第一章----__直流磁路及其计算.

第一章直流磁路及其计算电磁元件的基本结构均是在铁磁材料构成的磁路上绕有线圈。其工作原理多是基于利用电磁感应原理进行工作的。为了更好地理解这类元件的工作原理及特性，在这一章的开始部分，首先对铁磁物质的基本特性、磁路的基本物理量和基本定律进行简单的介绍，然后再对电磁元件的磁路及其计算进行详细的论述。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征一、基本物理量1.磁感应强度B(国标单位为T)电流产生磁场。位于磁场中的载流导体受到力的作用，可以说明磁场的存在。磁感应强度B是表征磁场强度强弱及方向的一个物理量。磁场中，不同地点的磁感应强度是不同的，为了形象地描绘出磁场中各处磁感应强度及方向的分布情况，可用该处磁力线的多少来表示，即某处并垂直于该处单位面积上的磁力线数反映磁感应强度的数值。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征图1一1为几种形状不同的导体，通入电流后产生磁力线的情况。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征2.磁通量Φ通过某一截面S的磁力线的总数称为磁通量Φ，简称磁通。其定义为:Φ=∫sB-ds（1一1)磁通的单位为Wb若截面S与磁感应强度B垂直且B是各点均匀的，则上式又可写成:Φ＝BS（T.m2）或B=Φ/S(Wb/m2）（1一2)式(1一2)表明，磁感应强度在数值上可以由与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁力线数决定。因此，磁感应强度B又称为磁通密度，简称磁密。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征3.磁场强度H(磁化力）磁场强度也是用来表示磁场中各点磁力大小和方向的一个物理量，与磁感应强度不同的是它的大小与磁场中磁介质的性质无关，仅与产生磁场的电流大小和载流导体的形状有关。磁场强度与磁感应强度之间关系为H=B/µ（1一3）磁场强度H的单位是A/m,µ为磁导率。或：H=NI/LH----磁化力单位为安匝/公分NI----磁势单位为安匝L----磁路长度单位为公分感应电动势的计算：在单匝线圈中，假定磁通量的变动是108马/匝可以产生1伏电势的话，那么：n匝线圈就可以产生n伏电势即：E=NØ/100000000t=NØ/t10-8第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征4.磁导率µ（磁导率的单位是H/m）磁导率µ是用于衡量物质导磁能力的物理量。物质按导磁性能的不同分为铁磁物质（铁、钻、镍及其合金）和非导磁物质（铁磁物质以外的其它物质，如铜、铝、橡胶等各种绝缘材料及空气等）两类。非铁磁物质的磁导率产与真空的磁导率µ。相差很小，工程上通常认为二者相同。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征铁磁物质的磁导率µ要比真空的磁导率µo大很多倍（几百～几万倍不等），因此工程上用铁磁物质做成各种形状的磁路，以便使磁通能集中在选定的空间，以增强磁场。真空（及非铁磁物质）的磁导率µo＝4πX10－７（H/m）。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征二、磁性材料的主要特性1.高导磁性磁性材料（铁、钻、镍及其合金）的磁导率µ是非磁性材料磁导率（≈µo）的几百一几万倍，这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征下面用磁分子学说解释磁性物质为什么具有被磁化的特性。大家知道在物质的分子中由于电子环绕原子核运动和本身自转运动而形成分子电流，分子电流也要产生磁场，每个分子相当于一个基本小磁铁。同时，在物质内部还分成许多小区域，这些小区域称为磁畴。由于磁性物质不同于其它物质，其分子间有一种特殊的作用力。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征在没有励磁电流（或外磁场）的作用时，各个磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外就显示不出磁性来，见图1一2(a)。无外磁场作用磁畴排列混乱第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征有外磁场作用磁畴排列整齐当有励磁电流（或外磁场）的作用时，磁性物质每个磁畴内的分子磁铁都会顺外磁场方向转向，显示一定的磁性。随着励磁电流的增大（或外磁场的增强），磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上并整齐地排列起来，见图1-2(b)。这样，便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，而使磁性物质内的磁感应强度大大增加，这就是说磁性物质被强烈地磁化了。§9.2铁磁物质的磁化曲线一、铁磁物质的磁化铁磁物质在外磁场的作用下，产生于外磁场方向一致而且很强的附加磁场，这种现象叫铁磁物质的磁化。HBHBBB00二、磁化曲线1.起始磁化曲线a2a3a1Bμ0H0a1段:H较小,B增加的很慢。a1a2段：B急剧增加。（线性段）a2a3段：B增加缓慢。a3点以后：B几乎不增加。（饱和段）μHBHBHμ0磁化曲线:铁磁性物质的磁感应强度B与外磁场的磁场强度H之间的关系曲线,所以又叫B-H曲线。A＋－SIUsRwS11′2′2NL图9.2B-H曲线测量电路9.1.2铁磁物质的磁化曲线（2）二、磁滞回线0BHBmHmBr-HC-Hm-BrHCaB的变化落后于H的变Br—剩磁HC—矫顽力化的现象称为磁滞。0BH软磁材料：磁滞回线狭长，剩磁小，娇顽力小磁滞现象不显著。如纯铁、铸铁、铸钢、电工钢硬磁材料：磁滞回线较宽，剩磁大，娇顽力大被磁化后剩磁不易消失。如铬钢、钨钢、钴钢三、基本磁化曲线HBHm第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征铁磁材料按其磁滞回线的形状分为两类，一类称为软磁材料，它的磁滞回线包围的面积较小。软磁材料的磁导率高，易于磁化，剩磁也易消失，如图1一5(a）所示。这类铁磁物质包括电工软铁、硅钢片、铁镍合金（坡莫合金）等。软磁材料多用于交流磁路，硅钢片主要用于制作电机、变压器的铁心，铁镍合金多用于电子设备中的脉冲变压器铁心，电工软铁用于直流磁路。插图５a第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征磁滞回线宽，具有较高剩磁的铁磁材料称为硬磁材料，其磁滞回线如图1一5(b)所示。这类材料一经磁化即能保持较强的恒定磁性，又称为永磁材料。属于永磁材料的有合金钢、铝镍钻合金、稀土合金等，主要用于扬声器、磁电系仪表、永磁发电机等电器以产生恒定磁场。插图５b第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征4.磁滞损耗和涡流损耗(1)磁滞损耗铁磁物质在交变磁化过程中，由于磁滞现象而发生能量损耗，称为磁滞损耗。这种损耗的能量转变为热能而使铁磁材料发热。交变磁化一个循环时，磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征对常用电工钢片，当交变磁化的Bm=(1一1.6)Wb/m时，磁滞损耗的经验计算公式为:Pb=KhfB2m（1一4)(2）涡流损耗铁磁物质在反复磁化时，铁心中的磁通要发生变化，因而在垂直于磁力线方向的铁心截面上产生感应的闭合电流，该电流称为涡流。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征交变磁化时，涡流损耗的经验计算公式为Pe=Kef2B2m（1一5）式(1一4).(1一5)中的系数KhKe与使用的材料有关，系数KhKe可在电工手册中查出。磁滞损耗和涡流损耗合称为铁损耗。由上述公式可以看出，铁损耗的多少与铁磁物质的成分、铁心中的最大磁密Bm、磁通交变的频率f等诸多因素有关。第一章直流磁路及其计算1----1铁磁物质特征为了减少铁损耗除应使用磁滞回线面积小的铁磁材料外，在电磁元件中，如电机、变压器应用0．15mm-0．5mm硅钢片或0．1mm厚的微晶、非晶等铁磁材料叠制铁心，并在钢片的表面涂有绝缘漆以减小涡流回路的尺寸，增加回路电阻，降低铁损耗。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律一、磁路在电工技术中，利用磁性物质的高导磁性，制成一定形状的导磁的路径，可以认为磁通将主要集中在这个路径内闭合，这个路径是磁通的主要路径。而周围空间磁通很少，它们在铁心外通过空气隙闭合，这是磁通的次要路径。这两种路径（即凡是磁通经过的路径）统称为磁路。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律通过主要路径的磁通称为主磁通，用Φs或Φ表示。通过次要路径的磁通称为漏磁通，用Φь表示。图1一6示出了三种典型电磁元件的磁系统。图(a)为拍合式电磁铁，图(b)为直流电机，图（c）为变压器。它们的磁路一般都包括一定形状的铁磁材料和气隙两部分。我们把这种主要由铁磁材料和线圈以及气隙等所组成的整体称为磁系统。效果演示效果演示效果演示第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律二、磁路基本定律磁路的基本定律是与磁场的基本定律相对应，磁路的基本定律都可直接从磁场的基本定律转化而得到。1.基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律是与磁场的磁通连续定律（高斯定律）相对应。基尔霍夫第一定律第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律磁通连续定律是磁场的一个基本性质，即在磁场中任何闭合面上的磁通代数和恒等于零，或者说进入闭合面的磁通等于离开闭合面的磁通，其表达式为∮B•ds=0或∑Φ=0式中规定，进入闭合面的磁通取负号，离开闭合面的磁通取正号，如图1一7(a）所示。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律将这个原理应用到图1一7(b)中的封闭曲面A处，则有Φ1+Φ2+Φ3=0而这里的封闭曲面A就是一段有分支磁路，如果把分支处看成磁路的一个节点，则汇聚在该节点上磁通的代数和必恒等于零。推广一般，即磁场的磁通连续定律可相应为磁路基尔霍夫第一定律，则汇聚在任一节点上磁通的代数和恒等于零，即∑Φi=0式中i为支路数。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律2.欧姆定律和基尔霍夫第二定律欧姆定律和基尔霍夫第二定律是与磁场的安培环路定理相对应。安培环路定理表明磁场强度H与励磁电流I之间的关系，其表示式为∮sH•dl=∑I(1一6)第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律当线圈有N匝时，则式(1一6)变为:∮1H•dl=∑IN就是说磁场强度H沿某一闭合路径l的线积分，等于路径l所包围的电流I的代数和。当电流的参考方向与闭合路径规定的方向符合右手螺旋定则时，电流I取正号，反之取负号。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律当磁路各点的磁场强度H方向与路径l的方向一致时，则磁场强度H沿指定路径几的线积分，即由a至的b线积分定义为磁场中a与b间的磁压降Uab为Uab=∫baH·dl在均匀磁场中，则有Uab＝Hlab第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律如果磁路是由不同截面的几段组成，则上式可写成磁路的形式．nnnnn∑Hili=∑ΦiRi=∑Φi/∧i=∑Ui=∑INi=1i=1i=1i=1i=1式中：Ri＝li／µiSi—第i段磁路的磁阻(1/H)；∧i＝1/Ri—第i段磁路的磁导（H)或(Wb/A)，Ui——第i段磁路的磁压降(V)；∑IN磁路的磁动势（安匝）。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律而表达式ΦiRi＝Φi/∧i=Ui（1一8)是安培环路定律在无分支磁路中以Φ，U等表示的形式，也称为磁路的欧姆定律。而表达式∑Ui=∑IN（1一9）即为磁路基尔霍夫第二定律。它表示在闭合磁路中，沿某一环线方向磁压降的代数和等于磁动势的代数和。必须指出，每段磁路磁压降Ui有HL或ΦR=Φ/∧两种表达形式。在磁路计算中，对于导磁体的磁压降均采用HL的形式，即要利用铁磁材料的磁化曲线由B值查到对应的H值，再乘以导磁体中的磁路长度L,这是非线性的计算方法。第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律对于气隙的磁压降则采用ΦR的形式，因为气隙的磁导率μ0是常数，故当气隙长度不变时，其磁阻值是不变的，具有线性性质。因此，对于有气隙的磁路，式(1一9)可以表示为nn∑IN=∑Hmilmi＋∑Φδj/∧δj=Um+Uδ(1—10)i=1j=1第一章直流磁路及其计算1—２磁路及其基本定律式中：Hmi—第i段导磁体中的磁场强度(A/m)；Lmi第i段导磁体的长度(m)；Φδj—第j段气隙中的磁通(Wb)；∧δj=1/Rδj第j段气隙的磁导(Wb/A)；Um—导磁体的总磁压降(V)；U。—气隙的总磁压降(V)