第11章 磁路与铁心线圈

第11章

磁路和铁芯线圈电路

11.1

磁路及基本物理量11.2交流铁芯线圈11.3电磁铁磁路的基本知识交流铁芯线圈电路加以分析电磁铁本章重点11.1磁路及基本物理量1）

磁路概念主磁通漏磁通由交流电流励磁的磁路叫交流磁路

用于产生磁通的电流

通过励磁电流的线圈称为励磁线圈或励磁绕组

由直流电流励磁的磁路叫直流磁路主要由铁磁物质所组成的，能使绝大部分磁通通过的路径称为磁路磁路励磁电流励磁绕组直流磁路

交流磁路

2）

磁路的主要物理量1.磁感应强度B磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢。磁感应强度B的单位为特斯拉（T），简称特。2.磁通Ф在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Ф。或磁通的单位是韦伯（Wb），简称韦。磁感应强度B在数值上等于与磁场方向垂直的单位面积上通过的磁通，所以磁感应强度又称为磁通密度。3.磁导率μ

磁导率μ是用来表征物质导磁能力的物理量，它的单位是H/m（亨/米）。实验测出，真空（或空气）的磁导率是一个常数，为其他物质的磁导率μ与真空的磁导率μ0的比值，称为该物质的相对磁导率μr4.磁场强度H

磁场强度H是一个矢量，反映的是电流产生的磁场中某点磁场的强弱和方向，而与磁场中有无磁介质无关。故定义为

或单位是安/米（A/m）。11.2铁磁材料的磁性能

根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分为两大类。一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴等，这类材料的导磁性能好，磁导率μ值大，可以被强烈磁化；另一类为非铁磁材料，如铜、铝、纸、空气等，此类材料的导磁性能差，磁导率μ≈μ0，基本上不具有磁化的特性。

铁磁材料应用：铁磁材料是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料，铁磁材料的磁性能对电磁器件的性能和工件状态有很大的影响。铁磁材料的磁性能主要体现为高导磁性、磁饱和性和磁滞性。1）高导磁性铁磁材料具有很强的导磁能力，在外磁场的作用下，其内部的磁感应强度会大大增强，相对磁导率μr可达102～104的数量级。这是因为在铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴，在没有外磁场作用时，这些磁畴无规则排列，磁场相互抵消，对外不显示磁性。如图(a)所示。在一定强度的外磁场作用下，铁磁材料内部的磁畴将顺着外磁场的方向转向；当外磁场逐渐增强，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向，产生一个与外磁场同方向的附加磁场，使铁磁物质内的磁感应强度大大增强，如图(b)所示，这种现象称为磁化。非铁磁材料由于其内部不存在磁畴结构，所以不具有磁化特性2）磁饱和性铁磁材料由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场增强而无限地增强，当外磁场增强到一定数值时，磁化磁场的磁感应强度几乎不再增加，这种现象称为磁饱和现象。这是由于铁磁材料内部的磁畴已经全部转向与外磁场相同的方向，铁磁材料的磁化过程可由B-H曲线描述，称为铁磁材料的磁化曲线。磁化曲线大致上可分为四段，其中oa段的磁感应强度B随磁场强度H增加较慢；ab段的磁感应强度B随磁场强度H几乎成正比地增加；b点以后，B随H的增加速度又减慢下来，逐渐趋于饱和；过了c点以后，其磁化曲线近似于直线，且与真空或非铁磁物质的磁化曲线B0=f（H）平行。工程上称a点为附点，称b点为膝点，c点为饱和点。铁磁材料的B与H的关系是非线性的，由B=μH的关系可知，其磁导率μ的数值将随磁场强度H的变化而改变，铁磁材料在磁化起始的oa段和进入饱和以后，μ值均不大，在膝点b的附近μ达到最大值。所以电气工程上通常要求铁材料工作在膝点附近。非磁性材料不具备磁化的性质，μ0是常数，磁化曲线见图中的B0=f(H)。3）磁滞性当铁心线圈中通有交变电流时，铁心受到交变磁化。矫顽磁力剩磁在铁磁材料反复磁化的过程中，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞现象，图中所示的封闭曲线称为磁滞回线。

铁磁材料按其磁性能又可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三种类型，如图所示。剩磁和矫顽磁力较小，磁滞回线较窄，磁导率高，所包围的面积较小。它既容易磁化，又容易退磁，一般用于有交变磁场的场合，如用来制造镇流器、变压器、电动机以及各种中、高频电磁元件的铁心等。软磁材料剩磁和矫顽磁力较大，磁滞回线较宽，所包围的面积较大，适用于制作永久磁铁，如扬声器、耳机、电话机、录音机以及各种磁电式仪表中的永久磁铁都是由硬磁材料制成的。硬磁材料磁滞回线近似于矩形，具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，接近饱和磁感应强度，稳定性好。但由于矫顽磁力较小，易于翻转，常在计算机和控制系统中作记忆元件和开关元件。矩磁材料11.3磁路的基本定律

对于磁场中任意封闭曲面，进入该封闭曲面的磁通等于穿出该封闭曲面的磁通，则有磁路的基尔霍夫第一定律全电流定律的数学表示式为根据全电流定律称为磁位差，用表示，即

由于励磁绕组为N匝，有N个电流I穿过磁力线所围曲面，故故因称为铁心中的磁阻称为空气隙中的磁阻

IN为产生磁通的磁化力，称为磁动势，用Fm表示可知

磁路的基尔霍夫第二定律如磁路由几段串联组成，则磁路的欧姆定律【例11-1】一空心环形螺旋线圈，其平均长度为30cm，横截面积为10cm2，匝数等于103匝，线圈中电流为10A，求线圈磁阻，磁动势及磁通。解：

11.4交流铁心线圈的电路模型交流铁心线圈由交流电来励磁，产生的磁通是交变的，其电磁关系、电压电流关系以及功率损耗等方面与直流铁心线圈不同，其分析计算要复杂得多。铁心线圈是把导线缠绕在由铁磁材料加工而成的具有一定形状的骨架上而构成的。直流铁心线圈由直流电来励磁，产生的磁通是恒定的，线圈中不会产生感应电动势，线圈中的电流由外加电压和线圈本身的电阻决定，功率损耗也只有线圈电阻上的损耗，分析比较简单。交流铁心线圈铁心线圈直流铁心线圈1)交流铁芯线圈的电磁关系由基尔霍夫电压定律，可得设主磁通

则其中是主电动势e的幅值，其有效值为故可见，外加电压的相位超前于铁心中磁通90°，而外加电压的有效值当线圈匝数N、外加电压U和频率f都一定时，铁心中的磁通最大值将基本保持不变

结论：2)交流铁心线圈电路的功率损耗在交流铁心线圈电路中，除了在线圈电阻上有功率损耗外，铁心中也会有功率损耗。交流铁心线圈的功率损耗铜损PCu铁损PFe：铁心中损耗的功率：线圈上损耗的功率铁损PFe涡流损耗Pe磁滞损耗Ph：由磁滞现象所引起的损耗：由涡流所引起的损耗交流铁心线圈的功率损耗为在直流磁路的铁心中，因磁通是恒定的，故不存在铁损耗【例】某铁心线圈，加10V直流电压时，电流为1A；加220V交流电压时，电流为2A，且消耗功率为188W。试求加220V交流电压时铁心线圈的PCu、PFe及解：设铁心