第一讲磁路的基本知识汇总

1《电工基础》教案课题：项目四第一讲磁路的基本知识教学目的:1、理解磁路中磁势磁阻的概念以及磁路的欧姆定律。2、全电流定律及其应用。教学重点:磁路中的欧姆定律和全电流定律的应用教学难点：磁势和磁阻的概念教学方法：启发式综合教学法教学课时：4课时教学过程时间分配新课讲授：导入：磁路系统广泛应用在电器设备之中，如变压器、电机、继电器等。并且在电机和某些电器的磁路中，一般还需要一段空气隙，或者说空气隙也是磁路的组成部分。图1—1是电机电器的几种常用磁路结构。图(a)是普通变压器的磁路，它全部由铁磁材料组成；图(b)是电磁继电器磁路，它除了铁磁材料外，还有一段空气隙。图(c)表示电机的磁路，也是由铁磁材料和空气隙组成；图(b)是无分支的串联磁路，空气隙段和铁磁材料串联组成；图(a)是有分支的并联磁路。图中实（或虚）线表示磁通的路径。(a)(b)(c)图1—1几种常用电器的典型磁路(a)普通变压器铁芯；(b)电磁继电器常用铁芯；(c)电机磁路1、磁感应强度（磁通密度）B描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度B。为了形象地描绘磁场，往往采用磁感应线，常称为磁力线，磁力线是无头无尾的闭合曲线。图1—3中画出了直线电流及螺线管电流产生的磁力线。(a)(b)图1—3电流磁场中的磁力线150’2(a)直线电流；(b)螺线管电流磁力线的方向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系，如图1—3(a)所示。在国际单位制中，磁感应强度B的单位为特（特斯拉），单位符号为T，即211/TWbm（韦伯/米2）。2、磁通穿过某一截面S的磁感应强度B的通量，即穿过截面S的磁力线根数称为磁感应通量，简称磁通。用表示。即sdSB（1—1）图1—4均匀磁场中的磁通在均匀磁场中，如果截面S与B垂直，如图1—4所示，则上式变为BS或BS（1—2）式中，B为磁通密度，简称磁密，S为面积。在国际单位制中，的单位名称为韦（韦伯），单位符号Wb。3、磁场强度H计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强度H，它与磁密B的关系为HB（1—3）式中，为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为70410/Hm。铁磁材料的0，例如铸钢的约为0的1000倍，各种硅钢片的约为0的6000～7000倍。国际单位制中，磁场强度H的单位名称为安（安培）/米，单位符号/Am。4、铁磁材料铁磁材料，一般是由铁或铁与钴、钨、镍、铝及其他金属的合金构成，迄今为止是最通用的磁性材料。虽然这些材料的性能差异很大，但决定其性能的基本现象却是共同的。4.1铁磁材料的磁化研究发现，铁磁材料由许许多多的磁畴构成，每个磁畴相当于一个小永磁体，具有较强的磁矩，如图1—11所示。在未磁化的材料样品中，所有磁畴摆列杂乱，因此材料对外不显磁性，如图1—11（a）所示。当外部磁场施加到这一材料时，磁畴就会沿施加的磁场方向转向，所有的磁畴平行，铁磁材料对外表现出磁性，如图1—11(b)所示。因此，当外磁场加到铁磁材料时，铁磁材料产生比外部磁场单独作用所引起的磁场更强。随着外部磁场强度H的SB3增加，这一现象会继续，直到所有的磁矩沿施加的磁场排列，此时，磁畴将不再能使磁通密度B增加，也就是说材料完全饱和。这也是铁磁材料的磁导率比非铁磁材料大的多的原因。(a)(b)图1—11铁磁材料的磁化(a)未磁化；(b)磁化4.2起始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线将一块没有磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度由零逐渐增大时，磁通密度将随之增大，用)(HfB描述的曲线称为是铁磁材料的起始磁化曲线，如图1—12所示。图1—12起始磁化曲线图1—12可见，当磁场强度从零增大初期，磁密B随磁场强度H增加较慢(图中oa段)，之后，磁密B随H的增加而增大加快（ab）段，过了b点，B的增加减慢(bc段)，最后为cd段，又呈直线。其中a称为跗点，b点为膝点，c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近于0。各种电机和变压器的主磁路中，为了获得较大的磁密，又不过分增大磁动势，通常把铁心内的工作点磁通密度选择在膝点附近。若将铁磁材料进行周期性磁化，B和H之间的变化关系就会变成如图1—13中的abcdefa所示形状。当H开始从零增加到mH，以后逐渐减小磁场强度H，B值将沿曲线ab下降。当0H时，B值并不为零，而等于rB，称为剩余磁通密度，简称剩磁。要使B值从rB减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力，用cH表示。铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的BH闭合回线，称为磁滞回线，见图1—13中的abcdefa所示。曲线段abcd为磁滞回线下降分支，defa为磁滞回线上升分支。4图1—13铁磁材料的磁化特性对于同一铁磁材料，选择不同的磁场强度mH反复磁化时，可得出不同的磁滞回线，将各条磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线，或平均磁化曲线。起始磁化曲线与平均磁化曲线相差甚小。如图1—14的虚线所示。图1—14基本磁化曲线铁磁材料，如铁、镍等的磁导率比空气的磁导率0大几千到几万倍。磁导率除了比0大得多外，还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的不是一个常数。在工程计算时，不按/BH进行计算，而是按铁磁材料的基本磁化曲线计算。图1—15为电机中常用的硅钢片DR320、铸铁、铸钢的基本磁化曲线。5图1—15电机中常用的基本磁化曲线4.3软磁材料和硬磁材料磁滞回线较窄，剩磁rB和矫顽力cH都小的铁磁材料属于软磁材料，如硅钢片、铁镍合金、铁滏氧、铸钢等。这些材料磁导率较高，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小，多用于做电机、变压器的铁心。磁滞回线较宽，剩磁rB和矫顽力cH都大的铁磁材料属于硬磁材料，如钨钢、钴钢、铝镍钴、铁氧体、钕铁硼等，硬磁材料主要用做永久磁铁。4.4磁滞损耗和涡流损耗一、磁滞损耗磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下，发生移动和倒转时，彼此之间产生“摩擦”。由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向一致的排列便被保留下，不能恢复原状，形成了磁滞现象和剩磁。铁磁材料在交变磁场的作用下而反复磁化过程中，磁畴之间不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起损耗。这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线面积越大，损耗越大。磁通密度最大值mB越大时，磁滞回线面积也越大。试验表明，交变磁化时，磁滞损耗hP与磁通的交变频率f成正比，与磁通密度的幅值mB的n次方成正比，与铁心重量G成正比，即GfBCpnmhh（1—14）式中，hC为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片，3.2~6.1n。由于硅钢片的磁滞回线面积较小，所以电机和变压器的铁心都采用硅钢片。二、涡流损耗当通过铁心的磁通发生交变时，根据电磁感应定律，在铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通呈旋涡状流动，如图1—16所示，称为涡流。涡流在铁心中引起损耗，称为涡流损耗。65、小结：本节对对电机学中遇到的电磁学的基本知识和基本定律做了一个简单的回顾。同时介绍了铁磁材料的基本知识。铁磁材料常常用来导向和集束磁场，形成磁路。因为铁磁材料的磁导率可以很大(达周围空间磁导率的好几万倍)，大部分磁通就被限制在精心设计的路径中，这一路径由磁性材料的几何形状决定。因而，在这些磁结构中磁场的求解，可以直截了当地用磁路分析方法来获得。不同铁磁材料的性能各异，一般而言，铁磁材料的特性为非线性，而其B—H特性常常以磁滞回线族的形式表示。铁磁材料的损耗，指磁滞损耗及涡流损耗与磁通量、工作频率、材料成分和所采用的制造工艺有关。通常，材料制造商以曲线形式提供材料的重要特性供使用。106、思考题1．电机和变压器的磁路常采用什么材料制成，这种材料有那些主要特性？2．磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与那些因素有关？3．试比较磁路和电路的相似点和不同点。4．什么是软磁材料?什么是硬磁材料？20