磁路教学课件

1,.1,磁路的基本定律,一、磁路的概念,在工程上为了得到较强的磁场，广泛利用了铁磁物质。在电机、变压器等设备中应用铁磁物质制成一定的形状，人为地构成磁路的路径，使磁场主要在这部分空间内分布，这种磁通所通过的路径称为磁路。下面分别为变压器和直流电机的磁路,。,第一章：磁路,主要内容：磁路基本定律，铁磁材料及交、直流磁路。,1.1 磁路的基本定律 一、磁路的概念 在,如同电流流过的路径称为电路一样。磁通通过的路径为,磁路,。,由于铁心的导磁性质比空气好的多，所以绝大部分磁通在铁心中通过，这部分磁通称为,主磁通,。经过空气隙闭合的磁通为,漏磁通,。,用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈,(,励磁绕组,),，其电流称为,励磁电流,（或激磁电流）,。,在电机和变压器中常把线圈绕在铁心上，当线圈中有电流通过时，,在其周围就会产生磁场。两者的关系用右手螺旋法则联系起来。,用直流励磁 磁路中磁通恒定 直流磁路 直流电机,(,励磁电流,),用交流励磁 磁路中磁通交变 交流磁路 变压器、感应电机,(,激磁电流,),如同电流流过的路径称为电路一样。磁通通过的路径为磁路。,二、磁路的基本定律,下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的基本定律,1、安培环路定律（或称全电流定律）,在磁路中沿任一闭合路径,L,，,磁场强度,H,的线积分等于该闭合回路所包围的总电流,(,代数和,),即：,电流的方向：,与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号，反之为负.,如右图所示，,i,2,为正，,i,1,、,i,3,为负。,若沿回路,L,，磁场强度,H,处处相等，,且闭和回路所包围的总电流是由通过,I,的,N,匝线圈提供，则上式可写成：,HL=Ni,二、磁路的基本定律 下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的,2.磁路的欧姆定律,若铁心上绕有通有电流,I,的,N,匝线圈，铁心的截面积为,A,，,磁路的平均长度为,l,，,材料的导磁率为,，不计漏磁通，且各截面上的磁通密度,B,为均匀并垂直于各截面，则,：,：磁通,韦伯（,Wb）,，,1,韦伯=10,8,麦克斯韦,F,：,磁,(,动,),势,安（,A）,H,：,磁场强度,安/米（,A/m）,，,1,安/米=4,10,-3,奥斯特（,Oe,）,B,：,磁通密度,特拉斯（,T,）韦伯/米,2，,1T=1 Wb/m,2,1T=10,4,高斯,R,m,：磁阻 安/韦伯（,A/Wb,）,m,磁阻的倒数,磁导（,H,）,2.磁路的欧姆定律 若铁心上绕有通有电流I的,解：本题可用磁路的欧姆定律或安培环路定律解。,1）用磁路的欧姆定律,磁通量,磁阻,磁动势,励磁电流,2）用安培环路定律,磁场强度,磁动势,励磁电流,例1-1 有一闭合的铁心磁路，铁心的截面积 。磁路的平均长度,L=0.3m，,铁心的磁导率 。套装在铁心上的励磁绕阻为 500 匝。试求在铁心中产生1,T,的磁通密度时所需的励磁磁动势和励磁电流。（参考图1-3）,注：,L(m),A(m,2,),B(Wb/m,2,),解：本题可用磁路的欧姆定律或安培环路定律解。1）用磁路的,上式称为,磁路的欧姆定律,，与电路欧姆定律形式上相似。,注,：,R,m,=,（,l,/,A,）与电阻,R,（,=,l,/,A,为电阻率）对应，两者的计算公式相似，但铁磁材料的磁导率不是常数，所以,R,m,不是常数。,3、磁路的基尔霍夫第一定律,对于有分支磁路，任意取一闭合面,A,，,由磁通连续性的原则，穿过闭合面的磁,通的代数和应为零，即,该定律称为,磁路的基尔霍夫第一定律,对应左图,上式称为磁路的欧姆定律，与电路欧姆定律形式上相似。注：Rm,4磁路的基尔霍夫第二定律,沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁压降的代数和。即：,电机和变压器的磁路是由数段不同截面、不同材料的铁心组成，而且还可能含有气隙，在进行磁路计算时总是将磁路分成若干段，,每段为同一材料。且截面积和磁密处处相等，则磁场强度处处相等。,由左图可见，磁路由三段组成，两段为截面积不同的铁磁材料，一段为空气隙。铁心上的励磁磁动势,N i,为：,该定律称为,磁路的基尔霍夫第二定律,分段原则,：先根据材料不同分段、,再根据磁通和面积（或磁密或磁场强度）不同分段,4磁路的基尔霍夫第二定律 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各,三、磁路和电路的类比和区别,磁路和电路的类比关系：,磁路,电路,1,物理量,磁动势,磁通量,磁阻,磁导,磁导率,电动势,E=IR,电流,I,电阻,R=,l/,A,电导,G=,1,/R,电阻率,2,基本定律,欧姆定律,基尔霍夫第一定律,基尔霍夫第二定律,欧姆定律,I=,基尔霍夫第一定律,基尔霍夫第二定律,三、磁路和电路的类比和区别 磁路和电路的类比关系：磁路电,电路与磁路的区别,：,1、电路中有电流就有功率损耗,磁路中恒定磁通下没有功率损耗。,2、电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝缘体，,除在铁 心中的磁通外，空气中也有漏磁通。,3、电阻为常数，磁阻为变量，,是磁通密度的函数。,4、对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路不饱和（,磁路线形,）时可以采用叠加原理，饱和时（,磁路非线形,）不能采用叠加原理。,综上所述分析，磁路与电路仅是数学形式上的类似，而本质是不同的。,1-2 常用铁磁材料及其特性,为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场，从而使电机及变压器等装置的尺寸缩小，重量减轻，性能改善，必须增加磁路的磁导率（因为:,B,=,H,=,F/l,）,由于铁磁物质具有高导磁性能，,工程上往往利用铁磁物质：,1,）相同磁动势下产生尽可能高的磁密；,2,）使尽可能多的磁通约束在有限的范围内,。所以电机和变压器的铁心用导磁率较高的铁磁材料组成。,本节介绍铁磁材料特性。,电路与磁路的区别：1、电路中有电流就有功率损耗,磁路中恒定,一、铁磁物质的磁化,1、铁磁物质,有几种物质，如铁、钴、镍以及他们的合金，以及锰和铬的某些合金，即使,在较小的外磁场的作用下，其磁化也特别显著,。这类物质称为铁磁物质，他们的磁导率都很大，超过几千。,2、铁磁物质的磁化,将铁磁材料放入磁场后，磁场会显著增强，铁磁材料在磁场中呈现很强的磁性这一现象，称为,铁磁物质的磁化,。,原因：铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区，当未投入磁场时,磁畴杂乱无章的排列，,磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，磁效应相互抵消对外不显磁性，它也就不能吸引其它磁性材料。,当放入磁场后，磁畴按外磁场方向排列起来，形成一附加磁 场叠加在外磁场上。如图1-6所示。,缺点，,B,低，温度稳定性差,金属 铁、钴、镍，,B,高，缺点电阻率低，涡流损耗严重。,铁磁物质,非金属 铁氧体 电阻率高，涡流损耗小，抗锈防腐,一、铁磁物质的磁化 1、铁磁物质 2、铁磁物质的磁化,二磁化曲线,铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线,B-H,曲线表示,起始磁化曲线可由实验得出。将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心，如下图，其上绕有绕组，调节,R,使电流从零开始逐渐增大，则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的,H,值下的,B,值。可逐点描绘出,B-H,曲线。该曲线即是起始磁化曲线，图1-7所示。,1、起始磁化曲线,曲线分为四段：,oa,段：,开始磁化时，,外磁场较弱,B,增加的不,快,ab,段：,随外磁场增强，,大量磁畴开始转向，越,来越多的趋向于外磁场的方向，,B,增加的很快,bc,段：,随,H,的继续增加，可转向的磁畴越来越,少，,B,增加的越来越慢,cd,段：,达到饱和后，基本上与非磁性材料的,特性平行,二磁化曲线 铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线B-H曲线表示,注：对非铁磁性材料，因,0,为常数，所以,B-H,为线性。见上图虚线。从上述,的铁磁材料,B-H,曲线可见不是线性，所以 不是常值，它随,H,的变化,如上图所示。,在电机和变压器的设计中，为产生较大磁通，且又不过分增大励磁磁势，通常选磁密在,b,点附近。,2、磁滞回线,若对铁磁材料进行周期性的磁化，则,B-H,曲线如图：,H：0 Hm 0 -Hc,（矫顽力）,B：0 Bm Br（,剩磁）0,可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中，磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。从磁滞回线上看，,B,的变化总是滞后于,H,的变化，这种现象称为,磁滞现象,。,磁性材料按矫顽力,Hc,的大小可分为,软磁材料,和,硬磁材料,。,注：对非铁磁性材料，因 0为常数，所以B-H为线性。见上图,三、铁磁材料,3、基本磁化曲线,对同一铁磁材料，选不同的,Hm,进行反复磁化，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线。,软磁材料,：,Br,、,Hc,小，回线窄，磁导率,高，用于制造变压器和电机铁心,硬磁材料,：,Br,、,Hc,高，回线宽，,作为永磁材料,永磁材料种类很多，书中列举了几种。,其磁性能用,Br,、,Hc,和（,BH,）,max,最大,磁能积三项指标衡量。,图,1-10,给出电机中常用材料的基本磁化曲线,三、铁磁材料3、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选不同的Hm,软磁材料：,硅铁合金：,电工纯铁,低碳钢,镍铁合金,铁钴合金,铁铝合金,铁硅铝合金,硬磁材料（永磁材料）：,铝镍钴,铁氧体,稀土钴,钕铁硼,软磁材料：硅铁合金：电工纯铁低碳钢镍铁合金铁钴合金铁铝合金铁,三、铁心损耗,1、磁滞损耗,当铁磁材料置于交变磁场时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为,磁滞损耗。,由交流电源与磁场之间的往返能量交换，进一步加以说明,磁滞损耗,。,在固定铁心上装有一个线圈，从电源输入电能为电压,u,，,电流为,i,，,线圈匝数为,N,，,电阻为,R,，,则在,d,t,时间内电源输入装置的总能量为,ui,d,t,消耗于电阻上的电能为,Ri,2,d,t,铁心线圈从交流电源吸收的瞬时功率,p,为：,三、铁心损耗 1、磁滞损耗 当铁磁材料置于,从,t1,到,t2,时间内输入磁路系统的能量：,若铁心长度为,l,截面积为,A,，,则:,V=lA,铁心体积,磁场储能密度为：,对线性磁路=常数,从t1到t2时间内输入磁路系统的能量：若铁心长度为l,截面积,在电流的正半周,铁心线圈的能量密度的增量大小磁滞回线的面积,铁心线圈吸收电源的能量,在电流的一个周期内,铁心线圈的能量密度的增量大小为,S,1231,铁心线圈吸收电源的能量,铁心线圈吸收电源的能量全部转化为铁心的磁滞损耗,在电流的正半周铁心线圈的能量密度的增量大小磁滞回线的面积铁心,由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率,（,T=1/f,周期）,能量最终以热能的形式消散掉，由于这部分能量是由磁滞现象引起的。因而叫做磁滞损耗,磁滞损耗与体积,V,、频率,f,及磁滞回线面积成正比,磁滞回线面积越小，磁滞损耗越小，电机和变压器铁心常用硅钢片制成，因硅钢片的磁滞回线小，属于软磁材料。,C,h,：,磁滞损耗系数 对电工钢片,n=1.62.3,由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率（T=1/f 周,2、涡流损耗,因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。(楞次定律),2、涡流损耗 因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通,由于涡流的存在，对铁心磁滞回线产生影响。回线将由静态变为动态形式右图虚线所示：,在回路上升部分，铁心中涡流阻止磁场的增加，为保持一定的磁通，激磁电流增加，以抵消涡流作用，所以磁滞回路上升部分向右扩展，同理下降部分向左扩展,频率越高，磁通密度越大，涡流损耗约大，反比于电阻率及路径长度(路径的电阻)。,Ce,：,涡流损耗系数 ：钢片厚度,铁心损耗：,可近似为：,C,Fe,：,铁心损耗系数,G：,铁心重量,由于涡流的存在，对铁心磁滞回线产生影响。回,1-3直流磁路,一、直流磁路的计算,本节介绍直流磁路的分析和计算,磁路计算分为两种类型：1、给定磁通，计算所需的励磁磁动势（正问题）,2、给定励磁磁动势，计算磁路内的磁通量（