磁路及铁芯线圈电路.ppt

4.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。,理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识。2.掌握磁性材料的磁化过程和基本特性3.了解磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；,第6章 磁路及铁心线圈电路,返回目录,本章学习要点及要求,化学工业出版社,返回目录,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-1 磁路和磁路的基本知识,6-2 铁磁性物质及其磁化,6-3 磁路的基本定律,6-5 电磁铁,6-4 交变磁通下的铁损耗,本章小结,化学工业出版社,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-1 磁路和磁路的基本知识,化学工业出版社,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,6-1 磁路和磁路的基本知识,6-1 磁路和磁路的基本知识,一、磁场 磁铁的周围存在着磁场，磁场对处于其中的载流导体和磁针有一定的作用力，即磁场有力的效应。磁场可吸引铁类物质，使其移动做功，也就是说磁场有能量效应。因此磁场是物质的一种形态。,N,S,I,B,右手螺旋定则,永久磁铁的磁场,二、磁感应强度B,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2,均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,6-1 磁路和磁路的基本知识,三、磁通 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中=B S 或 B=/S,磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。,磁通 的单位:韦伯(Wb)1Wb=1Vs,四、磁场强度H 介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比。,磁场强度H的单位：安培/米（A/m),6-1 磁路和磁路的基本知识,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,式中：是磁场强度矢量沿任意闭合 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。,安培环路定律电流正负的规定：,安培环路定律,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 HL=IN,6-1 磁路和磁路的基本知识,例:环形线圈如图，其中媒质是均匀的，试计算线圈内部各点的磁场强度。,解:取磁通作为闭合回线，以 其方向作为回线的围绕方向，则有：,6-1 磁路和磁路的基本知识,线圈匝数与电流的乘积NI，称为磁通势，用字母 F 表示，则有 F=NI 磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安培。,式中：N 线圈匝数；lx=2x是半径为x的圆周长；Hx 半径x处的磁场强度；NI 为线圈匝数与电流的乘积。,故得：,6-1 磁路和磁路的基本知识,真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,五、磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。,相对磁导率 r：任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,6-1 磁路和磁路的基本知识,例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感应强度。,解：半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性()无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,6-1 磁路和磁路的基本知识,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-2 铁磁性物质及其磁化,1.非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：,所以磁通 与产生此磁通的电流 I 成正比，呈线性关系。,当磁场媒质是非磁性材料时，有：,即B 与H 成正比，呈线性关系。,由于,0 r 1,B=0 H,(),(I),一、磁性材料的磁化过程,6-2 铁磁性物质及其磁化,2.磁性物质：磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,磁畴,外磁场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁畴,6-2 铁磁性物质及其磁化,1.高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1(如坡莫合金，其 r 可达 2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,二、磁性材料的磁性能,6-2 铁磁性物质及其磁化,2.磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,6-2 铁磁性物质及其磁化,B-H 磁化曲线的特征：Oa段：B 与H几乎成正比地增加；ab段：B 的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H 而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成正比。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B 和 与H的关系,6-2 铁磁性物质及其磁化,3.磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc：使 B=0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,6-2 铁磁性物质及其磁化,几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,6-2 铁磁性物质及其磁化,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域磁畴。,磁畴是怎么形成的？,显然，磁畴是由分子电流产生的。,6-2 铁磁性物质及其磁化,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-3 磁路的基本定律,磁路的欧姆定律和克希荷夫定律是分析磁路的基本定律,环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。,解：根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为 l，则有,一、引例,6-3 磁路的基本定律,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通；Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。,二、磁路欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则,即有：,此即磁路的欧姆定律。,6-3 磁路的基本定律,磁路与电路的比较,6-3 磁路的基本定律,磁路分析的特点,(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时，不为零；,6-3 磁路的基本定律,6-3 磁路的基本定律,三、磁路克希荷夫定律,1.磁路克希荷夫第一定律,a,b,c,d,e,磁路,由于磁通具有连续性。因此磁路中任意节点的磁通的代数和为零。,在上图中，对节点a：,6-3 磁路的基本定律,2.磁路克希荷夫第二定律 沿任意闭合路径绕行一周，磁压代数和等于磁动势代数和。,当磁通方向与所选磁路绕行方向一致时，该段磁压取正，否则取负；当线圈电流方向与绕行方向满足右手螺旋定则时，磁动势取正，否则取负。上图中，闭合磁路aebcda,若将磁路看成有两段均匀磁路组成，令bcda段长为L1，aeb段长为L2，则,磁压,磁动势,四、磁路的分析计算,主要任务:预先选定磁性材料中的磁通(或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI，确定线圈匝数和励磁电流。,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，由磁路克希荷夫定律有。,即,6-3 磁路的基本定律,基本步骤:（由磁通 求磁通势F=NI）,(1)求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通，故有：,(2)求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f(Hi),求B1，B2，相对应的 H1，H2，。,(3)计算各段磁路的磁压降（Hi li）,(4)根据下式求出磁通势（NI）,6-3 磁路的基本定律,例1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为 45cm，试求：(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电 流;(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,（1）查铸铁材料的磁化曲线，当 B=0.9 T 时，,(2)查硅钢片材料的磁化曲线，当 B=0.9 T 时，,磁场强度 H=9000 A/m，则,磁场强度 H=260 A/m，则,6-3 磁路的基本定律,结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。,6-3 磁路的基本定律,在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁通，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？,如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。,查磁化曲线可得，,分析,B硅钢是B铸铁的17倍。因=BS，如要得到相同的磁通，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。,B铸铁=0.05T、B硅钢=0.9T,结论：如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。,6-3 磁路的基本定律,铸钢铁心的磁场强度，查铸钢的磁化曲线，B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,例2:有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为 5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于 0.2cm。设线圈中通有 1A 的电流，如要得到 0.9T 的磁感应强度，试求线圈匝数。,解:,空气隙的磁场强度,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,6-3 磁路的基本定律,对各段有,总磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。,结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。,6-3 磁路的基本定律,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-4 交变磁通下的铁损耗,一、各电磁量之间的关系,（磁通势）,主磁通：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,i，,铁心线圈的漏磁电感,与i不是线性关系。,6-4 交变磁通下的铁损耗,二、主磁通与感应电动势,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,6-4 交变磁通下的铁损耗,设主磁通 则,有效值,6-4 交变磁通下的铁损耗,由于线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位T；S 是铁心截面积，单位m2。,6-4 交变磁通下的铁损耗,三、涡流损耗与磁滞损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1.铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu=RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。,2.铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,6-4 交变磁通下的铁损耗,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。,6-4 交变磁通下的铁损耗,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,6-4 交变磁通下的铁损耗,第6章 磁路及铁心线圈电路,6-5 电磁铁,6-5 电磁铁,电磁铁是电工技术中广泛使用的一种电磁器件。它利用通电铁芯线圈产生的电磁吸力，使衔铁做功，从而完成电能与磁能的转换。一、直流电磁铁吸力 电磁铁的吸力是它的主要参数之一，吸力大小与气隙的截面积S0及气隙中磁感应强度B0的平方成正比。,F1,F1,F1,F,F,衔铁,衔铁,线圈,线圈,线圈,铁芯,铁芯,铁芯,衔铁,几种常见电磁铁的结构形式,6-5 电磁铁,计算式为：,B0的单位为T，S0的单位为m2，F的单位为N。,直流电磁铁的电流只取决于外加电压与线圈的电阻，与气隙的大小无关。但是铁芯在吸合衔铁过程中，气隙减小，磁场增强，电磁吸力变大。,二、交流电磁铁吸力,交流电磁铁中的磁场是交变磁场。设：,，则吸力为,6-5 电磁铁,式中,是吸力最大值。在计算时只考虑吸力的平均值：,铁芯,衔铁,分磁环,磁极部分端面套分磁环,由上式可知；吸力在零和最大值之间脉动。因此衔铁以两倍电源频率颤动，引起噪声，同时触头容易损坏。为了消除这一现象，可以在磁极的部分端面套上一个分磁环（短路环）。如图所示。由于分磁环中产生感应电流，以阻碍磁场的变化。使磁场中两部分磁通 与 之间产生相位差，因此磁极各部分的,吸力不会同时降为零，这就消除了衔铁的颤动。,6-5 电磁铁,例1：有一磁铁如下图所示，它的铁芯上绕有4000匝线圈，铁芯和衔铁的材料是铸铁。由于存在漏磁，通过衔铁横截面的磁通只有铁芯中磁通的90%。如果衔铁正处在图示位置时，铁芯中的磁感应强度为1.6T，其中S1=S2=810-4m2，L1=30cm，L2=10cm，空气气隙宽度=2mm。试求此时线圈中的电流和电磁铁的吸力。,I,S1,S2,N,L1,L2,解：由磁化线图查出线查出铁芯中的磁感应强度B1=1.6T相应的磁场强度 H1=55102A/m电磁铁铁芯中的磁通=B1S1=1.6810-4=1.2810-3Wb 空气隙的横截面与衔铁的横截面积相等，则空气隙中的磁感应强度和衔铁中的磁感应强度也想等，也就等于,6-5 电磁铁,铁芯中磁通的90%，即 从磁化线图查得衔铁中的磁场强度 H2=33102A/m空气隙的磁场强度电磁铁的磁势 NI=H1L1+H2L2+2H0=551023010-2+3310210 10-2+21.14591060.210-2=6563.6 安匝线圈中的电流 电磁铁的吸力,例2:有一交流铁心线圈，电源电压 U=220 V电路中电流 I=4 A，功率表读数P=100W，频率f=50Hz，漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1)铁心线圈的功率因数；（2）铁心线圈的等效电阻和感抗。,解:,(1),(2)铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻为,等效感抗为,6-5 电磁铁,例3:要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U=220 V，频率 f=50Hz，今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91(一般取0.90.93)。（1）如取 Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少?(2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图，B=1.2T时,=700，则,解:,6-5 电磁铁,涡流在铁芯中造成的热量损耗。,思考题,涡流损耗,在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。,涡流对电气设备有何影响？,第6章 磁路及铁心线圈电路,答：根据电流的热效应，涡流通过铁芯将使铁芯发热，严重时会造成设备烧损。,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,第6章 磁路及铁心线圈电路,思考题,由主磁通原理可知，发生机械故障时电源电压和电源频率并没有发生变化，因此磁路中的主磁通应基本维持不变。,一个交流电磁铁，由于机械故障造成通电后不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析原因。,根据磁路欧姆定律：,由式可得：交流电磁铁由于卡住而不能吸合，空气隙增大造成磁路中的磁阻大大增加，而主磁通又要维持不变，因此电流 i 将大大增加，结果使线圈烧损.,第6章 磁路及铁心线圈电路,思考题,铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。铁损不仅造成能量损耗，还可造成电机、电器的铁芯发热，若发热严重时将造成设备绝缘的永久性损坏。,何谓铁损？铁损对电器有何影响？,第6章 磁路及铁心线圈电路,思考题,第6章 磁路及铁心线圈电路,本章小结,本章小结,一、磁场的基本物理量 1.磁感应强度B,单位为特斯拉（T）和高斯（GS），1T=104GS2.磁通=BS或B=/S单位为韦伯（Wb）和麦克斯韦（Mx），1Wb=108Mx3.磁场强度H安培环路定律（又称全电流定律）,对于通电环形线圈磁场有,单位为安培/米（A/m）,本章小结,二、铁磁性物质的磁化 1.磁畴 2.磁性物质能够被磁化 磁化曲线 3.磁饱和性 4.磁滞性 剩磁Br 矫顽磁力HC 磁滞回线 5.三种磁性材料(1)软磁性材料(2)永磁材料(3)矩磁材料 三、磁路的基本定律 1.磁路欧姆定律,磁压,磁动势,2.磁路克希荷夫定律,本章小结,四、交变磁通下的损耗 1.当电源频率不变，线圈匝数固定时，铁芯中的磁通主要由外加电压决定,2.铜损,Pcu=RI2,3.铁损,PFe=Ph+,P e,磁滞损耗,涡流损耗,五、电磁铁1.直流电磁铁,本章小结,2.交流电磁铁,第6章 磁路及铁心线圈电路,第6章结束,