电路分析 第8章 磁路和铁芯线圈电路的概念.ppt
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1、电路分析电路分析主编 吴安岚副主编 智贵连编写组:吴安岚 智贵连 姬昌利 李博森中国水利水电出版社 2009、9、版 内容简介内容简介 本教材理论推导从简,计算思路交待详细,概念述本教材理论推导从简,计算思路交待详细,概念述明来龙去脉,增加例题数量和难度档次,章节分明来龙去脉,增加例题数量和难度档次,章节分“重计重计算算”及及“重概念重概念”两类区别对待,编排讲究逐步引深的两类区别对待,编排讲究逐步引深的递进关系,联系工程实际,训练动手能力,尽力为后续递进关系,联系工程实际,训练动手能力,尽力为后续课程铺垫。借助类比及对偶手法,语言朴实简练,图文课程铺垫。借助类比及对偶手法,语言朴实简练,图文
2、印刷结合紧密,便于自学与记忆,便于节省理论教学时印刷结合紧密,便于自学与记忆,便于节省理论教学时数。适用于数。适用于应用型本科应用型本科及及高职高专高职高专电力类、自动化类、电力类、自动化类、机电类、电器类、仪器仪表类、电子类及测控技术类专机电类、电器类、仪器仪表类、电子类及测控技术类专业。业。第第8章章 磁路和铁芯线圈电路的概念磁路和铁芯线圈电路的概念第一节、磁路的主要物理量和基本性质第一节、磁路的主要物理量和基本性质第二节、铁磁材料的磁化曲线及其分类第二节、铁磁材料的磁化曲线及其分类第三节、磁路定律及磁路、电路的比较第三节、磁路定律及磁路、电路的比较第四节、交流磁路中电压、磁通及电流间的关
3、系第四节、交流磁路中电压、磁通及电流间的关系第五节、第五节、交流铁心线圈的电路模型交流铁心线圈的电路模型8.1 磁路的主要物理量和基本性质磁路的主要物理量和基本性质 磁和电之间互为依存、互相转化。闭合磁和电之间互为依存、互相转化。闭合导体切割磁感线会产生电流,而电流导体切割磁感线会产生电流,而电流(或运动或运动电荷电荷)将产生磁场,磁场对运动电荷(或载流将产生磁场,磁场对运动电荷(或载流导线)有力的作用。导线)有力的作用。生产中使用的电机、电器、指示仪表,生产中使用的电机、电器、指示仪表,都存在电与磁的相互作用和转化、电路与磁路都存在电与磁的相互作用和转化、电路与磁路并存并存.磁路是磁场中磁感
4、线通过的路径。磁路是磁场中磁感线通过的路径。将通电线圈绕在铁心上形成磁路的目的是以较小的电流将通电线圈绕在铁心上形成磁路的目的是以较小的电流获取较强的磁场,以便得到较大的感应电动势或电磁力。获取较强的磁场,以便得到较大的感应电动势或电磁力。、8.1.1 磁路的主要物理量磁路的主要物理量 电流流经线圈产生磁场,磁感线用来描述磁场的状态,电流流经线圈产生磁场,磁感线用来描述磁场的状态,磁感线是无始无终的闭合曲线。磁场中任一点小磁针磁感线是无始无终的闭合曲线。磁场中任一点小磁针N极受极受磁场力的方向,就是那一点磁场的方向,即磁感线上任意点磁场力的方向,就是那一点磁场的方向,即磁感线上任意点的切线方向
5、。的切线方向。磁感线越密的地方磁场越强。磁感线越密的地方磁场越强。一、磁通一、磁通 磁场中与磁感线方向垂直的某一截面内磁感线的条磁场中与磁感线方向垂直的某一截面内磁感线的条数称为磁通数称为磁通 ,单位为韦伯,单位为韦伯(Wb)。线圈中的磁通线圈中的磁通 随流经线圈的电流增大而增大,随流经线圈的电流增大而增大,N匝匝线圈磁通的总和称为磁通链线圈磁通的总和称为磁通链 。铁心线圈的铁心线圈的L不是常数不是常数二、磁感应强度二、磁感应强度B 反映某点磁场强弱反映某点磁场强弱 匀强磁场中,磁感应强度的大小等于该点与磁场匀强磁场中,磁感应强度的大小等于该点与磁场方向垂直的单位面积内所通过的磁感线条数,因此
6、又称方向垂直的单位面积内所通过的磁感线条数,因此又称为磁通密度。为磁通密度。单位:特斯拉(单位:特斯拉(T),),每平方米磁感线条数为每平方米磁感线条数为1韦伯就是韦伯就是1特斯拉特斯拉。磁感应强度越大,该磁场对载流导线有更大的作用力。磁感应强度越大,该磁场对载流导线有更大的作用力。三、真空磁导率三、真空磁导率 、相对磁导率、相对磁导率 、绝对磁导率、绝对磁导率 载流线圈的磁路长载流线圈的磁路长1米,通入电流米,通入电流 ,骨架为非磁性材料时,磁感应强度骨架为非磁性材料时,磁感应强度B0为为 B0与电流成正比与电流成正比,曲线,曲线 若将线圈绕在铁心上,同一电流下磁感若将线圈绕在铁心上,同一电
7、流下磁感应强度增加许多,增加量为应强度增加许多,增加量为B,曲线,曲线 铁磁性物质主要有铸钢、硅钢片、铁及其钴镍的合金、铁磁性物质主要有铸钢、硅钢片、铁及其钴镍的合金、铁氧体等,它们在电流产生的外磁场作用下被强烈地磁铁氧体等,它们在电流产生的外磁场作用下被强烈地磁化,这种磁化产生的附加磁场化,这种磁化产生的附加磁场B使总磁场显著增强,并使总磁场显著增强,并且把绝大部分磁感线集中在铁心内部。且把绝大部分磁感线集中在铁心内部。铁磁性物质的相对铁磁性物质的相对磁导率磁导率 很大,等于数千乃至数万,但不是常数。很大,等于数千乃至数万,但不是常数。例如例如硅钢片硅钢片 坡莫合金(铁镍合金)的坡莫合金(铁
8、镍合金)的 r 在弱磁场中可达在弱磁场中可达100000。除铁族元素及其化合物以外的全部物质,如空气、铜、木除铁族元素及其化合物以外的全部物质,如空气、铜、木材、橡胶等,都是非铁磁性物质,其绝对磁导率近似为真材、橡胶等,都是非铁磁性物质,其绝对磁导率近似为真空磁导率,空磁导率,0,相对磁导率近似为,相对磁导率近似为1,r1。四、四、磁场强度磁场强度H 不是常数,铁芯中不是常数,铁芯中B并不与激励电流成正比,不能依据并不与激励电流成正比,不能依据 计算出计算出B。需要定义辅助物理量需要定义辅助物理量磁场强度磁场强度H,单位是安米(单位是安米(Am)。)。H与电流直接成正比。与电流直接成正比。磁场
9、强度磁场强度H与与磁感应强度磁感应强度B的关系的关系 注意:铁心线圈中的注意:铁心线圈中的 不是常数。不是常数。8.1.2 磁路的基本性质磁路的基本性质1、磁通连续性原理、磁通连续性原理 假设磁路中有一个封闭的球面,那么穿进它的磁假设磁路中有一个封闭的球面,那么穿进它的磁通恒等于穿出它的磁通,磁通在任何地方都是连续的。通恒等于穿出它的磁通,磁通在任何地方都是连续的。若穿进的磁通设为正,穿出为负,则磁场中任一闭合若穿进的磁通设为正,穿出为负,则磁场中任一闭合面的总磁通恒等于零。面的总磁通恒等于零。2、安培环路定律、安培环路定律 磁场强度磁场强度H与闭合路径的乘积等于穿过该闭合路径所包与闭合路径的
10、乘积等于穿过该闭合路径所包围的全部电流的代数和。围的全部电流的代数和。可见磁场强度与激励电流成正比,可见磁场强度与激励电流成正比,还与电流的分布及线圈的匝数还与电流的分布及线圈的匝数N有关,与磁场中磁介质的有关,与磁场中磁介质的磁导率无关,其方向与磁感应强度磁导率无关,其方向与磁感应强度B的方向相同。的方向相同。H与电流间符合与电流间符合右手螺旋关系时右手螺旋关系时“安匝数安匝数”取正号取正号 H的单位:安米的单位:安米安安匝匝数数推导磁导率的单位推导磁导率的单位8.2 铁磁材料的磁化曲线及其分类铁磁材料的磁化曲线及其分类 双刀双掷开关扳至双刀双掷开关扳至1、2点,点,为正值,激起的磁为正值,
11、激起的磁通逆时针方向;双刀双掷开关扳至通逆时针方向;双刀双掷开关扳至3、4点,点,为负为负值,激起的磁通顺时针方向。值,激起的磁通顺时针方向。励磁电流大小与方向发生变化时,用特制的磁通表测励磁电流大小与方向发生变化时,用特制的磁通表测试环形材料中磁通的大小与方向。试环形材料中磁通的大小与方向。8.2.1 铁磁材料的起始磁化曲线铁磁材料的起始磁化曲线曲线曲线1是非磁性材料的磁化曲线,是非磁性材料的磁化曲线,B 随随H缓慢线性增长。缓慢线性增长。B-H曲线曲线 曲线曲线2称为铁磁材料的起始磁化曲线。称为铁磁材料的起始磁化曲线。oa 段段 B 随随 H 缓慢上升,缓慢上升,较小。较小。ab 段段 B
12、 随随 H 迅速增长,反映铁磁材料的高导磁性,迅速增长,反映铁磁材料的高导磁性,较大。较大。bc 段段 B 的增长又趋缓慢,的增长又趋缓慢,c点称为曲线的磁饱和点,点称为曲线的磁饱和点,下降。下降。cd 段则进入较深磁饱和,这时段则进入较深磁饱和,这时 B 随随 H 仅略有增加。仅略有增加。更小。更小。韦韦-安安 特性曲线特性曲线 “磁饱和磁饱和”的含义是的含义是“磁路进入磁饱和后,增加励磁电流,磁路进入磁饱和后,增加励磁电流,B(或(或 )不再随电流迅速增长,使磁导率下降)不再随电流迅速增长,使磁导率下降”。起始段磁导率较小;起始段磁导率较小;ab段段值迅速增加,值迅速增加,b点前达到点前达
13、到最大;随后最大;随后值下降。可见磁材料的磁导率值下降。可见磁材料的磁导率不是常数,不是常数,反映了磁化曲线的非线性。磁化曲线还与温度有关,磁反映了磁化曲线的非线性。磁化曲线还与温度有关,磁导率导率一般随温度的升高而下降一般随温度的升高而下降。有关铁磁材料有关铁磁材料的磁畴理论的磁畴理论 在磁路进入磁饱和以后,绝大部分磁畴已经转向,再在磁路进入磁饱和以后,绝大部分磁畴已经转向,再增加增加H(增加(增加 ),磁畴贡献的附加磁场),磁畴贡献的附加磁场B不再增加,此不再增加,此时增加的时增加的B仅为电流本身产生,曲线仅为电流本身产生,曲线2上升的斜率几乎与曲上升的斜率几乎与曲线线1相同,导致相同,导
14、致值下降。值下降。未被磁化时,磁畴的极性杂乱无章,对外不显示未被磁化时,磁畴的极性杂乱无章,对外不显示统一极性;统一极性;线圈通入电流产生的磁场激励这些磁畴逐渐转向,线圈通入电流产生的磁场激励这些磁畴逐渐转向,使其极性统一为外加磁场的方向,极大加强了外磁场,使其极性统一为外加磁场的方向,极大加强了外磁场,这时这时B 随随H(随(随 )迅速增长;)迅速增长;进入磁饱和的铁磁材料其特性与非磁性材料进入磁饱和的铁磁材料其特性与非磁性材料相近,丧失了高导磁性能,所以通常要求铁磁材相近,丧失了高导磁性能,所以通常要求铁磁材料工作在磁化曲线的料工作在磁化曲线的b点附近。点附近。铁心线圈磁饱和将严重影响铁心
15、变压器、电机等设备铁心线圈磁饱和将严重影响铁心变压器、电机等设备的正常工作的正常工作,如出现高次谐波电流,增加铁损和温升等。如出现高次谐波电流,增加铁损和温升等。8.2.2 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线 当当H按按HSO-Hc-HSOHcHS次序变化时,次序变化时,相应的磁感应强度相应的磁感应强度B则沿则沿 闭合曲线变化,闭合曲线变化,此闭合曲线称为磁滞回线。当线圈处于交变电流作用时,此闭合曲线称为磁滞回线。当线圈处于交变电流作用时,铁心将沿磁滞回线反复磁化铁心将沿磁滞回线反复磁化退磁退磁反向磁化反向磁化反向退磁。反向退磁。B r 称为剩磁称为剩磁 Hc称为矫顽力称为矫顽力 磁畴周期性
16、转向引起磁畴周期性转向引起磁滞损耗,使铁心变热。磁滞损耗,使铁心变热。8.2.3基本磁化曲线基本磁化曲线 一组磁滞回线正顶点的连线称为基本磁化曲线。一组磁滞回线正顶点的连线称为基本磁化曲线。基本磁化曲线是磁路设计、计算的依据基本磁化曲线是磁路设计、计算的依据。8.2.4 铁磁材料的分类铁磁材料的分类 软磁材料软磁材料硅钢、坡莫合金、铸铁、铸钢、纯铁等,硅钢、坡莫合金、铸铁、铸钢、纯铁等,其磁滞回线狭长,矫顽力、剩磁和磁滞损耗较小,是变压器、其磁滞回线狭长,矫顽力、剩磁和磁滞损耗较小,是变压器、电机铁心的材料,其基本磁化曲线与磁滞回线近似程度较好。电机铁心的材料,其基本磁化曲线与磁滞回线近似程度
17、较好。硬磁材料硬磁材料铬、钨、钴、镍的合金,其磁滞回线较宽,铬、钨、钴、镍的合金,其磁滞回线较宽,矫顽力及剩磁较大,用来制造永久磁铁。矫顽力及剩磁较大,用来制造永久磁铁。8.3 磁路定律及磁路、电路的比较磁路定律及磁路、电路的比较 磁路主要由铁磁材料组成,中间也包括气隙,气隙往磁路主要由铁磁材料组成,中间也包括气隙,气隙往往是电磁力的作用空间。往是电磁力的作用空间。铁磁材料的磁导率比周围的空气大许多倍,所以绝大铁磁材料的磁导率比周围的空气大许多倍,所以绝大部分磁通在铁心中闭合,称为主磁通部分磁通在铁心中闭合,称为主磁通 ;极少数磁通经;极少数磁通经周围空气闭合,称为漏磁通周围空气闭合,称为漏磁
18、通 。理想情况下,忽略漏磁通,则磁通均在铁心组成的理想情况下,忽略漏磁通,则磁通均在铁心组成的磁路中闭合磁路中闭合。8.3.1 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律 有分支的磁路,对任有分支的磁路,对任一分支点上的封闭面而言,一分支点上的封闭面而言,磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律表达式为:表达式为:进入和穿出任一封闭面磁通的代数和等于零。进入和穿出任一封闭面磁通的代数和等于零。进入封闭面的磁通量等于穿出该封闭面的磁通量。进入封闭面的磁通量等于穿出该封闭面的磁通量。8.3.2 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律 图示无分支磁路,可按磁路材料不同、横截面积图示无分支
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