磁路与铁心线圈

第 9章 磁 路 与 铁 心 线 圈 9.1 磁 场 的 基 本 物 理 量 与 铁 磁 物 质9.1.1磁 场 的 基 本 物 理 量 表 示 磁 场 内 某 点 的 的 物 理 量 为 磁感 应 强 度 ， 用 B表 示 。 它 的 方 向 可 用 右 手 螺 旋 定则 来 确 定 。 如 果 磁 场 内 各 点 的 磁 感 应 强 度 的 大 小 相 等 ， 方 向相 同 ， 这 样 的 磁 场 则 称 为 。 在 国 际 单 位 制 (SI)中 ， 磁 感 应 强 度 的 是 特 斯拉 (T)， 常 用 单 位 还 有 高 斯 (Gs)， 1T=10 4 Gs 磁 感 应 强 度 (如 果 不 是 均 匀 磁 场 ， 则 取 B的 平 均 值 )与 垂 直 于 磁 场 方 向 的 面 积 的 乘 积 ， 称 为 通 过 该 面积 的 磁 通 ， 用 表 示 ， 即即 磁 感 应 强 度 在 数 值 上 可 以 看 成 为 与 磁 场 方 向 相垂 直 的 单 位 面 积 所 通 过 的 磁 通 ， 又 称 为 。国 际 单 位 制 中 ， 磁 通 的 是 韦 伯 (Wb)。 1T也就 是 韦 伯 每 平 方 米 (Wb/m2)。 磁 场 强 度 这 个 物 理 量 ， 用 H表 示 ， 磁 场 强 度 仅 由产 生 磁 场 的 电 流 决 定 ， 与 磁 介 质 性 质 无 关 。磁 场 强 度 的 是 安 每 米 (A m)， 工 程 上 常 用 安每 厘 米 (A cm)为 单 位 。是 用 来 衡 量 的 物 理 量 ， 磁导 率 的 国 际 单 位 制 单 位 为 亨 /米 (H/m)。 真 空 磁 导 率 0 H/m104 70 任 意 一 种 物 质 的 磁 导 率 和 真 空 磁 导 率 0的 比 值 ，称 为 该 物 质 的 相 对 磁 导 率 r。 00 BBr 内 容 为 在 任 何 磁 介 质 中 ， 磁 场 强 度H沿 任 意 闭 合 曲 线 l的 线 积 分 等 于 穿 过 该 闭 合 回 线所 围 面 积 的 电 流 的 代 数 和 ， 表 示 式 为 Hdl是 磁 场 强 度 H沿 任 意 闭 合 曲 线 l的 线 积 分 ；I是 穿 过 该 闭 合 曲 线 所 围 面 积 的 电 流 的 代 数 和 。求 I时 ， 电 流 方 向 与 闭 合 曲 线 环 绕 方 向 之 间 符 合右 手 螺 旋 定 则 的 电 流 为 正 ， 反 之 为 负 。 如 图 环 形 线 圈 ， 取 磁 通 作 为 闭 合 回 线 ， 其 方 向作 为 回 线 的 环 绕 方 向 。 有 线 圈 内 部 半 径 为 x处 各 点 的 磁 感 应 强度 为 式 中 线 圈 匝 数 与 电 流 的 乘 积 NI称 为 磁 通 势 ， 用字 母 F代 表 ， 单 位 是 安 培 A， 则 有 F=NI xHlHlH 2d xxx NII 则 NIxH 2x即 xx 2 lNIxNIH xxx lNIHB 9.1.2铁 磁 物 质 的 磁 化磁 性 物 质 具 有 被 磁 化 的 特 性 是 因 为 磁 性 物 质 其 内部 的 。 在 磁 性 物 质 内 部 有 许 多 小 区 域 ， 由于 磁 性 物 质 的 分 子 间 的 作 用 力 使 每 一 区 域 显 示 磁性 ； 这 些 小 区 域 称 为 。 在 的 作 用时 ， 各 个 磁 畴 排 列 混 乱 ， 磁 场 互 相 抵 消 ， 对 外 就不 显 示 磁 性 ， 磁 畴 顺 外 磁 场 方 向转 向 ， 显 示 出 磁 性 。 1. 起 始 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 地 增 强 。当 外 磁 场 增 大 到 一 定 值 时 ，全 部 磁 畴 的 磁 场 方 向 都 转向 与 外 磁 场 的 方 向 一 致 ，这 时 磁 化 磁 场 的 磁 感 应 强度 达 到 ， 即 Bm。 2. 磁 滞 回 线 当 铁 心 线 圈 中 通 有 交 变 电 流 时 ，铁 心 就 受 到 交 变 磁 化 。 在 电 流反 复 变 化 时 ， 磁 感 应 强 度 B随磁 场 强 度 H而 变 化 的 关 系 所 示 。当 H已 减 到 零 值 时 ， 但 B并 未回 到 零 值 ， 这 种 磁 感 应 强 度 滞后 于 磁 场 强 度 变 化 的 性 质 称 为磁 性 物 质 的 。如 果 要 使 铁 心 的 剩 磁 消 失 ，通 常 改 变 线 圈 中 励 磁 电 流 的方 向 ， 也 就 是 改 变 磁 场 强 度H的 方 向 来 进 行 反 向 磁 化 ，Hc称 为 矫 顽 磁 力 。 3. 基 本 磁 化 曲 线对 于 不 同 的 H值 ， 铁 磁 性 物 质 有 不 同 的 磁 滞 回 线 ，将 各 个 不 同 H下 的 磁 滞 回 线 的 正 顶 点 连 成 的 曲 线称 为 。 按 磁 性 物 质 的 磁 性 能 ， 磁 性 材 料 可 以 分 成 ： ： 又 称 永 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 及铁 氧 体 等 。 铁 氧 体 在 电 子 技 术 中 应 用 也 很 广 泛 ，可 做 计 算 机 的 磁 心 、 磁 鼓 以 及 录 音 机 的 磁 带 、 磁头 。 ： 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 。： 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 也 良 好 。 在 计 算 机 和控 制 系 统 中 可 用 作 记 忆 元 件 、 开 关 元 件 和 逻 辑 元件 。 常 用 的 有 镁 锰 铁 氧 体 及 1J51型 铁 镍 合 金 等 。 9.2 磁 路 及 磁 路 定 律9.2.1磁 路电 机 、 变 压 器 及 各 种 铁 磁 元 件 中 常 用 磁 性 材 料 做成 一 定 形 状 的 铁 心 ， 铁 心 的 磁 导 率 比 周 围 空 气 或其 他 物 质 的 磁 导 率 大 得 多 ， 因 此 磁 通 的 绝 大 部 分经 过 铁 心 而 形 成 一 个 闭 合 通 路 ， 这 部 分 磁 通 称 为主 磁 通 。 经 过 铁 心 而 形 成 的 闭 合 通 路 称 为 磁 路 。 磁 通 有 少 量 经 磁 路 周 围 的 物 质 而 闭 合 ， 有 些 磁 通不 经 过 磁 路 而 闭 合 ， 这 些 统 称 为 。 磁 路 特 点 铁 心 中 的 磁 场 比 周 围 空 气 中 的 磁 场 强 得 多 ； 在 限 定 的 区 域 内 利 用 较 小 的 电 流 获 得 较 强 的 磁 场 ; 主 磁 通 远 远 大 于 漏 磁 通 ； 下 页上 页返 回 空 心 线 圈 磁 场 分 布 铁 心 线 圈 磁 场 分 布 下 页上 页返 回 半 封 闭 铁 心 线 圈 磁 场 分 布 全 封 闭 铁 心 线 圈 磁 场 分 布 下 页上 页返 回 9.2.2磁 路 的 基 尔 霍 夫 第 一 定 律=0磁 路 的 任 一 节 点 所 连 各 支 路 磁 通 的 代 数 和 等 于零 。 9.2.3磁 路 的 基 尔 霍 夫 第 二 定 律 FU m在 磁 路 的 任 一 回 路 中 ， 各 段 磁 位 差 的 代 数 和 等于 各 磁 通 势 的 代 数 和 。 应 用 磁 路 的 基 尔 霍 夫 第 二 定 律 时 ， 要， 当 某 段 磁 场 强 度 的 参 考 方 向 与 环 绕 方 向 一 致时 ， 该 段 磁 位 差 取 正 号 ， 反 之 取 负 号 ； 若 励 磁 电流 的 参 考 方 向 与 环 绕 方 向 符 合 右 手 螺 旋 关 系 时 ，该 磁 通 势 取 正 号 ， 反 之 取 负 号 。当 ，每 段 磁 路 中 心 线 的 磁 位 差 Um等 于 其 磁 场 强 度 与 长度 的 乘 积 ， 即 Um=+Hl ， 如， 则 Um=-Hl。则 Hl= NI SBBH SllBHl mU设 一 段 磁 路 的 长 为 l， 截 面 积 为 S， 材 料 的 磁 导率 为 ， 磁 通 为 SLR /m 9.2.4磁 路 的 欧 姆 定 律令 Rmm U则 磁 阻 的 单 位 为 1/亨 （ 1/H） 。 9.3 恒 定 磁 通 、 磁 路 的 计 算 磁 路 计 算 的 问 题 可 以 分 为 两 类 ， 一 类 是， 另 一 类 是 。 9.3.1已 知 磁 通 求 磁 通 势 （ 1） 按 材 料 、 截 面 积 将 磁路 进 行 ， 把 材 料 相 同 、截 面 积 相 等 的 部 分 作 为 一 段 。（ 2） 作 出 磁 路 的 ， 计算 各 段 磁 路 的 截 面 积 和 平 均长 度 。 （ 3） 计 算 各 段 的 ， 可 分 别 按 下 列 各式 计 算 。 B1=S1， B2=S2 （ 4） 根 据 各 段 磁 路 材 料 的 磁 化 曲 线 B=f (H)， 查出 与 B1， B2相 对 应 的 H1， H2 空 气 隙 磁 场 强 度 H0为 H0=B00=B04 10-70.8 106B0 A/m （ 5） 由 磁 路 的 基 尔 霍 夫 第 二 定 律 确 定 所 需 要 的， 即 F=NI=Hl 9.3.2已 知 磁 通 势 求 磁 通 已 知 磁 通 势 求 磁 通 时 ， 如 果 对 于 无 分 支 的 均 匀 磁路 ， 计 算 不 复 杂 ， 若 又 有 分 支 磁 路 又 不 均 匀 ， 计算 就 较 复 杂 ， 详 细 计 算 可 参 考 有 关 资 料 ， 这 里 不再 叙 述 。 9.4 交 流 铁 芯 线 圈铁 心 线 圈 分 为 两 种 ，直 流 铁 心 线 圈 中 通 过 直 流 电 来 励 磁 ， 因 为 励 磁 电流 是 直 流 ， 产 生 的 磁 通 是 恒 定 的 ， 在 线 圈 中 不 会感 应 出 电 动 势 来 。 在 一 定 电 压 下 ， 线 圈 中 的 电 流 ，只 和 线 圈 本 身 的 电 阻 r有 关 ， 功 率 损 耗 也 只 有 I2r。交 流 铁 心 线 圈 中 通 入 交 流 电 来 励 磁 ， 它 在 电 磁 关系 、 电 压 电 流 关 系 及 功 率 损 耗 等 几 个 方 面 和 直 流铁 心 线 圈 是 不 同 的 。 9.4.1交 流 铁 心 线 圈 的 电 流 、 电 压 及 磁 通rieeu S S S( ) ( )d ( )du ri e eiri L et euuu Sr 电 源 电 压 u可 分 线 圈 电 阻 上 的 电 压 ur=ri， 漏 磁 通引 起 的 漏 磁 感 应 电 压 us与 线 圈 感 应 电 动 势 e。 前两 部 分 数 值 小 ， 可 忽 略 不 计 。 t sinm mm 44.422 fNfNU 设则 )90sin()90sin(2 mm tUtfN 电 压 的 有 效 值 为 当 电 源 频 率 与 线 圈 匝 数 一 定 时 ， 铁 心 中 的 主 磁通 与 线 圈 电 压 成 正 比 。eu 则 dt tNtNeu )sin(ddd m 9.4.2磁 滞 损 耗 与 涡 流 损 耗 在 交 流 铁 心 线 圈 中 ， 除 线 圈 电 阻 上 有 功 率 损 耗I2r(铜 损 Pcu)外 ， 还 有 处 于 交 变 磁 化 下 的 铁 心 中的 功 率 损 耗 ， 即 。 铁 损 涡 流 损 耗磁 滞 损 耗由 于 涡 流 所 产 生 的 铁 损 称 为 Pe。 当 线圈 中 通 有 交 流 时 ， 铁 心 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 ， 而 且 在铁 心 内 也 要 产 生 感 应 电 动 势 和 感 应 电 流 ， 这 种 感应 电 流 称 为 。 涡 流 损 耗 也 要 引 起 铁 心 发 热 ，。由 于 磁 滞 所 产 生 的 铁 损 称 为 磁 滞 损 耗 PF。 交 变 磁化 一 周 在 铁 心 的 单 位 体 积 内 所 产 生 的 磁 滞 损 耗 要引 起 铁 心 发 热 ， 9.4.3交 流 铁 心 线 圈 的 等 效 电 路 ，由 于 铁 心 中 有 。 R0是 和 铁 心 中 能 量 损 耗 (铁 损 )相 应 的 等 效 电 阻 ， R 0=PFe/I2， X0是 和 铁 心 中 能 量 储 放 (与 电 源 发 生能 量 互 换 )相 应 的 等 效 感 抗 ， 为 X0=QFe/I2。Z0=R0+jX0