链接五：磁路欧姆定律

链接五：磁路欧姆定律一磁路的基本概念在电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。因为很多电工设备与电路和磁路都有关系，如电动机、变压器、电磁铁及电工测量仪表等。而磁路问题与磁场有关，与磁介质有关，磁场又往往与电流和电路相关联，所以下面我们研究磁路和电路的关系。在电气设备中为了得到较强的磁场，通常利用磁导率很高的铁磁材料把电流产生的磁通集中在铁心这个限定的空间内。这种集中的磁通所经过的路径称为磁路。如图3—11所示为几种电气设备的磁路。其中图3—11（a）中变压器的磁路是双回路方形磁路；图3—11（b）中电磁铁的磁路是单回路磁路，回路中有一小段空气隙；而图3—11（c）中是磁电式仪表的磁路，回路中有两小段空气隙。线圈绕在由铁磁材料制成的铁心上，线圈通以电流，便产生磁通，故此线圈称为励磁线圈。线圈中的电流称为励磁电流。磁路的几何形状决定于铁心的形状和励磁线圈在铁心上安置位置。图3—11几种电气设备的磁路励磁线圈通过励磁电流会产生磁通，通过实验发现，线圈匝数越多，励磁电流越大，产生的磁通也就越多。我们把励磁电流I和线圈匝数N的乘积称为磁动势，单位是安（A），用F表示，即FNI(3—18)磁阻mR表示磁介质对磁通的阻碍作用的大小。磁介质的磁导率越大，横截面S越大，则对磁通量的阻碍作用越小；而磁路L越长，对磁路的阻碍作用越大。mLRS（3—19）二磁路欧姆定律(a)(b)(c)为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径——磁路。磁路和电路在分析思路上基本一致，所以我们在分析磁路时，可以将全电路欧姆定律应用到磁路中来。一个磁路中的磁阻等于磁动势与磁通量的比值。这个定义可以表示为：mFR（3—20）即磁路中的磁通Φ等于作用在该磁路上的磁动势F除以磁路的磁阻mR，这就是磁路的欧姆定律。比较上两式可得mmFFSRLR（3—21）磁通量总是形成一个闭合回路，但路径与周围物质的磁阻有关。它总是集中于磁阻最小的路径。空气和真空的磁阻较大，而容易磁化的物质，例如软铁，则磁阻较低。如图3—12所示图3—12直流磁路磁路和电路有很多相似之处：如磁路中的磁通由磁动势产生，而电路中的电流由电动势产生；磁路中有磁阻，它使磁路对磁通起阻碍作用，而电路中有电阻，它使电路对电流起阻碍作用；磁阻与磁导率、磁路截面成反比，与磁路长度成正比，而电阻也与电导率导线截面成反比，与电路长度成正比。它们之间的对应关系如表3—2表3—2电路欧姆定律与磁路欧姆定律比较如下：磁路电路磁路电路磁动势F电动势E磁阻R=l/S电阻R=E/I磁通Φ电流I磁通电流链接六：交直流电磁铁NImRFREI电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。工作原理是用用电电磁磁铁铁衔衔铁铁的的动动作作带带动动其其他他机机械械装装置置运运动动，，产产生生机机械械连连动动，，实实现现控控制制要要求求。。根根据据使使用用电电源源类类型型分分为为直直流流电电磁磁铁铁和和交交流流电电磁磁铁铁。。直直流流电电磁磁铁铁用用直直流流电电源源励励磁磁；；交交流流电电磁磁铁铁用用交交流流电电源源励励磁磁。。直直流流电电磁磁铁铁的的磁磁通通不不变变，，无无铁铁损损，，铁铁心心用用整整块块软软钢钢制制成成；；交交流流电电磁磁铁铁中中，，为为了了减减少少铁铁耗耗，，铁铁心心由由钢钢片片叠叠成成。。常见电磁铁的结构型式如图3—13所示图3—13电磁铁的结构线圈可分为空心线圈和铁芯线圈，由于空气的磁导率较小，所以空心线圈是一种电感量不大的线性电感元件。在电气工程上，为了获得较大的电感量，常在线圈中插入铁芯，这种线圈称为铁芯线圈。铁芯线圈可分为直流铁芯线圈和交流铁芯线圈。一一、、直直流流电电磁磁铁铁（（一一））．．直直流流铁铁心心线线圈圈电电路路直流铁芯线圈较为简单，因为直流铁芯线圈中通过直流电来励磁，产生的磁通是恒定的，在铁芯中不会产生感应电动势，因此，励磁电流的大小仅由线圈两端电压及线圈电阻所决定。功率损耗也只与电流和电阻有关。（二）．直直流流电电磁磁铁铁的的优优点点直直流流电电磁磁铁铁有有许许多多优优点点，，它它的的磁磁性性有有无无可可以以由由通通断断电电来来控控制制，，磁磁性性强强弱弱可可以以由由电电流流的的大大小小来来控控制制，，磁极的极性由电流的方向控制，在线圈中插入铁心，使电磁铁的磁性大大增强。在电流一定时，线圈的匝数越多，磁性越强。直流电磁铁的铁心由整块软铁制成，电磁吸力为（3—22）吸合过程中电流不变，磁通增大，吸力也增大。二、交流电磁铁在交流铁芯线圈中，线圈中通过交流电来励磁的，由于磁通是交变的，除了线圈内阻的功率损耗外，还有在铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，这些损耗是通过电磁耦合关系从线圈的电路中转换来的，它会影响线圈中的电流。下面我们简单介绍交流线圈中的这两种损耗。（一）．磁滞损耗在铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴，每个磁畴就像一块小磁铁。在无外磁场作用时，各个磁畴排列混乱，对外不显示磁性。在外磁场的作用下，磁畴逐渐转向外磁场的方向，呈有规则的排列，显示出很强的磁性，这就是铁磁材料的磁化现象。非铁磁材料没励磁线圈铁心衔铁励磁线圈衔铁铁心铁心励磁线圈衔铁衔铁铁心铁心励磁线圈72108FS有磁畴结构，所以不具有磁化特性。当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，其内部所有的磁畴已基本上均转向与外磁场方向一致的方向上，因而再增大励磁电流其磁性也不能继续增强，这就是铁磁材料的磁饱和性。铁磁材料的磁化特性可用磁化曲线即B=f(H)曲线来表示，如图3—14(a)中的曲线所示。①它不是直线，在Oa段，B随H线性增大；在ab段，B增大缓慢，开始进入饱和；b点以后，B基本不变，为饱和状态。铁磁性材料的μ不是常数，如图3—14(a)中的曲线②所示。非磁性材料的磁化曲线是通过坐标原点的直线，如图3—14(a)中的曲线③所示。（a）磁化曲线(b)铁磁材料磁滞回线图3—14磁化曲线和磁滞回线实际工作时，如果铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，则磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为铁磁材料的磁滞现象，磁滞回线如图3—14(b)所示。由图可见，当H减小时，B也随之减小，但当H=0时，B并未回到零值，而是B=Br，Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。若要使B=0，则应使铁磁材料反向磁化，即使磁场强度为-Hc。Hc称为矫顽磁力，它表示铁磁材料反抗退磁的能力。在交流磁场中，铁芯被反复磁化，磁性材料内部的磁畴反复取向排列产生功率损耗，并使铁芯发热，这种损耗就是磁滞损耗。可以证明，在交流电的频率一定时，磁滞损耗与铁心磁感应强度最大值的平方成正比，即磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。用硅钢片叠成的铁芯，磁滞回线所包围的面积越小，磁滞损耗就越小。（二）、涡流损耗磁性材料的铁芯既能导磁又能导电，当铁芯中有交变的磁通穿过时，在铁芯中也会产生绕着铁心中心线呈漩涡状流动的感应电流，称之为涡流。如图3—15（a）所示，涡流的存在使铁心发热，造成功率损耗，这种损耗称为涡流损耗。ii(a)ii(b)OBab123B＝f(H)＝f(H)B0＝f(H)H－BrO－HcHcHBr图3—15涡流为了减小涡流损耗，交流磁路的铁心用很薄的（约0.35mm左右）涂有绝缘叠压而成如图3—15（b）所示，使涡流只能在每片很小的截面内流动，加长了流通路径，再加上铁心的电阻很大，从而大大减小了涡流和涡流损耗。交流电磁铁的铁心由硅钢片叠成，并装有短路环以减弱振动，交流电磁铁的励磁电流是交变的，它所产生的磁场也是交变的，因此电磁力的大小也是交变的。设电磁铁空气隙处的磁通为Φ=Φmsinωt，交流电磁铁的电磁吸力为式中为电磁吸力的最大值。图3—16脉动的电磁吸力由上式可知，交流电磁铁的电磁吸力是脉动的，图3—16为电磁吸力的瞬时值曲线，其平均值为（3—23）根据前面的分析，在外加电源电压一定的条件下，交流磁路中磁通的最大值基本不变，且。因此，交流电磁铁在吸合衔铁的过程中，电磁吸力的平均值也基本不变。但随着气隙的减小以至消失，磁路的磁阻显著减小，磁动势IN也必然减小，所以吸合后的励磁电流要比吸合前显著减小。也就是说，交流电磁铁吸合前的励磁电流要比吸合后的励磁电流大得多。因此，交流电磁铁在工作时衔铁和铁心之间一定要吸合好，否则线圈中会因长期通过较大的电流而过热烧毁。另外，交流电磁铁也不宜过分频繁操作。11cos222mmfFFt27108mmFSfFmF02t27110216mmFFS4.44mUNf