磁路计算.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 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。,磁路,一、磁感应强度,（磁通密度,flux density,）,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）。,单位：韦伯,1 Tesla=10,4,高斯,B,的单位：特斯拉（,Tesla,）,6.1,磁场的基本物理量,磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁,磁导率等几个物理量表示,。,矢量,二、磁通,(flux),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。,单位：韦伯（,Wb,）,B,单位：特斯拉（,T,）,单位：伏秒,三、磁场强度,H,(magnetizing force),磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。,单位：,B,：特斯拉,：亨,/,米,：安,/,米,（亨,/,米）,真空中的磁导率,(),为常数,一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，,称为这种材料的相对磁导率,，则称为磁性材料,，则称为非磁性材料,四、磁导率,（,Permeability,）,磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍极其合金等材料。,分子电流和磁畴理论,：,分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。,由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。,6.2,磁性材料的磁性能,高磁导率的成因,磁性物质没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加,物质被强烈的磁化了。,磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁铁、变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感应强度和磁通。,非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。,磁性物质的磁化示意图,(a),无外场，磁畴排列杂乱无章。,(b),在外场作用下，磁畴排列逐渐进入有序化。,磁性材料的磁性能,一、高导磁性,指磁性材料的磁导率很高，,r,1,，使其具有被强烈磁化的特性。,二、磁饱和性,当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性,材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，,磁化磁场的磁感应强度,B,J,达到饱和值,。,高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,磁化曲线,B,和,与,H,的关系,注,当有磁性物质存在时,B,与,H,不成比例，,与,I,也不成比例,。,三、磁滞性,characteristics of hysteresis,当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）,时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，,B,随,H,而变化，,当,H,已减到零值时，但,B,未回到零，这种磁感应强度滞,后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,磁滞回线,剩磁：,当线圈中电流减到零,（,H,0,），铁心在磁化时所,获的磁性还未完全消失，这,时铁心中所保留的磁感应强,度称为剩磁感应强度,B,r,根据磁性能，磁性材料又可分为三种：,软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、,永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、,矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。,返回,磁性物质的分类,根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：,(1),软磁材料,其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。,(,铁心,),(2),永磁材料,其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。,(,磁铁,),(3),矩磁材料,其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。,(,记忆元件,),H,B,H,B,H,B,铸铁、铸钢及硅钢片的磁化曲线,铸铁,铸钢,硅钢片,铸铁,铸钢,硅钢片,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,i,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,：,主磁通,：,漏磁通,铁心,（导磁性能好,的磁性材料）,线圈,6.3,磁路及其基本定律,磁路的基本概念,一,.,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,等于通过这个闭合路径内电流的代数和。,I,1,I,2,I,3,电流方向和磁场强度的方向,符合右手定则的，电流取正；,否则取负。,在无分支的均匀磁路（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：,磁路,长度,L,线圈,匝数,N,I,HL,：称为磁压降。,NI,：,称为磁动势。,一般用,F,表示。,F,=,NI,总磁动势,在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，,总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,I,N,对于均匀磁路,磁路中的,欧姆定律,二,.,磁路的欧姆定律：,则：,I,N,S,L,注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性,分析，不做定量计算。,令：,R,m,称为磁阻,磁路和电路的比较,磁,路,电,路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,电动势,电流,电压降,U,磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的 磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势,F,NI,。,计算均匀磁路要用磁场强度,H,，,即,NI,Hl,，,如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组,成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成。,NI,H,1,l,1,H,2,l,2,（,H l,）,解,磁路的平均长度为,l,（,10,15,）,2,）,39.2cm,查铸钢的磁化曲线,，,当,B,0.9T,时,，,H,1,500A,m,于是,H,1,l,1,195A,空气隙中的磁场强度为,H,0,B,0,0,0.9,（,4,*,10,7,）,7.2*10,5,A/m,有一环形铁心线圈，其内径为,10cm,，,外径为,15cm,，,铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气气隙，其长度等于,0.2cm,。设线圈中通有,1A,电流，如要得到,0.9T,的磁感应强度，试求线圈匝数。,例题,6.1,H,0,7.2,10,5,0.2,10,-2,1440A,总磁通势为,NI,（,H,l,）,H,1,l,1,H,0,195,1440,1635,线圈匝数为,N,NI,I,1635,若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量大为降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低 当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定）,结论,返回,励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流,励磁电流,直流,-,直流磁路,交流,-,交流磁路,磁路分析,直流磁路,交流磁路,6.4,交流铁心线圈电路,I,U,直流磁路的特点,:,直流磁路和电路中的恒压源类似,直流电路中,E,固定,I,随,R,变化,随 变化,直流磁路中,F,固定,一定,一定,磁动势,F=IN,一定,磁通和磁阻成反比,（线圈中没有反电动势）,（,R,为线圈的电阻）,一,.,直流磁路的分析,二,.,交流磁路的分析,(,交流铁心线圈电路,),：主磁通,：漏磁通,u,i,1.,电磁关系,电路方程：,一般情况下 很小,交流激励 线圈中产生感应电势,：主磁通,：漏磁通,u,i,的感应电势,和 产生,2.,电压电流关系,假设,则,最大值,有效值,u,i,一定时磁动势,IN,随磁阻 的变化而变化。,当外加电压,U,、频率,f,与,线圈匝数,N,一定时，便,基本不变。根据磁路欧姆,定律 ，当,交流磁路的特点,:,交流磁路和电路中的恒流源类似,交流磁路中：,固定,F,随 变化,直流电路中：,I,S,固定,U,随,R,变化,u,i,(,U,不变，,I,不变）,(,I,随,R,m,变化）,（,U,不变时，基本不变,）,直流磁路,交流磁路,磁路小结,（,随,R,m,变化）,3,、铁心线圈电路的能量损失,1,铁心线圈电路的铜损,无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损。,P,cu,=,I,2,R,返回,铁心线圈的功率损耗主要有两部分,2,铁心线圈电路的铁损,有铁心的线圈加上交流电时，它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热，这种能量损耗称为铁损。,返回,磁滞损耗,铁损,涡流损耗,P,Fe,=P,h,+P,e,磁滞损耗,P,h,：,铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量，使磁铁发热。,可以证明，铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比。所以一般为了减小磁滞损耗，常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心，通常采用硅钢。,返回,涡流损耗,P,e,:,磁铁材料既导磁又导电，在交变磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗。,ic,返回,为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。,另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在较小的截面内流过；,i,i,c,交流铁心线圈的铁心都选用法。,0.5,或,0.35mm,厚的彼此绝缘的硅钢片叠成,返回,三,.,交直流磁路的比较,.,在直流磁路中，磁动势，磁通，磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的，而在交流磁路中，这些量应随时间不断地变化,。,返回,.,直流励磁电流的大小取决于线端,电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及气隙大小等）无关，而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定。,.,交流磁路的磁通基本上由线圈电 压决定，与磁路的性质无关，而在直 流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通,的大小与磁路的磁阻有关。,返回,.,交流磁路中，在交变磁通的作用下，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变的，所以无铁损。,6.4,电磁铁,1.,概述,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。,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。,2.,基本结构,电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。,铁心,衔铁,衔铁,有时是机械零件、工件充当衔铁,F,F,F,F,线圈,线圈,衔铁,铁心,线圈,铁心,3.,电磁铁吸力的计算,电磁铁吸力的大小与气隙的截面积,S,0,及气隙中的磁感应强度,B,0,的平方成正比。基本公式如下：,式中：,B,0,的单位是特,斯拉,；,S,0,的单位是平方米；,F,的单位是牛,顿,（,N,）。,直流电磁铁的吸力,直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。,交流电磁铁的吸力,交流电磁铁中磁场是交变的，设,则吸力瞬时值为,:,式中：,为吸力的最大值。,吸力的波形,:,吸力平均值为,:,t,F,m,f,O,(1),交流电磁铁的吸力在零与最大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，在磁极的部分端面上套一个分磁环（或称短路环），工作时，在分磁环中产生感应电流，其阻碍磁通的变化，在磁极端面两部分中的磁通,1,和,2,之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变；,综合上述：,1,2,(2),交流电磁铁中,为了减少铁损，铁心由钢片叠成；,直流电磁铁的磁通不变，无铁损，铁心用整块软钢制成；,(4),直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变。,(3),在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有关，主要的还与线圈感抗有关。在其吸合过程中，随着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；,4.,电磁铁的应用,电磁铁在生产中获得广泛应用。其主要应用原理是：用电磁铁衔铁的动作带动其他机械装置运动，产生机械连动，实现控制要求。,应用实例 图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：,M,3,抱闸,制动轮,弹,簧,电,磁,铁,通,电,电磁铁,动作,拉开,弹簧,抱闸,提起,松开,制动轮,电机,转动,断,电,电磁铁,释放,弹簧,收缩,抱闸,抱紧,抱紧,制动轮,电机,制动,启动过程：,制动过程：,例,1:,如图是一拍合式交流电磁铁，其磁路尺寸为：,c,=4 cm,l,=7cm,。铁心由硅钢片叠成。铁心和衔铁的截面都是正方形，每边长度,a,=1 cm,。励磁线圈电压为交流,220V,。今要求衔铁在最大空气隙,=1 cm,（平均值）时须产生吸力,50 N,，试计算线圈匝数和此时的电流值。计算时可忽略漏磁通，并认为铁心和衔铁的磁阻与空气隙相比可以不计。,l,c,a,a,解,:,按已知吸力求,（空气隙中和铁心中的可认为相等）,故有,计算线圈匝数,求初始励磁电流,F,线圈,铁心,衔铁,电磁铁,是利用通电的铁心,线圈吸引衔铁或保持某种,机械零件、工件于固定位,置的一种电器。,电磁铁吸合过程的分析,：,在,吸合,过程中若外加电压不变，,则,基本不变,电磁铁吸合前,(,气隙大）,大 起动电流大,电磁铁吸合后,(,气隙小）,小 电流小,电磁铁,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。,注意：,电磁铁的吸力,气隙截,面积,气隙,磁感应,强度,交流电磁铁中磁场是交变的，设,交流电磁铁：,铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。,直流电磁铁：,铁心用整块软钢制成,；,励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。,则吸力为：,平均值为：,返回,交流磁路中磁阻 对电流的影响,电磁铁吸合过程的分析：,在吸合过程中若外加电压不变,则 基本不变。,i,u,电磁铁吸合前,(,气隙大）,大 起动电流大,电磁铁吸合后,(,气隙小）,小 电流小,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。,注意：,