第7章-磁路与铁心线圈电路.ppt
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1、第第7 7章章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路 7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能7.3 7.3 磁路与磁路欧姆定律磁路与磁路欧姆定律7.4 7.4 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路7.5 7.5 电磁铁电磁铁1.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量磁场中用磁感应强度、磁通、导磁率和磁场强度等基本物磁场中用磁感应强度、磁通、导磁率和磁场强度等基本物理量来描述。理量来描述。7.1.1 7.1.1 磁感应强度磁感应强度B B 表征磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量称为磁感应强表征磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量称为磁
2、感应强度度B B。它是一个矢量,可用试验载流线段在磁场中受到作用力。它是一个矢量,可用试验载流线段在磁场中受到作用力的大小和方向来确定。它与电流的方向关系可以用右手螺旋的大小和方向来确定。它与电流的方向关系可以用右手螺旋法则来判定,其大小为:法则来判定,其大小为:下一页 返回2.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量式中:式中:B B为磁感应强度的大小,为磁感应强度的大小,T T;I I为通过导线的电流,为通过导线的电流,A A;l l为垂直磁场方向导线的长度,为垂直磁场方向导线的长度,m m;F F为在磁场中受到的作用力,为在磁场中受到的作用力,N N。磁感应强度磁感应强度B B的
3、单位:国际单位制(的单位:国际单位制(SISI)单位是特斯拉,)单位是特斯拉,简称特(简称特(T T),电磁制),电磁制(CGSM)(CGSM)的单位为高斯的单位为高斯(Gs)(Gs),1T1T10104 4GsGs。如果磁场内所有点的磁感应强度大小相等,方向相同,这如果磁场内所有点的磁感应强度大小相等,方向相同,这样的磁场称为均匀磁场。样的磁场称为均匀磁场。下一页上一页返回3.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量7.1.2 7.1.2 磁通磁通在均匀磁场中,磁感应强度在均匀磁场中,磁感应强度B B与垂直于方向磁场的面积与垂直于方向磁场的面积S S的的乘积,称为通过该面积的磁通,即
4、:乘积,称为通过该面积的磁通,即:式中:式中:为磁通,为磁通,WbWb;S S为面积,为面积,m m2 2;磁通反映了磁导体某个范围内磁力线的多少,所以磁感应磁通反映了磁导体某个范围内磁力线的多少,所以磁感应强度强度B B,又可以称为磁通密度。磁通的单位:国际单位制,又可以称为磁通密度。磁通的单位:国际单位制(SISI)制单位是为韦伯()制单位是为韦伯(WbWb),电磁制),电磁制(CGSM)(CGSM)的单位为麦克的单位为麦克斯韦(斯韦(MxMx),),1Wb=101Wb=108 8 Mx Mx。下一页上一页返回4.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量7.1.3 7.1.3 磁导
5、率磁导率不同的介质的导磁能力不同。描述磁场介质导磁能力的物不同的介质的导磁能力不同。描述磁场介质导磁能力的物理量称为磁导率理量称为磁导率 。如如图图7.1.1 7.1.1 所示的线圈通电后,在其周围产生磁场。磁场所示的线圈通电后,在其周围产生磁场。磁场强弱与通过线圈的电流强弱与通过线圈的电流I I和线圈的匝数和线圈的匝数N N的乘积成正比。线圈的乘积成正比。线圈内部内部x x处各点的磁感应强度可表示为:处各点的磁感应强度可表示为:式中:式中:l lx x表示表示x x点处的磁力线的长度。点处的磁力线的长度。下一页上一页返回5.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量由此可见,某点的磁感
6、应强度的大小与磁导体介质、流过由此可见,某点的磁感应强度的大小与磁导体介质、流过电流大小、线圈的匝数及该点的位置有关。电流大小、线圈的匝数及该点的位置有关。在在SISI制中,单位为享米制中,单位为享米(H(Hm)m)。实验测定,真空的磁导。实验测定,真空的磁导率率0 0410410-7-7(H(Hm)m),因为,因为0 0是一个常数,工程上常把是一个常数,工程上常把其他介质的磁导率与之相比较,称其为相对磁导率,是标量,其他介质的磁导率与之相比较,称其为相对磁导率,是标量,常用字母常用字母r r表示,即:表示,即:下一页上一页返回6.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量根据上式,可把
7、物质分为三类:第一类为反磁物质,根据上式,可把物质分为三类:第一类为反磁物质,r r 111,如铁、镍、钴和它们的合,如铁、镍、钴和它们的合金。反磁物质和顺磁物质的相对磁导率都近似为金。反磁物质和顺磁物质的相对磁导率都近似为1 1,均接近于,均接近于真空磁导率真空磁导率0 0。下一页上一页返回7.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量7.1.4 7.1.4 磁场强度磁场强度H H磁场的强弱,除了与回路的电流大小有关外,还受到载流磁场的强弱,除了与回路的电流大小有关外,还受到载流回路周围物质磁化的影响。例如,一个带铁心的螺线管,它回路周围物质磁化的影响。例如,一个带铁心的螺线管,它的总
8、磁场可以分为两个部分,一部分为螺线管中电流产生的的总磁场可以分为两个部分,一部分为螺线管中电流产生的外磁场,另一部分为铁心内部由于磁畴排列整齐而产生的附外磁场,另一部分为铁心内部由于磁畴排列整齐而产生的附加磁场,这个附加磁场远远大于外磁场。而且是一个变量,加磁场,这个附加磁场远远大于外磁场。而且是一个变量,随外磁场的大小而变化。所以这种磁介质随外磁场的大小而变化。所以这种磁介质(铁心铁心)使磁场的分使磁场的分析计算复杂化,为了反映外磁场和电流之间的关系,便于计析计算复杂化,为了反映外磁场和电流之间的关系,便于计算,引进一个辅助计算矢量算,引进一个辅助计算矢量磁场强磁场强H H。在磁场中任何一点
9、。在磁场中任何一点磁场强度的大小与媒介质性质无关,只与产生磁场的电流和磁场强度的大小与媒介质性质无关,只与产生磁场的电流和载流导体空间的布置情况有关。载流导体空间的布置情况有关。下一页上一页返回8.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量磁场强度磁场强度H H为磁场中某一点磁感应强度为磁场中某一点磁感应强度B B与该点介质的磁导与该点介质的磁导率的比值。率的比值。H H和和B B有相同的方向,其大小为:有相同的方向,其大小为:由式(由式(7.1.37.1.3)和式()和式(7.1.57.1.5)可得:)可得:下一页上一页返回9.7.1 7.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量上式表明磁
10、场内某点的磁场强度上式表明磁场内某点的磁场强度H H值与电流大小、线圈匝值与电流大小、线圈匝数及该点的位置有关,而与该点处介质的磁导率无关。数及该点的位置有关,而与该点处介质的磁导率无关。在在SISI制中,制中,H H的单位安的单位安/米米(A(Am)m),在,在CGSMCGSM制中的单位是奥制中的单位是奥斯特斯特(Oe)(Oe),它们的换算关系为:,它们的换算关系为:1A/m=41A/m=41010-3-3OeOe。上一页返回10.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 磁性材料很多,常用的主要有铁、镍、钴及其合金等材料。磁性材料很多,常用的主要有铁、镍、钴及其合金等材料。不同介质
11、的导磁能力也不同。不同介质的导磁能力也不同。7.2.1 7.2.1 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能在工程上使用的磁性材料都是指磁导率远大于在工程上使用的磁性材料都是指磁导率远大于1 1的铁磁材的铁磁材料,它具有以下的磁特性:料,它具有以下的磁特性:下一页 返回11.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 1 1导磁性导磁性铁磁材料的磁导率很高,其值可达数百、数千以至数万。铁磁材料的磁导率很高,其值可达数百、数千以至数万。象硅钢片的相对磁导率象硅钢片的相对磁导率r r6000600080008000,坡英合金,坡英合金(铁镍合金铁镍合金)可达可达10105 5左右。铁磁材料这一高导磁
12、性使它在外磁场作用下,左右。铁磁材料这一高导磁性使它在外磁场作用下,能被强烈磁化而呈现很强的磁性。能被强烈磁化而呈现很强的磁性。铁磁物质的磁导率为什么会比真空中的磁导率大得多呢?铁磁物质的磁导率为什么会比真空中的磁导率大得多呢?这是由于将铁磁物质放入磁场后,它就转变为与外磁场同方这是由于将铁磁物质放入磁场后,它就转变为与外磁场同方向的并比外磁场强得多的磁铁。因而使总磁场比原有向的并比外磁场强得多的磁铁。因而使总磁场比原有(真空中真空中或空气中的或空气中的)磁场强得多。一种物质从不显示磁性到显示磁性磁场强得多。一种物质从不显示磁性到显示磁性的现象叫磁化。的现象叫磁化。下一页上一页返回12.7.2
13、 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 铁磁材料之所以较容易被磁化,是由这类材料内部结构决铁磁材料之所以较容易被磁化,是由这类材料内部结构决定的。在物质分子中,电子一方面围绕原子核运动,另一方定的。在物质分子中,电子一方面围绕原子核运动,另一方面它又自转,电子运动形成分子电流。该分子电流能产生磁面它又自转,电子运动形成分子电流。该分子电流能产生磁场,每个分子相当于一个小磁铁。磁性物质内部还分成许多场,每个分子相当于一个小磁铁。磁性物质内部还分成许多小区域,由于磁性物质的分子间有一种特殊的作用力而使每小区域,由于磁性物质的分子间有一种特殊的作用力而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐,显出磁性,
14、如一区域内的分子磁铁都排列整齐,显出磁性,如图图7.2.17.2.1(b b)所示。在没有外磁场作用时,铁磁物质的磁畴排)所示。在没有外磁场作用时,铁磁物质的磁畴排列取向极不规则,相互抵消,对外不显示磁性,但在外磁场列取向极不规则,相互抵消,对外不显示磁性,但在外磁场作用下。磁畴作定向运动,产生一个很强的与外磁场同方向作用下。磁畴作定向运动,产生一个很强的与外磁场同方向的附加磁化磁场,使铁磁物质对外呈现很强的磁性。的附加磁化磁场,使铁磁物质对外呈现很强的磁性。下一页上一页返回13.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 非铁磁物质中小磁畴结构完全杂乱无章,既使在外磁场的非铁磁物质中小
15、磁畴结构完全杂乱无章,既使在外磁场的作用下,磁畴结构仍无明显变化,不能产生附加磁场,其对作用下,磁畴结构仍无明显变化,不能产生附加磁场,其对外的磁场与真空状态接近,如外的磁场与真空状态接近,如图图7.2.17.2.1(a a)所示。所示。2 2磁饱和性磁饱和性磁性物质在磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强磁性物质在磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强。而无限增强。下一页上一页返回14.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 磁饱和性是铁磁材料固有的特性,即磁饱和性是铁磁材料固有的特性,即B B不会随着不会随着H H的增强而的增强而无限增强。如果对铁心线圈通电,铁心就
16、被磁化,产生磁化无限增强。如果对铁心线圈通电,铁心就被磁化,产生磁化磁场,逐渐加大通电电流,磁化磁场逐渐强。当励磁电流磁场,逐渐加大通电电流,磁化磁场逐渐强。当励磁电流(产产生磁化磁场的电流生磁化磁场的电流)增大到一定程度,磁性材料内部的全部磁增大到一定程度,磁性材料内部的全部磁畴的磁场方向转向与外磁场方向一致,这时再增加励磁电流,畴的磁场方向转向与外磁场方向一致,这时再增加励磁电流,磁化磁场的磁感应强度磁化磁场的磁感应强度B B几乎不再增大,此对应的磁感应强度几乎不再增大,此对应的磁感应强度B Bj j称磁饱和感应强度,如称磁饱和感应强度,如图图7.2.27.2.2磁化曲线中虚线所示。图中磁
17、化曲线中虚线所示。图中B B0 0是空心线圈通过电流产生的磁感应强度,随着励磁电流的是空心线圈通过电流产生的磁感应强度,随着励磁电流的增加而线性增加,其值极小,也不饱和。总磁感应强度增加而线性增加,其值极小,也不饱和。总磁感应强度B B由由B Bj j和和B B0 0叠加,组成实际叠加,组成实际B B一一H H感化曲线。感化曲线。下一页上一页返回15.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 由图可知,磁化曲线可分为由图可知,磁化曲线可分为4 4段:段:1 1)oaoa段,段,B B增加非常缓慢;增加非常缓慢;2 2)abab段,段,B B随随H H增加很快,增加很快,B B和和H H
18、差不多按比例增长,近似差不多按比例增长,近似为线性;为线性;3 3)bcbc段,随着段,随着H H的增长,的增长,B B的增加缓慢下来,此段称为曲的增加缓慢下来,此段称为曲线的膝部;线的膝部;下一页上一页返回16.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 4 4)c c以后,以后,B B几乎不再增加,最大值几乎不再增加,最大值B B,这时为磁饱和状态。,这时为磁饱和状态。b b点称为膝点,电源变压器磁感应强度点称为膝点,电源变压器磁感应强度B B通常选在通常选在b b点附近,以点附近,以提高相对磁导率,又可防止磁饱和。通讯电路中变压器或电提高相对磁导率,又可防止磁饱和。通讯电路中变压器
19、或电感为减小损耗,提高线性度,通常选在磁化曲线的感为减小损耗,提高线性度,通常选在磁化曲线的a a点附近。点附近。当有磁性物质存在时,当有磁性物质存在时,B B和和H H不成正比,如不成正比,如图图7.2.37.2.3所示。所示。故,磁性物质的磁导率故,磁性物质的磁导率常数,它随常数,它随H H而改变。而改变。下一页上一页返回17.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 3 3磁滞性磁滞性当铁心线圈在交流励磁电流作用下,铁心受到反复磁化。当铁心线圈在交流励磁电流作用下,铁心受到反复磁化。下面我们就下面我们就图图7.2.47.2.4所示的的曲线分析一下磁性材料的磁滞性。所示的的曲线分析
20、一下磁性材料的磁滞性。在测取铁磁材料磁化曲线时,在测取铁磁材料磁化曲线时,1 1)当线圈中的励磁电流由零向正方向增长时,铁心被磁)当线圈中的励磁电流由零向正方向增长时,铁心被磁化,化,H H由零上升到由零上升到H Hm m,B B沿沿oaoa曲线上升;曲线上升;2 2)当励磁电流由正降到零,)当励磁电流由正降到零,H H也由也由H Hm m降至零时,铁心磁化降至零时,铁心磁化获得的磁性尚未完全消失,获得的磁性尚未完全消失,B B不是沿不是沿aoao下降,而是沿曲线下降,而是沿曲线abab下下降。铁心中有剩磁降。铁心中有剩磁B Br r;下一页上一页返回18.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁
21、材料的磁性能 3 3)当)当H H由零变到一由零变到一H Hm m,即反向磁化时,即反向磁化时,B B沿着沿着bcdbcd变化。铁变化。铁心中仍有剩磁心中仍有剩磁B Br r;4 4)当)当H H由一由一H Hm m上升到零时,上升到零时,B B沿沿dede变化;变化;5 5)当)当H H再由零上升到再由零上升到H Hm m时,时,B B沿着曲线沿着曲线efaefa上升,又几乎回上升,又几乎回到到a a点。点。这样反复磁化一个循环,就得到一个闭合曲线这样反复磁化一个循环,就得到一个闭合曲线abcdefaabcdefa,称为铁磁材料的磁滞回线。称为铁磁材料的磁滞回线。下一页上一页返回19.7.2
22、 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 从磁滞回线可以看出,上升磁化曲线和下降磁化曲线不重从磁滞回线可以看出,上升磁化曲线和下降磁化曲线不重合。当合。当H H下降到零时,下降到零时,B B不是下降到零而是下降到不是下降到零而是下降到B Br r,这种,这种B B滞滞后于后于H H的性质叫磁滞性,的性质叫磁滞性,B Br r称为剩余磁感应强度,简称剩磁。称为剩余磁感应强度,简称剩磁。使使B Br r减至零所需的磁场强度减至零所需的磁场强度HCHC称为矫顽磁力。称为矫顽磁力。B Br r、H HC C是表征是表征铁磁材料的两个重要参数。铁磁材料的两个重要参数。铁磁材料不同,其磁化曲线和磁滞回线
23、不同,根据磁铁材铁磁材料不同,其磁化曲线和磁滞回线不同,根据磁铁材料磁性能上的差异,可以分为三类:料磁性能上的差异,可以分为三类:下一页上一页返回20.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 1 1)软磁材料)软磁材料具有很高的导磁性,剩磁与矫顽力都很小,磁滞回线窄,具有很高的导磁性,剩磁与矫顽力都很小,磁滞回线窄,磁滞损耗小。其磁滞回线如磁滞损耗小。其磁滞回线如图图6 62 23(a)3(a)所示。这一类材料所示。这一类材料常用的有硅钢、铸铁、铁氧体等。一般用来制作电机、变压常用的有硅钢、铸铁、铁氧体等。一般用来制作电机、变压器及电器线圈的铁心。铁氧体在电子技术中应用也很广泛,器及
24、电器线圈的铁心。铁氧体在电子技术中应用也很广泛,例如可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头。例如可做计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带、磁头。下一页上一页返回21.7.2 7.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 2 2)硬磁材料)硬磁材料具有较大的剩磁,磁滞回线较宽,其磁滞回线如具有较大的剩磁,磁滞回线较宽,其磁滞回线如图图6.2.3 6.2.3(b)(b)所示。常用这一类材料有碳钢、铁镍铝钴合金等。一般所示。常用这一类材料有碳钢、铁镍铝钴合金等。一般用来制作永久磁铁。近年来,稀土钴等的矫顽磁力更大。用来制作永久磁铁。近年来,稀土钴等的矫顽磁力更大。下一页上一页返回22.7.2 7.2
25、 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 3 3)矩形磁材料)矩形磁材料具有矩形滋滞回线的是一种特殊的磁性材料,它具有较小具有矩形滋滞回线的是一种特殊的磁性材料,它具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性良好。的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性良好。它在很小的外磁场作用下就能磁化并达到饱和,去掉外磁场它在很小的外磁场作用下就能磁化并达到饱和,去掉外磁场仍能保持,其磁滞回线如仍能保持,其磁滞回线如图图6.2.3(c)6.2.3(c)所示。这一类材料常所示。这一类材料常用的有经过组织化处理后的铁镍合金,金属矩磁材料制成薄用的有经过组织化处理后的铁镍合金,金属矩磁材料制成薄膜
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