电工与电子技术基础 - 第5章

电工与电子技术基础第一章电路分析基础第二章正弦交流电路第三章三相交流电路第四章电路的暂态过程第五章磁路与铁心线圈电路5.1磁的基本知识5.2磁路及其分析方法5.3交流铁心线圈电路5.4电磁铁本章学习要点1.励磁电流产生磁场的概念；2.掌握表征磁场强弱的物理量。3.全电流定律(安培环路定律)。4.磁压降与磁动势的概念。5.磁路、磁阻与磁路欧姆定律。磁性—人们把具有吸引铁、镍、钴等磁物质的性质称为磁性磁体—具有磁性的物体叫作磁体。磁极—磁极有北极N和南极S，同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。南极S北极N一.电磁的基本知识1.磁的基本知识磁场—磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场，磁场是用磁力线进行形象描述，用磁力线的疏密程度描绘磁场的强弱,磁力线向外由N极出发，经外空间进入S极，内部由S至N，闭合不断，且不相交，两磁极同时存在不可分割。磁力线—用来描述磁场强弱和方向的假想回线，称为磁力线。北极N南极S磁力线均匀磁场:—各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。2.电流与磁场电流周围存在着磁场，产生磁场的根本原因是电流，磁场总是伴随着电流而存在，而电流则永远被磁场所包围。所以，产生磁场的电流称为励磁电流，电流产生磁场的方式又称为激磁。通电导线（或线圈）周围磁场和磁力线的方向，常用右手螺旋定则来判断。3.电流与磁动势电流与线圈匝数的乘积称为磁动势。INF（安匝）4.右手螺旋定则产生磁动势的条件：线圈中有励磁电流。线圈通电时磁场的方向判断：大拇指伸直，其余四指沿着电流方向围绕线圈，四指弯曲所指的方向就是磁场的方向，大拇指所指就是磁场方向。单根导线通电时磁场的方向判断：用右手握紧导线，大拇指伸直，指向电流的方向，四指弯曲所指的方向就是磁场的方向。右手螺旋定则5.电磁感应定律一个匝数为N的线圈，在变化的磁场中产生的感应电动势的大小与线圈匝数和线圈所交链的磁通对时间的变化率成正比。当感应电动势正方向与产生它的磁通正方向符合右手螺旋定则时，则有：idtdNeNØ产生感应电势的条件：线圈中有交变的电流和交变的磁通。e6.电磁力定律载流导体在磁场中受到力的作用，当磁场与导体相互垂直作用时，作用在载流导体的电磁力为BlIF7.磁场的物理量BSSBB①磁感应强度磁场中某一点的磁感应强度，可以通过该点磁力线的疏密表示，磁力线方向表示该点磁场方向。所以B又称为磁通密度。B的大小与磁场周围介质的磁导率μ有关；②磁通磁通密度：穿过某一截面的磁感应向量的通量称为磁通。（特斯拉）（韦伯）③导磁率磁场中导磁材料的导磁率，表征物质的导磁性能。0r相对导磁率：（享利/米）真空的磁导率是常数三类物质的导磁率：r反磁物质：1，如铜、银。顺磁物质：1，如空气、锡。rr铁磁物质：1，如铁、镍、钴及其合金。☆铁磁材料常作为磁性材料利用在电气设备中。H/m10π470非磁性物质：μr≈1的物质，如铜、铝、橡胶、空气、塑料等。铁磁性物质：μr1的物质，如铁、镍、钴、钢、合金钢、坡莫合金等。铁磁性物质彼此之间的相对磁导率差别很大。如铸铁的μr≈200～400；铸钢的μr≈500～2200；硅钢的μr≈7000～10000；坡莫合金的μr≈20000～200000。一个磁路中若有气隙存在，则气隙磁阻铁芯磁阻。物质根据相对磁导率的不同可分为两大类④磁场强度磁场中某一点的磁感应强度与磁场介质导磁率的比值，称为磁场强度。BH磁场强度与磁场中的介质的导磁率无关。（安/米）8.磁性材料的特性铁磁材料具有如下特性：（1）高导磁性（几百到几万）；（2）磁饱和非线性；（3）磁滞性；（1）高导磁性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。（2）磁饱和非线性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。有磁性物质存在时，B与H不成正比，与I不成正比。磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。（3）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。OHBB0BJB•a•bOHB,BOHBBrHc•①磁化曲线磁化曲线具有饱和性（B不再随H增大而增大）。磁导率μr不是常数（曲线的斜率表明）。磁导率μr随H变化而变化（但H与μr无关）。磁饱和现象几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc磁性物质的磁化现象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。磁畴是由分子电流产生的。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。磁畴磁畴是由分子电流产生的。②磁滞回线由于磁感应强度B始终滞后于磁场强度H的变化，将磁性材料的这种性质称为磁滞。不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算（如图中虚线所示）。磁滞现象娇顽力磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性；铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。起始磁化曲线和磁滞回线9.磁性材料的分类②软磁材料：磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。由于电机铁心采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。①硬磁材料：磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢、镍铝钴合金、钕铁硼等。一般用来制造永久磁铁。③矩磁材料：磁滞回线为窄矩形，易磁化至饱和，并且饱和磁性保持不变，如镁锰、铁淦氧等。主要用于计算机存储器。磁滞性的名辞解释磁滞回线：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••••剩磁（剩磁感应强度Br)：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Hc：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。OHBBrHc•磁路的概念在电机、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它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路二.磁路的基本定律NIlH1.全电流定律对于不均匀磁路，即各段磁路的材料或截面积不相同，并且由若干个励磁线圈通入不同电流共同作用时，全电流定律表示为：L2N2i1i2L1N1δN2在无分支的磁路中，磁通Φ与磁动势F大小成正比，与磁路中的总磁阻Rm的大小成反比，即有：mRF（Ω）（韦伯）其中磁阻：SLRm2.磁路欧姆定律磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFmSlRSlEREINI+_EIR在磁路中根据磁通的连续性可得：穿入任一闭合面的磁通必等于穿出该闭合面的磁通，即磁路中通过任何闭合面上的磁通的代数和等于零。0式中一般将穿出闭合面的磁通取正号，穿入闭合面的磁通取负号。3.磁路基尔霍夫第一定律根据麦克斯韦方程可得出：在闭合的磁路中，各段磁压降的代数和等于闭合磁路中磁动势的代数和，即有：INHLH——磁场强度，A/m；L——各段磁路的长度，m；N——线积分线路所包围的导体数；I——每根导体所流过的电流，A。4.磁路基尔霍夫第二定律磁路与电路对比表磁路分析的特点(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。三.交流铁心线圈电路1.交流铁心线圈磁通与端电压的关系NφmfNUm44.4u2.交流磁路中的铁心损耗交流铁心线圈电路的损耗主要包括铜损和铁损。而磁路中的铁心损耗分为磁滞损耗和涡流损耗。whFeppp主磁通：对交流铁芯而言，当外加电压有效值及电源频率不变时，主磁通的最大值φm也将基本维持不变。①磁滞损耗:铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率f、铁心的体积V、磁滞回线的面积成正比。VBfkpnmhh磁滞损耗功率可用下式表示：kh——磁滞损耗系数，对一般电工钢片n=1.6～2.3；f——磁通交变频率；Bm——磁通密度的最大值。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。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。②涡流损耗:铁心是有阻值的，当磁通交变时，铁心中就会感应交变的电动势，在导电的铁心中就会产生环流，这种电流在铁心构成的回路与磁通相环链，称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。涡流损耗功率可用下式表示：22mwwBfkpkw——与材料有关的比例系数。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。铁心线圈通电产生磁场，能吸引铁磁物质，利用这种原理制造的电器，称为电磁铁。四.电磁铁根据使用电源类型分为：直流电磁铁——用直流电源励磁；交流电磁铁——用交流电源励磁。1.概述2.基本结构铁心衔铁衔铁有时是机械零件、工件充当衔铁FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心电磁铁的构造分成三个部分：线圈、铁心、衔铁。3.直流电磁铁的特性：（1）直流供电、电流恒定、磁场恒定、磁力稳定；（2）无磁滞损耗、无涡流损耗，只有线圈内的铜损；（3）线圈无感抗，靠线圈的直流电阻限制电流，相对线圈匝数较多；（4）吸合过程线圈电流不变，衔铁与铁心的闭合状态不影响线圈的工作电流；（5）铁心存在剩磁，断电后仍有残余的吸力；电磁吸力：721081SBF（牛顿）4.交流电磁铁的特性：（1）交流供电、电流交变、磁场交变、磁力脉动；（2）有磁滞损耗和涡流损耗，线圈内有铜损；（3）线圈有较大的感抗，靠线圈阻抗限制电流，相对线圈匝数较少；（4）衔铁与铁心的闭合状态直接影响线圈的工作电流；（5）衔铁与铁心的闭合过程，线圈电流由大变小。电磁吸力：7210161SBF（牛顿）本章学习结束。Goodbye!