磁路及交流铁心线圈课件

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1、 磁路及交流铁心线圈 一、磁路及其基本定律一、磁路及其基本定律一、磁路及其基本定律一、磁路及其基本定律（一）磁路的概念（一）磁路的概念 磁力线所通过的路径称为磁力线所通过的路径称为磁力线所通过的路径称为磁力线所通过的路径称为磁路磁路磁路磁路。磁路主要由具有良好导。磁路主要由具有良好导。磁路主要由具有良好导。磁路主要由具有良好导磁性能的磁性材料构成，如：硅钢片，铸铁等。磁性能的磁性材料构成，如：硅钢片，铸铁等。磁性能的磁性材料构成，如：硅钢片，铸铁等。磁性能的磁性材料构成，如：硅钢片，铸铁等。当线圈（通常被称为励磁线圈或励磁绕组）中通入电当线圈（通常被称为励磁线圈或励磁绕组）中通入电流（通常被称

2、为励磁电流）时，在线圈周围会形成磁场，流（通常被称为励磁电流）时，在线圈周围会形成磁场，由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分的磁由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分的磁通将在铁心内通过，我们称它为通将在铁心内通过，我们称它为主磁通主磁通或或工作磁通工作磁通；同时；同时有少量磁通会通过空气交链，我们称它为有少量磁通会通过空气交链，我们称它为漏磁通漏磁通，工程中，工程中通常忽略不计。主磁通和漏磁通所通过的路径分别称为通常忽略不计。主磁通和漏磁通所通过的路径分别称为主主磁路磁路和和漏磁路。漏磁路。当励磁电流为直流时，磁路称为当励磁电流为直流时，磁路称为直流磁路直流磁路；当励磁电；

3、当励磁电流为交流时，磁路称为流为交流时，磁路称为交流磁路交流磁路。（二）磁路的基本物理量（二）磁路的基本物理量 1.磁感应强度磁感应强度B 磁感应强度是表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度是表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量。它与电流之间的方向关系可用右手螺旋法则它是一个矢量。它与电流之间的方向关系可用右手螺旋法则来确定。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，我们称之为同，我们称之为均匀磁场均匀磁场。磁感应强度的单位是。磁感应强度的单位是特斯拉特斯拉（T）2.磁通磁通 磁通表示垂直通过某一截面的磁力线总数

4、，在均匀磁场中，磁通表示垂直通过某一截面的磁力线总数，在均匀磁场中，磁通等于磁感应强度与磁场方向相垂直的单位磁通等于磁感应强度与磁场方向相垂直的单位S的乘积，所以的乘积，所以磁感应强度又可以看成与磁场方向垂直的单位积内所通磁感应强度又可以看成与磁场方向垂直的单位积内所通过的磁通，故又称为过的磁通，故又称为磁通密度磁通密度。磁通的单位是。磁通的单位是韦伯（韦伯（Wb）或或3.磁场强度磁场强度H 磁场强度是计算磁场时所用的一个物理量，它也是个磁场强度是计算磁场时所用的一个物理量，它也是个矢量，根据安培环环路定理，沿任意闭合路径，磁场强度矢量，根据安培环环路定理，沿任意闭合路径，磁场强度的线积分等于

5、该回路所包围的导体电流的代数和。的线积分等于该回路所包围的导体电流的代数和。磁感应强度的单位是磁感应强度的单位是安培安培/米米4.磁导率磁导率 磁导率磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也是用是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积等于磁来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积等于磁感应强度。磁导率的单位是感应强度。磁导率的单位是亨利亨利/米米真空中的磁导率真空中的磁导率为一常数，可由实验测得：为一常数，可由实验测得：。任意一种物质的磁导率和真空磁导率的比值，称为该物质任意一种物质的磁导率和真空磁导率的比值，称为该物质的的相对磁导率相

6、对磁导率。真空磁导率真空磁导率真空磁导率真空磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率（三）磁性材料的磁性能 自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁性能好的材料，性能好的材料，如表列举的硅钢、坡莫合金等。按导磁性如表列举的硅钢、坡莫合金等。按导磁性能的好坏，大体上可将物能的好坏，大体上可将物 质分为两类：质分为两类：非磁性材料非磁性材料和和磁性磁性材料材料。1非磁性材料非磁性材料 主要有水银、铜、硫、氯、氢、主要有水银、铜、硫、氯、氢、银、金、锌、铅、氧、银、金、锌、铅、氧、氮、铝、铂等。氮、铝、铂等。非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无

7、章，非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。它它具有以下几大特点：具有以下几大特点：（1），不能被强烈磁化，不能被强烈磁化;（2）B与与 H 成正比，呈线性关系成正比，呈线性关系,无磁饱和现象无磁饱和现象;（3）磁导率都是常数磁导率都是常数不随磁场强不随磁场强 度度 的变的变 化而变化化而变化;（4）无磁滞特性。）无磁滞特性。O O

8、HHB B2磁性材料（也称为铁磁材料）磁性材料（也称为铁磁材料）主要有铁、钴、镍、钆及其合金等，它也具有以下几大特主要有铁、钴、镍、钆及其合金等，它也具有以下几大特点：点：（1）高导磁性）高导磁性 磁性材料磁性材料r 1，在磁场中可被强烈磁化；被放入磁，在磁场中可被强烈磁化；被放入磁场后，磁感应强度会显著增强，称为高导磁性。场后，磁感应强度会显著增强，称为高导磁性。磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种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，称这些小区域为性，称这些小区域为磁畴

9、磁畴。在没有外磁场作用的普通磁性。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。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之外不显磁性。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，称为与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁磁化化。即磁性物质能被磁化。即磁性物质能被磁化。在电机、变压器等电气设备的线圈中，均放有由磁性材在电机、变压器等电气设备的线圈中，均放有由磁性材料制成的一定形状的铁心，在这种线圈中通入不大的励磁电料制成的一定形状的铁心，在这种线圈中通入不大的

10、励磁电流，便可产生足够大的磁通和磁感应强度流，便可产生足够大的磁通和磁感应强度,利用高性能的磁性利用高性能的磁性材料可使同一容量的电机或变压器的重量和体积大在减轻和材料可使同一容量的电机或变压器的重量和体积大在减轻和减小。几种常用磁性材料的磁导率如下表：减小。几种常用磁性材料的磁导率如下表：几种常用磁性材料的相对磁导率几种常用磁性材料的相对磁导率材料名称材料名称 铸铁铸铁 硅钢硅钢 镍锌铁氧体镍锌铁氧体 锰锌铁氧体锰锌铁氧体 坡莫合金坡莫合金 相对磁导相对磁导率率r 200400 700010000 101000 3005000 21042105 磁磁磁磁畴畴畴畴外外外外磁磁磁磁场场场场磁磁磁

11、磁畴畴畴畴（2）磁饱和性磁饱和性 将磁性材料放入磁场强将磁性材料放入磁场强度为度为H的磁场，会被强烈磁的磁场，会被强烈磁化，其磁化曲线如右图所示。化，其磁化曲线如右图所示。磁性材料的磁化曲线磁性材料的磁化曲线 O OHHB,B,B B 由于磁化所产的磁化磁由于磁化所产的磁化磁场不会随着外磁场的增强而场不会随着外磁场的增强而无限地增强，当外磁场增大无限地增强，当外磁场增大到一定值时，磁感应强度达到一定值时，磁感应强度达到饱和值，这种现象称为到饱和值，这种现象称为磁磁饱和性饱和性。从图中还可看出。从图中还可看出B和和H不成正比，所以磁性材不成正比，所以磁性材料的料的不是常数。不是常数。（3）磁滞特

12、性）磁滞特性 若将磁性材料进行周期性磁化，磁感应强度若将磁性材料进行周期性磁化，磁感应强度 B随磁场强随磁场强度度H 变化的曲线称为变化的曲线称为磁滞回线磁滞回线，如图所示。，如图所示。从图中可见，当从图中可见，当 H 已减到零已减到零时，时，B 并未回到零值，而等于并未回到零值，而等于Br。这种磁感应强度滞后于磁场强。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度变化的性质称为磁性物质的磁磁滞性滞性。Hc 称为称为剩磁感应强度剩磁感应强度。要。要使使 B 值从值从Br 减小到零，必须加反减小到零，必须加反向外磁场，对应的反向外磁场强向外磁场，对应的反向外磁场强度度 Hc 称为称为矫顽

13、磁力矫顽磁力。铁心在反。铁心在反复交变磁化的情况下，其磁化过复交变磁化的情况下，其磁化过程是不可逆的。程是不可逆的。O OHHB BHHc cB Br r 几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线a a 铸铁铸铁铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢铸钢铸钢 c c 硅钢片硅钢片硅钢片硅钢片O O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 10103 3HH/(A/m)/(A/m)HH/(A/m)/(A/m)1 2 3 4 5 6

14、 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10103 3B B/T/T1.81.81.61.61.41.41.21.21.01.00.80.80.60.60.40.40.20.2a ab ba ab bc cc c 按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)(1)软磁材料软磁材料软磁材料软磁材料 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、坡莫合机

15、、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。金即铁氧体等。(2)(2)永磁材料永磁材料永磁材料永磁材料 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。久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)(3)矩磁材料矩磁材料矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，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。件和逻辑元件。常用

16、的有镁锰铁氧体等。BH0软磁性材料磁滞回线软磁性材料磁滞回线包围的面积很小包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。包围的面积很宽大。BH0矩形材料迟滞回矩形材料迟滞回线类似为矩形线类似为矩形（四）磁路的基本定律（四）磁路的基本定律（四）磁路的基本定律（四）磁路的基本定律1磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 将全电流定律应用到材料相同、截面相等的无分支闭合将全电流定律应用到材料相同、截面相等的无分支闭合磁路上，则有磁路上，则有 假设如上图的铁磁回路，其磁导率为假设如上图的铁磁回路，其磁导率为 ，铁心的截面积，铁心的截面积为为S，磁路的平均长度为，磁路的平均长度为 ，

17、将磁势将磁势 及及代入上式可得：代入上式可得：定义定义 为为磁阻磁阻，为为磁导磁导，它反映磁路的导体能，它反映磁路的导体能力，显然磁阻与磁路的结构尺寸以及所采用的磁性材料密切力，显然磁阻与磁路的结构尺寸以及所采用的磁性材料密切相关。相关。磁势磁势F、磁通、磁通 的关系与电路中的电压和电流的关系的关系与电路中的电压和电流的关系相似，磁阻和电阻相似，因此将上式看作磁路的欧姆定相似，磁阻和电阻相似，因此将上式看作磁路的欧姆定律。其等效图如图所示。律。其等效图如图所示。磁路的欧姆定律等效电路磁路的欧姆定律等效电路 和电路中的基尔霍夫定律一样，磁路也有类似的定律。和电路中的基尔霍夫定律一样，磁路也有类似

18、的定律。1 1磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律式中式中式中式中 为磁阻为磁阻为磁阻为磁阻,为磁导。为磁导。为磁导。为磁导。2 2磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律3 3磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律二、交流铁芯线圈二、交流铁芯线圈 励磁电流为直流时，称为励磁电流为直流时，称为励磁电流为直流时，称为励磁电流为直流时，称为直流铁心线圈直流铁心线圈直流铁心线圈直流铁心线圈（如直流电磁铁、（如直流电磁铁、（如直流电磁铁、（如直流电磁铁、直流继电器的线圈），当励磁电流为交流时，称为直流

19、继电器的线圈），当励磁电流为交流时，称为直流继电器的线圈），当励磁电流为交流时，称为直流继电器的线圈），当励磁电流为交流时，称为交流铁心线交流铁心线交流铁心线交流铁心线圈圈圈圈（如交流电机、变压器的线圈）。（如交流电机、变压器的线圈）。（如交流电机、变压器的线圈）。（如交流电机、变压器的线圈）。主磁通主磁通主磁通主磁通 ：通过铁心闭合的：通过铁心闭合的：通过铁心闭合的：通过铁心闭合的磁通。磁通。磁通。磁通。与与与与i i不是线性关系。不是线性关系。不是线性关系。不是线性关系。漏磁通漏磁通漏磁通漏磁通 ：经过空气或其它：经过空气或其它：经过空气或其它：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。非导磁媒

20、质闭合的磁通。非导磁媒质闭合的磁通。非导磁媒质闭合的磁通。+e ee e u uN Ni i（一）电磁关系（一）电磁关系（一）电磁关系（一）电磁关系（二）电压电流关系（二）电压电流关系（二）电压电流关系（二）电压电流关系式中：式中：式中：式中：B Bmm是铁心中磁感应强度的最大值，是铁心中磁感应强度的最大值，是铁心中磁感应强度的最大值，是铁心中磁感应强度的最大值，S S是铁心截面积。是铁心截面积。是铁心截面积。是铁心截面积。（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。交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。交流铁心线圈的功率损耗主

21、要有铜损和铁损两种。1.1.铜损（铜损（铜损（铜损（）在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中,线圈电阻线圈电阻线圈电阻线圈电阻R R 上的功率损耗称铜损，用上的功率损耗称铜损，用上的功率损耗称铜损，用上的功率损耗称铜损，用 表示。表示。表示。表示。式中：式中：式中：式中：R R是线圈的电阻；是线圈的电阻；是线圈的电阻；是线圈的电阻；I I 是线圈中电流的有效值。是线圈中电流的有效值。是线圈中电流的有效值。是线圈中电流的有效值。2.2.铁损（铁损（铁损（铁损（）在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损在交流铁心线圈

22、中，处于交变磁通下的铁心内的功率损在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损 耗称铁损，用耗称铁损，用耗称铁损，用耗称铁损，用 表示。表示。表示。表示。铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。+u ui i（1 1）磁滞损耗（）磁滞损耗（）磁滞损耗（）磁滞损耗（P Ph h）由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（磁滞损耗（磁滞损耗（磁滞损耗（P Ph h）。）。）。）。磁滞损耗的大小：磁滞损耗的大小：磁滞损耗的大小：磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞单位

23、体积内的磁滞损耗正比于磁滞单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积和磁场交变的频率回线的面积和磁场交变的频率回线的面积和磁场交变的频率回线的面积和磁场交变的频率 f f。O OHHB B 磁滞损耗转化为热能，引起铁心发磁滞损耗转化为热能，引起铁心发磁滞损耗转化为热能，引起铁心发磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。热。热。热。减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施：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。变压器和电机中选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中选用磁滞回线狭小

24、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。使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。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。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。(2)(2)涡流损耗（涡流损耗（涡流损耗（涡流损耗（P Pe e）涡流损耗涡流损耗涡流损耗涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。涡流涡流涡流涡流：交变磁通在铁心内产生感应交变磁通在铁心内产生感应交变磁通在铁心内产生感

25、应交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。于磁通的平面内环流。于磁通的平面内环流。于磁通的平面内环流。涡流涡流涡流涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。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：铁心线圈交流电路的有功功率为：铁心线圈交流电路的有功功率为：铁心线圈交流电路的有功功率为：