磁场的基本物理量

1、第二篇电机与控制第二篇电机与控制本篇主要介绍了磁路、变压器、异步电动机和控制电机等。从应用的角度出发，讲解异步电机的工作原理和基本使用控制方法，重点放在电机的外特性上。最后借助经典的继电接触器控制概念，介绍了PLC（可编程序控制器）控制技术。 第第7章章 磁路磁路一、磁感应强度一、磁感应强度 （磁通密度）（磁通密度） 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（通（磁力线磁力线）。）。SB单位：单位：韦伯韦伯1 Tesla = 104 高斯高斯B 的单位：的单位：特斯拉特斯拉（Tesla）7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量二、磁通二、磁通BS单位：韦伯（单

2、位：韦伯（Wb）B 单位：特斯拉（单位：特斯拉（T） 磁感应强度磁感应强度B与垂直与磁场方向的面积与垂直与磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通。的乘积，称为通过该面积的磁通。dtdNe单位：单位：伏秒伏秒 三、磁场强度三、磁场强度 H 磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为小为磁感应强度磁感应强度和和导磁率导磁率之比。之比。BH 单位：单位：B ：特斯拉：特斯拉：亨亨/米米H：安安/ /米米四、磁导率四、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量：表征各种材料导磁能力的物理量（亨（亨/米）米）70104 真空中真空中的磁导率的磁导率( )为常数为常数0一

3、般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率r0r1r，则称为，则称为磁性材料磁性材料1r，则称为，则称为非磁性材料非磁性材料7.2 磁性材料磁性材料7.2.1 磁性材料的主要特性磁性材料的主要特性 1. 非线性非线性大大小小BH)(I) 2. 磁饱和性磁饱和性HBBH 3. 磁滞性磁滞性7.2.2 磁性材料的分类磁性材料的分类 根据磁性能，磁性材料又可分为三种：根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）；（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）；永磁材料永磁材料（磁滞回线宽

4、。常用做永久磁铁）；（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）；矩磁材料矩磁材料（滞回（滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。线接近矩形。可用做记忆元件）。图 a 软磁和硬磁材料的磁滞回线 图b 矩磁材料的磁滞回线 7.3 磁路的概念及磁路的基本定律磁路的概念及磁路的基本定律7.3.1 磁路的概念磁路的概念 典型磁路示意图 磁路：磁路：主磁通所经过的闭合路径。主磁通所经过的闭合路径。1u2uis 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁生磁通，分主磁通和漏磁通。通。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）线圈线圈7.3.2 磁路的基本定律磁路

5、的基本定律一一. 安培环路定律（全电流律）：安培环路定律（全电流律）： 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分, ,等等于通过这个闭合路径内电流的代数和。于通过这个闭合路径内电流的代数和。HI1I2I3IldH电流方向和磁场强度的方向电流方向和磁场强度的方向符合符合右手定则右手定则的，电流取正；的，电流取正；否则取负。否则取负。HLNI 在无分支的均匀磁路在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路磁路长度长度L线圈线圈匝数匝数NIHL：称为磁压降

6、。称为磁压降。NI：称为磁动势。称为磁动势。一般用一般用 F 表示。表示。F=NIHLNI总磁动势总磁动势 在非均匀磁路在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。总磁动势等于各段磁压降之和。00lHIHNI例：例：INl0l对于均匀磁路对于均匀磁路 LSLBHLNI磁路中的磁路中的欧姆定律欧姆定律二二. 磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律：则：则： mRLSNIFINSL注：注：由于磁性材料由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。分析，不做定量计

7、算。slRm令：令：Rm 称为磁阻称为磁阻7.4 直流磁路直流磁路直流磁路的励磁线圈中通入的是直流电流，磁路的磁通势和磁通都是恒定的。下面就通过两道例题，介绍简单直流磁路的计算方法。 例例1 一个环形线圈如图所示，其外径D186mm，内径D274mm，线圈匝数N100，励磁电流I1.25A。若环形线圈的心子分别采用铸钢、电工钢片和非磁性材料塑料制成，试分别计算磁路中的磁通和它们的磁导率。 图 例1的图 解解 这是一个没有分支的均匀磁路，已知磁通势NI，要求计算磁通。无分支磁路是指只有一个回路的磁路，均匀磁路是指磁路中各处材料相同且质地均匀、截面积相等。 这个问题不能直接用磁路的欧姆定律求解。因

8、为对于磁性材料来说，其磁导率不是常数，它是随激励电流的大小不同而变化的，现为未知数，所以磁阻Rm为未知。但是可以应用磁路的有关定律和公式，按如下顺序求解： BH，最后再计算出磁导率。 磁路的平均长度 1286740.2522DDlmH NIl50025. 025. 1100(A/m)查阅图7-4可得，当H500A/m时，铸钢的磁感应强度B0.64T，电工硅钢片的磁感应强度B1.25T。环形铁心的截面积22521228.3()2.83 10 ( )4DDsmmm当材料是铸钢时551081. 11083. 264. 0SB(Wb)31028. 150064. 0HB(H/m) 当材料是电工硅钢片时

9、551054. 31083. 225. 1SB(Wb) 3105 . 250025. 1HB(H/m) 塑料是非磁性树料，它的其磁导率是已知的， H/m，所以其磁感应强度701044701028. 6500104HB（T） 8541078. 11083. 21028. 6SB(Wb) 如果上述环形线圈的铁心由磁性材料做成，且在铁心上开一个很小的空气隙，如图所示（图中励磁线圈略去未画)，这时铁心中的磁通如何改变?图 包含气隙的环形铁心例题例题2 一线圈,匝数 1000N,绕在铸钢制成的铁心上,铁心截面积S=20 2cm铁心平均长度cml50,该磁路如图所示。 欲在铁心中产生磁通002. 0（2）

10、若在贴心中加入一个0.2cm的空气隙,欲保持磁通不变,通入绕组的直流励磁电流I=?Wb,应在绕组中通入多大的直流励磁电流?图 例2的图NI解解 本例题是已知磁路中的磁通,求励磁电流(磁通势 ）。（1）当磁路完全由铸钢制成时，是均匀磁路。11020002. 04SB（T） 查图知铸钢材料在B=1T时,H =1000A/m5 . 010005 . 01000NHlI(A) (2) 如果磁路由不同材料或者不同截面积的几段组成,则成为不均匀磁路。现磁路中加入了空气隙是不均匀磁路。这时可根据安培环路定律，进行分段积分，可得计算磁路的基本公式 2211lHlHNl计算步骤： B第一，对于不同截面积的磁路，

11、分别计算各段的磁感应强度。无分支磁路磁通处处相等。 BH第二，根据材料的磁化曲线查出与值对应的值。 第三,分别计算各段的NI值。第四，最后可得 0011lHlHNI7.5 交流磁路与交流铁心线圈交流磁路与交流铁心线圈 7.5.1 磁通与电压的关系磁通与电压的关系：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei1. 电磁关系电磁关系i(Ni)u dtdNedtdiLdtdNe电路方程：电路方程：dtdNRieeuulR)()(一般情况下一般情况下 很小很小RudtdNu 交流激励交流激励 线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei的感应电势的感应电势 和和 产生产生

12、2.2.电压电流关系电压电流关系假设假设tmsin则则tfNtNummcos2cos最大值最大值mmfN U2有效值有效值mmfNUU44.42dtdNu uLeeimNfU44.4mRIN m一定时磁动势一定时磁动势IN随磁阻随磁阻 的变化而变化。的变化而变化。mR当外加电压当外加电压U、频率、频率 f 与与线圈匝数线圈匝数N一定时一定时， 便便基本不变。根据磁路欧姆基本不变。根据磁路欧姆定律定律 ，当，当 m 交流磁路的特点交流磁路的特点: :交流磁路交流磁路和电路中的和电路中的恒流源恒流源类似类似交流磁路中：交流磁路中：mRF 固定固定mRF随随 变化变化直流电路中：直流电路中：RIUS

13、 IS固定固定U 随随 R 变化变化uLeei交流磁路中磁阻交流磁路中磁阻 对电流的影响对电流的影响mR 电磁铁吸合过程的分析：电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电在吸合过程中若外加电压不变压不变, 则则 基本不变。基本不变。iumRmRIN 电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大） 大大 起动电流大起动电流大 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小） 小小 电流小电流小mR 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线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。圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 注意：注意：7.5.2 铁

14、心线圈的功率损耗铁心线圈的功率损耗铁损铁损 PFe:磁滞损耗磁滞损耗: Ph:由于磁滞由于磁滞回线回线,交变磁化产生。交变磁化产生。涡流损耗涡流损耗 Pe:铁心中感铁心中感应的电动势和电流。应的电动势和电流。克服方法克服方法:1.磁滞损耗磁滞损耗: 选用软磁材料选用软磁材料.2.涡流损耗涡流损耗:采用硅钢片采用硅钢片,叠加而成叠加而成 铜损铜损 Pcu: 线圈电阻线圈电阻R上的损耗（上的损耗（ ）.2RI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：FePRIUICOSP27.5.3 交流铁心线圈的等效电路交流铁心线圈的等效电路 7.5.3 交流铁心线圈的等效电路 20IPRFe

15、IQXFe0IUIUXRZ20200本章小结本章小结1磁性物质的性能 1）磁性物质都能被磁化，而非磁性物质均不能被磁化。2）磁性物质具有磁导率高、磁饱和性、磁滞现象。3）磁性物质通常分为软磁、硬磁、矩磁三大类。2由铁磁材料组成的闭合通路（中间可含有微小气隙）称为磁路，磁通绝大部分集中在磁路内。磁路中的磁通势、磁压、磁通和磁阻与电路中的电动势、电压、电流和电阻相对应，磁路的欧姆定律和基尔霍夫定律的表达式为 mmRF0INHl3简单的无分支直流磁路的计算分为两类问题：一类是已知磁通求磁动势，其计算步骤可归纳为INHlHHHBBSB对于气隙直接求解曲线查由根据已知 另一类问题是已知磁通势求磁通，通常采用的方法是试探法。RUI mRmmRFmfNU44. 4mR4铁心线圈按其励磁方