CHAPTER07磁路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章,磁路与铁心线圈电路,返回,1,7.1 磁场的基本物理量,7.2 磁性材料的磁性能,7.3 磁路及其基本定律,7.4 交流铁心线圈电路,7.5 变压器,7.6 电磁铁,目 录,返回,2,磁场的特性可用,磁感应强度、磁通、磁场强度、磁,磁导率,等几个物理量表示,。,一、磁感应强度,与,磁场方向相垂直,的单位面积上通过的,磁通,（磁,力线），可表示磁场内某点的,磁场强弱和方向,。,B的,单位,：特,斯拉,（T）,1T10,4,Gs,的单位：韦伯,矢量,7.1,磁场的基本物理量,3,二、磁通,磁感应强度,B,与垂直于磁场方向的面积,S,的,乘积,，,称为,通过该面积,的,磁通,。,如,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,均匀磁场,。,BS,的单位：,伏秒，通称为韦伯,Wb,或麦克斯韦,Mx 1Wb10,8,Mx,4,三、磁场强度,磁场强度,是计算磁场所用的物理量，其大小为,磁,感应强度,和,导磁率,之,比,。,H,的单位：安米,的单位：亨米,安培环路定律（全电流定律）：,(Ampere circulation theorem),磁场中,任何闭合回路,磁场强度的,线积分,等于,通过这个闭合路径内,电流的代数和,.即,矢量,5,I,1,I,2,I,3,电流方向和磁场强度的方向,符合,右手定则,，电流取,正,；,否则,取,负,。,在无分支的均匀磁路,（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可写成：,6,其中,l,x,2, x,是,半径为,x,的圆周长,Hx,是半径,x,处的,磁场强度,F,NI,即线圈匝数与电流的乘积，,称,磁通势,单位为安培,（A）,四、磁导率,磁导率,是一个用来表示,磁场媒质磁性,和衡量,物质导磁能力,的物理量,。,7,讨论,磁场内某一点的磁场强度,H,与,有关吗,？,由上两式可知，磁场内某一点的,H,只与电流大小、线圈匝数,及,该点的几何位置,有关，,而与, 无关,真空中的磁导率为常数,8,一般材料的磁导率,和真空磁导率,0,的比值，称为,该物质的相对磁导率,r,或,返回,9,磁性物质说明:,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,10,7.2,磁性材料的磁性能,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 2,10,5,),。,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。,11,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。,2.,磁饱和性,B,J,磁场内磁性物质的磁化磁场,的磁感应强度曲线；,B,0,磁场内不存在磁性物质时的,磁感应强度直线；,B,B,J,曲线和,B,0,直线的纵坐标相,加即磁场的,B,-,H,磁化曲线。,O,H,B,B,0,B,J,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。,12,B,-,H,磁化曲线的特征：,O,a,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。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,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,。,O,H,B,B,磁化曲线,B,和,与,H,的关系,13,3.,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,O,H,B,B,r,H,c,剩磁感应强度,B,r,(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,H,c,：,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。,14,几种常见磁性物质的磁化曲线,a,铸铁,b,铸钢 c,硅钢,片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,10,3,H,/(A/m),H,/(A/m),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,10,3,B,/T,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,a,b,a,b,c,c,15,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。,16,i,一、磁路,线圈,通入电流,后，产生磁通，分,主磁通,和漏磁通,S,。,线圈,铁心,7.3 磁路及其基本定律,17,二、磁路的欧姆定律,对于环形线圈,磁路的,欧姆定律,说明,F=NI,为磁通势,R,m,为磁阻,l,为磁路的平均长度,S,为磁路的截面积,18,磁路与电路对照,磁路,电路,磁通势,F,电动势,E,磁通,电流,I,磁感应强度,B,电流密度,J,磁阻,R,m,电阻,R,19,磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要,预先给定铁心中,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磁通势,FNI,。,计算均匀磁路要用磁场强度,H，,即,NIH,l,，,如磁路由不同的材料、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。,NIH,1,l,1,H,2,l,2,（H,l）,20,如,：,由三段串联而成的,继电器磁路,21,解,磁路的平均长度为,l,（1015）2）,39.2cm,查铸钢的磁化曲线,，,当,B0.9T,时,，,H,1,500Am,于是,H,1,l,1,195A,空气隙中的磁场强度为,H,0,B,0,0,0.9（4 ,10,7,）7.210,5,A/m,有一环形铁心线圈，其内径为,10cm，,外径为,15cm，,铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A电流，如要得到0.9T,的磁感应强度，试求,线圈匝数,。,例题7.1,22,H,0,7.2,10,5,0.2 10,-2,1440A,总磁通势为,NI,（H,l,）H,1,l,1,H,0,19514401635,线圈匝数为,N,NII1635,1. 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,用铜量,大为,降低。,2.若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,3.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（,线圈匝数一定）,通过本例可得结论:,返回,23,一、电磁关系,铁心线圈分为：,直流铁心线圈,和,交流铁心线圈,铁心线圈的交流电路,7.4 交流铁心线圈电路,24,和,L,与,i,的关系,注,励磁电流,i,与,之间线性关系,i,与,之间不存在线性关系,二、电压电流关系,25,设主磁通 则,有效值,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：,B,m,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m,2,。,26,三. 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1. 铜损（,P,cu,）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻,R,上的功率损耗称铜损，用,P,cu,表示。,P,cu,=,RI,2,式中：,R,是线圈的电阻；,I,是线圈中电流的有效值。,2. 铁损（,P,Fe,）,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,P,Fe,表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,+,u,i,27,（1）磁滞损耗（,P,h,）,由磁滞所产生的能量损耗称为,磁滞损耗（,P,h,）。,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,。,O,H,B,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。,28,(2)涡流损耗（,P,e,）,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：,29,涡流的应用:,1.炼钢,2.电磁炉-,是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、,当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变,磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流,(,即涡流,)，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分,子互相碰撞、摩擦而产生热能(故：电磁炉煮食的热,源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅,具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍),返回,30,电磁炉(又名电磁灶)-是现代厨房革命的产物，是无需明火或传导式加热的无火煮食厨具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具(炉具)。,31,变压器,-,利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能,或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件,变压器的功能,：,变电压、变电流、变阻抗,发电厂,1.05万伏,输电线,22万伏,升压,变电站,1万伏,降压,仪器,36伏,降压,变压器的种类:,7.5 变压器,32,变压器分类 :,按冷却方式分类：,干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。,按防潮方式分类：,开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。,按铁芯或线圈结构分类：,芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。,按电源相数分类：,单相变压器、三相变压器、多相变压器。,按用途分类：,电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。,33,变压器的分类,电压互感器,电流互感器,按用途分,电力变压器 (输配电用),仪用变压器,整流变压器,按相数分,三相变压器,单相变压器,按制造方式,壳式,心式,变压器符号,34,额定电压,变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允,许的电压值。,额定电流,变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值,。,额定容量,传送功率的最大能力,。,（理想）,变压器的铭牌数据,（以单相变压器为例）,35,一、变压器的工作原理,电磁关系,原绕组,副绕组,36,电压变换,根据,交流磁路,的分析可得,：,E,1,4.44,fN,1,m,E,2,4.44,fN,2,m,空载时副绕,组的端电压,变比,结论,：,改变匝数比，可得到不同的输出电压,37,电流变换,由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（,i,0,）很小，,可忽略。写成相量为,结论,：,变压器原、副绕组的电流与匝数成反比,38,阻抗变换,结论,：,变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。,39,（1）,匝数比为,信号源输出功率为,如下图：交流信号源的电动势,E,120V,内阻,R,0,800,，负载电阻,R,L,8 ,（1）当R,L,折算到原边的等效电阻为,R,0,时，求匝数比和信号源输出功率；（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？,例题7.2,40,（2）,当将负载直接接在信号源上时,二、变压器的外特性,副边输出电压和输出电流的关系,U,2,f,（,I,2,）,U,20,：,原边加额定电压、,副边开路时，副边的输,出电压。,变压器的外特性曲线,41,三、变压器的损耗与效率,变压器的功率损耗包括铁心中的铁损,P,fe,和绕组,上的铜损,P,cu,。,变压器的效率,：,四、特殊变压器,A,B,P,自耦变压器,42,电流互感器,（,被测电流,）,N,1,（,匝数少,）,N,2,（,匝数多,）,A,R,i,1,i,2,注意！,1.,副边,不能断开,，以防产生高电压,；,2.,铁心、低压绕组的,一端接地,，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。,43,电压互感器,V,R,N,1,（,匝数多,）,保险丝,N,2,（,匝数少,）,u,（,被测电压,）,1.,副边,不能短路,，以防产生过流,；,2.,铁心、,低压绕组,的,一端接地,，以防在绝缘损时，在副边出现高压,。,注意！,44,五、变压器绕阻的极性,1.,当电流流入两个线圈(或,流出）时，若产生的磁通,方向相同，则两个流入端,称为,同极性端,（,同名端,）。,或者说，当铁芯中磁通变,化（增大或减小）时，在,两线圈中产生的感应电动,势极性相同的两端为,同极,性端,。,45,两绕阻串联,两绕阻并联,若将两绕阻的其中一个线圈,反绕,，,则,1,和,4,为,同极性端,注,返回,46,联接,23,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2.例:线圈的接法,1,3,2,4,1,3,2,4,联接,13， 2 4,当电源电压为220V时：,+,+,电源电压为110V时：,47,问题1：,在110V,情况下，如果只用一个绕组,（,N,），行不行？,答：,不行（两绕组必须并接）否则,原边电流大,可能损坏,变压器.,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：,1,3,2,4,若两种接法铁心中的磁通相等，则：,+,48,问题2：,如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：,在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端,再通电。,答：有可能烧毁变压器,两个线圈中的磁通抵消,原因：,电流 很大,烧毁变压器,感应电势,1,3,2,4,+,49,方法一：交流法,把两个线圈的任意两端 (X - x)连接, 然后在 AX 上加一低电压,u,AX,。,测量：,若,说明,A 与 x,或 X 与 a,是,同极性端,.,若,说明,A 与 a,或 X 与 x,为同极性端。,结论：,V,a,A,X,x,V,3. 同极性端的测定方法,+,50,方法二：直流法,设S闭合时,增加。,感应电动势的方向，阻止,的增加。,如果当,S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;,结论：,X,x,电流表,+,_,A,a,+,S,如果当,S 闭合时，电流表反偏，,则,A-x 为同极性端。,A,X,a,x,+,_,S,+,51,F,线圈,铁心,衔铁,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。,电磁铁吸合过程的分析,：,在,吸合,过程中若外加电压不变，,则,基本不变,电磁铁吸合前(气隙大）,大,起动电流大,电磁铁吸合后(气隙小）,小,电流小,7.6 电磁铁,52,如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。,注意：,电磁铁的吸力,气隙截,面积,气隙,磁感应,强度,交流电磁铁中磁场是交变的，设,53,交流电磁铁,：,铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。,直流电磁铁,：,铁心用整块软钢制成,；,励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。,则吸力为：,平均值为：,返回,54,结 束,第 7 章,返回,55,