V交流電壓時，電流為2A，且消耗功率為188W。試求加220V交流電壓時鐵心線圈的PCu、PFe及解：設(shè)鐵心