第章磁路与铁心线圈课件.ppt

1、 第6章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路返回返回16.1 6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法6.2 6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路 6.3 6.3 变压器变压器6.4 6.4 电磁铁电磁铁目目 录录返回返回2 磁场的特性可用磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强磁感应强度、磁通、磁场强度、磁导率度、磁导率等几个物理量表示等几个物理量表示。一、磁感应强度一、磁感应强度 与与磁场方向相垂直磁场方向相垂直的单位面积上通过的的单位面积上通过的磁通磁通（磁（磁力线），可表示磁场内某点的力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向磁场强弱和方向。SI lFBB的的单位单位：特：特斯拉斯拉

2、（T）1T104Gs 的单位：韦伯的单位：韦伯矢量矢量6.1 6.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法 6.1.1 6.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量3二、磁通二、磁通 磁感应强度磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积S的的乘积乘积，称为称为通过该面积通过该面积的的磁通磁通。如如 磁场内各点的磁感应强度的磁场内各点的磁感应强度的大小相等大小相等，方向相同方向相同，这样的磁场则称为这样的磁场则称为均匀磁场均匀磁场。BS 的单位：的单位：伏伏 秒，通称为韦秒，通称为韦 伯伯 Wb 或麦克斯韦或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx 4三、磁场强度三、磁场强度 磁场强度磁场强度是

3、计算磁场所用的物理量，其大小为是计算磁场所用的物理量，其大小为磁磁感应强度感应强度和和导磁率导磁率之之比比。BHH的单位：安米的单位：安米 的单位：亨米的单位：亨米安培环路定律（全电流定律）：安培环路定律（全电流定律）：磁场中磁场中任何闭合回路任何闭合回路磁场强度的磁场强度的线积分线积分,等于等于通通过这个闭合路径内过这个闭合路径内电流的代数和电流的代数和，即，即矢量矢量5HI1I2I3电流方向和磁场强度的方向电流方向和磁场强度的方向符合符合右手定则右手定则，电流取，电流取正正；否则否则取取负负。IHdl 在在无分支的均匀磁路无分支的均匀磁路（磁（磁路的材料和截面积相同，各路的材料和截面积相同

4、，各处的磁场强度相等）中，如处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可环形线圈，安培环路定律可写成：写成：IxHx6NIIxHlHHdlxxx2xxlNIH其中其中l x2 x是是半径为半径为x的圆周长的圆周长Hx是半径是半径 x 处的处的磁场强度磁场强度FNI即线圈匝数与电流的乘积，称即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势磁通势 单位为安单位为安 培培（A）IxHx在在无分支的均匀磁路无分支的均匀磁路中，中，如环形线圈，安培环如环形线圈，安培环路定律可写成：路定律可写成：7讨论讨论磁场内某一点的磁场强度磁场内某一点的磁场强度H与与 有关吗有关吗？xxxlNIHB 由上两式可知，磁场内某一点的

5、由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大只与电流大小、线圈匝数小、线圈匝数及及该点的几何位置该点的几何位置有关，有关，而与而与 无关无关xxlNIH 真空中的磁导率为常数真空中的磁导率为常数mH/10470四、磁导率四、磁导率 磁导率磁导率 是一个用来表示是一个用来表示磁场媒质磁性磁场媒质磁性和衡量和衡量物质物质导磁能力导磁能力的物理量的物理量。8一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空磁导率和真空磁导率 0 0 的比值，称为的比值，称为该物质的相对磁导率该物质的相对磁导率 r r 0r 或或00BBHHr磁性材料非磁性材料11rr9磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 一、高导磁性一、高导磁性

6、指磁性材料的磁导率很高，指磁性材料的磁导率很高，r r11，使其具有，使其具有被强烈磁化被强烈磁化的特性。的特性。二、磁饱和性二、磁饱和性 当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁化磁场的磁感应强度磁感应强度B BJ J达到饱和值达到饱和值。6.1.2 6.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性10BBB00BJba磁化曲线磁化曲线B和和 与与H的关系的关系B，BHO 注注当

7、有磁性物质存在当有磁性物质存在时时B与与H不成比例，不成比例，与与I也不成比例也不成比例。三、磁滞性三、磁滞性 当铁心线圈中通有当铁心线圈中通有交变电流交变电流（大小和方向都变化）（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，时，铁心就受到交变磁化，电流变化电流变化时，时，B随随H而变化而变化，当当H已减到零值时已减到零值时，但，但B未回到零未回到零，这种磁感应强度滞，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。11BH123456O磁滞回线磁滞回线剩磁：剩磁：当线圈中当线圈中电流减到电流减到零零（H0），铁心在磁化时所），铁心在磁化时所获

8、的磁性还获的磁性还未未完全消失，这完全消失，这时铁心中所时铁心中所保留保留的磁感应强的磁感应强度称为剩磁感应强度度称为剩磁感应强度Br。根据根据磁性能磁性能，磁性材料又可分为，磁性材料又可分为三种三种：软磁材料软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。121u2ui一、磁路一、磁路 线圈线圈通入电流通入电流后，产生磁通，分后，产生磁通，分主磁通主磁通 和和漏磁通漏磁通。线圈线圈铁心铁

9、心6.1.3 6.1.3 磁路的分析方法磁路的分析方法13二、磁路的欧姆定律二、磁路的欧姆定律对于环形线圈对于环形线圈lSlBHlNIRmFSlNI磁路的磁路的欧姆定律欧姆定律说明说明F=NI为磁通势为磁通势 Rm为磁阻为磁阻l为磁路的平均长度为磁路的平均长度 S为磁路的截面积为磁路的截面积14INR+_EIU磁路与电路对照磁路与电路对照磁路磁路电路电路磁通势磁通势F电动势电动势E磁通磁通 电流电流I磁感应强度磁感应强度B电流密度电流密度J磁阻磁阻Rm电阻电阻RSlRmSlR15三、磁路的计算三、磁路的计算 在计算电机、电器等的磁路时，要在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心预先给定铁心中

10、中的的磁通磁通（或磁感应强度），而后按照所给的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势磁通势FNI（或励磁电流（或励磁电流I I）。）。计算均匀磁路要用磁场强度计算均匀磁路要用磁场强度H，即即NIHl，如果磁路由不同的材料、长度和截面积的几段如果磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成：组成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成：NIH1 l1H2 l2（H l）16如如：由三段串联而成的由三段串联而成的 继电器磁路继电器磁路Il1S2S1l1 1 2 0 l217解解磁路的

11、平均长度为磁路的平均长度为 l（1015）2）39.2cm查铸钢的磁化曲线查铸钢的磁化曲线，当当B0.9T 时时，H1500Am于是于是 H1 l1195A空气隙中的磁场强度为空气隙中的磁场强度为 H0B0 00.9（4 x 107）7.2 x 105A/m有一环形铁心线圈，其内径为有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为外径为15cm，铁铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于0.2cm0.2cm。设线圈中通有。设线圈中通有1A1A电流，如要得到电流，如要得到0.9T0.9T的磁感应的磁感应强度，试求强度，试求线圈匝数线圈匝数。例题例题

12、6.16.118H0 7.2 x 105 x 0.2 x 10-21440A总磁通势为总磁通势为 NI（H l）H1 l1H0 19514401635 A线圈匝数为线圈匝数为 NNII1635 若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的心材料，可使线圈的用铜量用铜量大为大为降低。降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等得到相等的磁通的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用用铁量铁量大为大为降低。降低。当磁路中含有空气隙时，由于其当磁路中含有空气隙时，由于

13、其磁阻较大磁阻较大，要得要得到相等的磁感应强度到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（必须增大励磁电流（线圈匝线圈匝数一定）。数一定）。结论结论196.2 6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路铁心线圈分为两种：铁心线圈分为两种：直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U U下，下，线圈电流线圈电流I I只与线

14、圈的只与线圈的R R有关，有关，P P也只与也只与I I2 2R R有关，有关，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。交流铁心线圈通交流来励磁交流铁心线圈通交流来励磁 （如交流电机、变压器及各种交流电器（如交流电机、变压器及各种交流电器 的线圈）。其电压、电流等关系与直流的线圈）。其电压、电流等关系与直流 不同，下面我们就来讨论之。不同，下面我们就来讨论之。ueeiN铁心如图所示，铁心如图所示，如果在铁心上如果在铁心上绕有绕有N匝线圈，并在线圈两端匝线圈，并在线圈两端加上电压加上电压u，则在线圈中就会，则在线圈中就会产生电流产生电流 i，磁动势，磁

15、动势F=Ni产生产生的磁通绝大多数通过铁心而闭的磁通绝大多数通过铁心而闭合，这部分磁通称为工作磁通合，这部分磁通称为工作磁通。一、电磁关系一、电磁关系ueeiNu)(Nii N dtdNdtde dtdiLdtdNe 式中式中NN=L=Li i中的中的 L L为常数，称为漏电感，为常数，称为漏电感，而而i i与与不存在线性关系，不存在线性关系，即即 L L不是常数。不是常数。0、LiL)(dtdiLeiR ueeiN据据KVLKVL有：有：eeiRu当当V V为正弦时，为正弦时，tUum sin/uuuR)(edtdiLiR 上式中的各量可视作正弦量，于是上式可用相量表示：上式中的各量可视作正

16、弦量，于是上式可用相量表示：dtdiLdtdNe 二、电压电流关系二、电压电流关系/UIjXUUR 设设 则则 tm sin )90sin()90sin(2cos00tEtfNtNdtdNemmm mmfNE 2式中：式中：/)(UjXRI eeiRu)(edtdiLiR 注意：注意：m m无有效值；大写无有效值；大写为瞬时值。为瞬时值。有效值为：有效值为：mmmfNfNEE 44.4222 由于由于R R和和X X很小很小 ，UUR R和和U U与与U U/相比可忽略。相比可忽略。B Bm m为铁心中磁感应强度的最大值，为铁心中磁感应强度的最大值，S S为铁心面积。为铁心面积。EU即即SfN

17、BfNUmm44.444.4/UIjXUUR/)(UjXRI 252 2铁损铁损1 1铜损铜损RIPCu2 ehFePPP 磁滞损耗磁滞损耗 磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：在交流铁心线圈中，功率损耗由两部分组成：eP hP 三、功率损耗三、功率损耗hP 磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。心。硅钢硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。其磁滞损耗较小。nmhhBVfKP 这是一个经验公

18、式。这是一个经验公式。n n的取值范围在的取值范围在1.51.5到到2.52.5之间，一般取之间，一般取2 2。从上式可以看出，从上式可以看出，磁滞损耗与磁滞损耗与磁感应强度磁感应强度的的平方成正比平方成正比，也与，也与频率频率和铁心的和铁心的体积成正比体积成正比。涡流损耗涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗PePei 当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这而且在铁心内也要产生感应电动势和感

19、应电流。这种感应电流称为种感应电流称为涡流涡流，它在垂直于磁通方向的平面，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。内环流着。nmeeBdKVfP22 由此可见由此可见ehFePPP 2mB一般取一般取0.8-1.2T0.8-1.2T。涡流有有害的一面，但在另外一些场合下也涡流有有害的一面，但在另外一些场合下也有有利的一面。对其有害的一面应尽可能地加以有有利的一面。对其有害的一面应尽可能地加以限制，而对其有利的一面则应充分地加以利用。限制，而对其有利的一面则应充分地加以利用。例如，利用涡流的热效应来冶炼金属，利用例如，利用涡流的热效应来冶炼金属，利用涡流和磁场相互作用而产生电磁力的原理来制造涡流和磁场

20、相互作用而产生电磁力的原理来制造感应式仪器、滑差电机及涡流测距器等。感应式仪器、滑差电机及涡流测距器等。又因为又因为SfNBUm44.4当当U U一定时，为什么一定时，为什么N N不能太小？不能太小？从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为P=UIcos=I2R+PFe四、等效电路四、等效电路 铁心线圈交流电路也可用等效电路进行分析，所谓等效电路，就是用一个不含铁心的交流电路来等效代替它。iiuRXuuRu/R0X0等效的条件是：在同样电压作用下，功率、电流及各量之间的相位关系保持不变注意：铁心线圈中的非正弦周期电流已用等效正弦电流代替。这样就使磁路计算

21、的问题 简化为电路计算的问题了。先把铁心线圈的电阻R和感抗X划出，剩下的就成为一个没有电阻和漏磁通的理想铁心线圈电路。等效电路iuRXuuRu/但铁心中仍有但铁心中仍有能量的损耗和能量的储放能量的损耗和能量的储放。因此可将。因此可将这个理想的铁心线圈交流电路用具有这个理想的铁心线圈交流电路用具有电阻电阻R0和感抗和感抗X0的一段电的一段电路来等效代替路来等效代替。其电路如图所示。其电路如图所示。iuRXuuRu/R0X0其中电阻其中电阻R R0 0是和铁心中能量损耗（铁损）相应的是和铁心中能量损耗（铁损）相应的等效电阻，其值为等效电阻，其值为2Fe0IPR感抗感抗X X0 0是和是和铁心中能量

22、的储放（与电源发铁心中能量的储放（与电源发生能量互换）相应的等效感抗，其值为生能量互换）相应的等效感抗，其值为2Fe0IQX 等效电路的阻抗模为等效电路的阻抗模为IUXR|Z|20200iuRXuuRu/例：例：有一交流铁心线圈，电源电压有一交流铁心线圈，电源电压U=220VU=220V，电路中，电路中电流电流I=4AI=4A，功率表读数，功率表读数P=100WP=100W，频率，频率f=50Hzf=50Hz,漏磁漏磁通和线圈上的电压降可忽略不计，通和线圈上的电压降可忽略不计，试求（试求（1 1）铁心线圈的功率因数）铁心线圈的功率因数 （2 2）铁心线圈的等效电阻和感抗）铁心线圈的等效电阻和感抗 解：解：（1 1）114.04220100UIPcos（2 2）铁心线圈的等效阻抗为）铁心线圈的等效阻抗为554220/IUZ等效电阻和感抗分别为等效电阻和感抗分别为0220/R25.64100IPRRR 0222/2/0/X6.5425.655RZXXX 作业：作业：P197习题习题6.1.435