磁路與鐵芯線圈

第9章 磁路與鐵芯線圈 9.1 鐵 磁 性 物 質(zhì) 目的與要求掌握鐵磁性物質(zhì)及其分類 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn):磁化曲線難點(diǎn):磁化曲線 磁化:鐵磁物質(zhì)會(huì)在外加磁場(chǎng)的作用下, 產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng) 同方向的附加磁場(chǎng), 這種現(xiàn)象叫做磁化。 (a) (b) (c)圖 9.1 鐵磁性物質(zhì)的磁化 9.1.1 鐵磁性物質(zhì)的磁化 磁化曲線:鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng) 度H之間的關(guān)系曲線, 所以又叫B-H曲線。 A S I Us Rw S 1 1 2 2 N L圖 9.2 B-H 曲線測(cè)量電路 9.1.2 磁化曲線（一） B Q R P 0 0H max (a) (b) H圖 9.3 起始磁化曲線 9.1.2 磁化曲線（二） (1) OP段 (2) PQ段 （3） QR段 （4） R點(diǎn)以后 9.1.2 磁化曲線（三）1. 起始磁化曲線 B H B H Bm Brb f Hm Bm e c O Hm Hc d O H m1 Hm2 Hm3 a Bm1 Bm2 Bm3 (a) (b)圖9.4 交變磁化(磁滯回線) 9.1.2 磁化曲線（四）2. 磁滯回線 軟磁 硬磁 B O H圖9.5 軟磁和硬磁材料的磁滯回線 9.1.3 鐵磁性物質(zhì)的分類（一） 0.1 c b a c 硅鋼片 b 鑄鋼 a 鑄鐵 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10103 H / Am 1 B / T 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 H / Am 1圖 9.6 幾種常用鐵磁材料的基本磁化曲線 9.1.3 鐵磁性物質(zhì)的分類（二） 教學(xué)方法聯(lián)系實(shí)際講解本節(jié) 思考題 1、鐵磁性物質(zhì)為什么會(huì)有高的導(dǎo)磁性能？ 2、制造電喇叭時(shí)要用到永久磁鐵，制造變壓器時(shí)要用到鐵心，試說(shuō)明它們?cè)阼F磁性材料時(shí)有何不同？ 3、什么是基本磁化曲線？什么是起始磁化曲線？ 4、鐵磁性材料的不是常數(shù)， 的最大值處在起始磁化曲線的哪個(gè)部位？ 9.2 磁路和磁路定律 目的與要求掌握磁路基爾霍夫定律，磁路歐姆定律 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn): 磁路基爾霍夫定律，磁路歐姆定律難點(diǎn): 磁路基爾霍夫定律，磁路歐姆定律 N N SS U I (a) (b)圖9.7 直流電機(jī)和單相變壓器磁路 9.2.1 磁路（一） I 漏磁通 邊緣效應(yīng) 主磁通圖 9.8 主磁通、 漏磁通和邊緣效應(yīng) 9.2.1 磁路（二） 00321 9.2.2 磁路定律（一）1. 磁路的基爾霍夫第一定律 I1 D 1 2 3 A BC N1 N 2 l1 l2 l1 l3 l3l1 l0 I2圖 9.9 磁路示意圖 9.2.2 磁路定律（二） 221122111111 )()( NINIlHlHlHlH INHl 對(duì)于如圖9.9所示的ABCDA回路, 可以得出 mm FU 9.2.2 磁路定律（三）2. 磁路的基爾霍夫第二定律 mmm RUSlUSlHlHS 9.2.3 磁路的歐姆定律 教學(xué)方法用比較的方法講解本節(jié) 思考題 1、已知線圈電感L=/I=N/I，試用磁路歐姆定律證明L=N2S/ l,并說(shuō)明如果線圈大小、形狀和匝數(shù)相同時(shí)，有鐵心線圈和無(wú)鐵心線圈的電感哪個(gè)大？ 2、為什么空心線圈的電感是常數(shù)，而鐵心線圈的電感不是常 數(shù)？鐵心線圈在未達(dá)到飽和與達(dá)到飽和時(shí)，哪個(gè)電感大？ 9.3 簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算 目的與要求掌握恒定磁通磁路的計(jì)算 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn): 恒定磁通磁路的計(jì)算難點(diǎn): 恒定磁通磁路的計(jì)算 第一種是先給定磁通, 再按照給定的磁通及磁路尺寸、材料求出磁通勢(shì), 即已知求NI; 另一種是給定NI, 求各處磁通, 即已知NI 求。 本節(jié)只討論第一種情況。 在計(jì)算時(shí)一般應(yīng)按下列步驟進(jìn)行: (1) 按照磁路的材料和截面不同進(jìn)行分段, 把材料和截面相同的算作一段。 (2) 根據(jù)磁路尺寸計(jì)算出各段截面積S和平均長(zhǎng)度l。 9.3 簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算（一） rrrS baabbaS ba 22)2( )()( a b r (a) (b)圖9.11 空氣隙有效面積計(jì)算(a) 矩形截面； (b) 圓形截面 9.3 簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算（二） (3) 由已知磁通, 算出各段磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=/S。 (4) 根據(jù)每一段的磁感應(yīng)強(qiáng)度求磁場(chǎng)強(qiáng)度, 對(duì)于鐵磁材料可查基本磁化曲線(如圖9.6所示)。 對(duì)于空氣隙可用以下公式: )/(108)/(108.0104 0306 70000 cmABmABBBH 9.3 簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算（三） 9.3 簡(jiǎn)單直流磁路的計(jì)算（四）(5) 根據(jù)每一段的磁場(chǎng)強(qiáng)度和平均長(zhǎng)度求出H1l1 , H2l2。(6) 根據(jù)基爾霍夫磁路第二定律, 求出所需的磁通勢(shì)。 2211 lHlHNI 已知磁路如圖9.12所示, 上段材料為硅鋼片, 下段材料是鑄鋼, 求在該磁路中獲得磁通=2.010-3 Wb時(shí), 所需要的磁動(dòng)勢(shì)？ 若線圈的匝數(shù)為1000匝, 求激磁電流應(yīng)為多大？ 解 (1) 按照截面和材料不同, 將磁路分為三段l1, l2, l3。 例9.1（一） 例9.1（二） 2233 2222 2211 2.3232202)5060(5060 4.0422 4242007060 292903522035 3030006050 77770275220275 cmmmS cmmml cmmmS cmmml cmmmS cmmml (2) 按已知磁路尺寸求出: I l1 l2 2 70 5017050 321l 60 31 0 70 硅鋼 鑄鋼圖9.12 例9.1圖 例9.1（三） (3) 各段磁感應(yīng)強(qiáng)度為 TcmWbSB TcmWbSB TcmWbSB 621.0/10621.02.32100.2 476.0/10476.042100.2 667.0/667.030100.2 24333 24322 2311 例9.1（四） (4) 由圖9.6 所示硅鋼片和鑄鋼的基本磁化曲線得 cmABH cmAH cmAH /4942104 621.0 /5.1 /4.1 7033 2 1 空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 例9.1（五） （5） 每段的磁位差為AlH AlH AlH 8.19764.04942 5.43295.1 8.107774.133 2211 （6） 所需的磁通勢(shì)為AlHlHlHNI 1.21288.19765.438.107 332211 激磁電流為ANNII 1.210001.2128 例9.1（六） 教學(xué)方法用比較法 思考題 l2 l5 l1 l3 l4 1、有兩個(gè)相同材料的芯子（磁路無(wú)氣隙），所繞的線圈匝數(shù)相同， 通以相同的電流，磁路的平均長(zhǎng)度l1 =l2 ， 截面S1 S 2，試用磁路的基爾霍夫定律分析B1與B2 、 1與 2的大小。 2、一磁路如圖9. 13所示，圖中各段截面積不同，試列出磁通勢(shì)和磁位差平衡方程式。 圖 9.13 思考題 2 圖 9.4 交流鐵芯線圈及等效電路 目的與要求理解交流鐵芯線圈及其等效電路 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn): 交流鐵芯線圈及其等效電路 難點(diǎn): 交流鐵芯線圈的等效電路 i u E N 圖9.14 交流鐵芯線圈各電磁量參考方向 9.4.1 電壓、電流和磁通（一）1. 電壓為正弦量 mmmm m fNfNNEU tN tdtNdttdNtetu dttdNdttdtetu 44.4222 )2sin( )sin(1)()()( )()()()( 設(shè)(t)=msint, 則有 9.4.1 電壓、電流和磁通（二） iOO SB lNiH 圖 9.15 B-H曲線與-i曲線 9.4.1 電壓、電流和磁通（三） it i 0 0 0 t 圖 9.16 電流i的波形的求法 9.4.1 電壓、電流和磁通（四） 0 44.40mm mmm II fNjEU EU mI mE .圖9.17 電壓、 電流相量圖 9.4.1 電壓、電流和磁通（五） 設(shè)線圈電流為 tIti m sin)( 0 0 0 t i i圖 9.18 i為正弦量時(shí)的波形 9.4.1 電壓、電流和磁通（六）2. 電流為正弦量 鐵芯的磁滯損耗PZ和渦流損耗PW可分別由下式計(jì)算: )()(22 WVBfKP WVfBKP mWW nmZZ WZFe PPP 9.4.2 磁滯和渦流的影響 U I aI mIG 0 jB 0圖9.19 考慮磁飽和、磁滯、渦流影響的等效電路 9.4.3 交流鐵芯線圈的等效電路（一）1. 不考慮線圈電阻及漏磁通的情況 EU mI E m.IaI U I jX0 R0圖 9.20 圖 9.19的相量圖 圖9.21 串聯(lián)等效模型 mma IIIUjBIUGI 000 , 9.4.3 交流鐵芯線圈的等效電路（二） 將一個(gè)匝數(shù)N=100的鐵芯線圈接到電壓Us=220V的工頻正弦電源上, 測(cè)得線圈的電流I=4A, 功率P=100W。 不計(jì)線圈電阻及漏磁通, 試求鐵芯線圈的主磁通m, 串聯(lián)電路模型的Z0, 并聯(lián)電路模型的Y0。例9. 2（一） 例9. 2（二） SjZjBGY jUIPIUjXRZ WbfNUsm 33 0000 000 31006.1810065.2 48.8301818.048.8355 11 64.54245.648.8355 4220100arccos4220arccos 1091.91005044.4 22044.4 解 由Us=4.44fNm得 ss ma mss ss CuFeFe LX II fNjE UIjXIR dtdNdtdiLRiu iL PPRIPP IUU 44.4 29.4.3 交流鐵芯線圈的等效電路（三）2. 考慮線圈電阻及漏磁通 在例9.2中, 如考慮線圈電阻為1,漏磁電抗Xs=2, 試求主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E及磁化電流Im。UEU aI E ImI m . IR IX sj I R jXsaI jB0 mIU U I R jX s jX0U U R0 (a) (b) (c) G0圖9.22 交流鐵芯線圈模型(a) 矢量圖； (b) 并聯(lián)模型； (c) 串聯(lián)模型 例9. 3（一） 解 原來(lái)不計(jì)R、Xs, 勵(lì)磁阻抗為Z0=6.245+j54.64, 按圖9.22(c),計(jì)入R=1, Xs=2后的勵(lì)磁阻抗為 000 jXRZ 31.849.5964.52245.5 )264.54()1245.6( 64.54245.6)()( 000 00 j jjXRZ jXXjRR s 例9. 3（二） AI EBIB SjZjBGYm m 98.36.2111081.18 ,81.18 10)81.18(10874.1 31.849.52 113 00 33 0000 得代入將EBI VIZE m 00 6.21149.52 例9. 3（三） 0 U U( I ) L e ( I ) I U N L e I N圖 9.23 交流鐵芯線圈的伏安關(guān)系 LULe 9.4.4 伏安特性和等效電感 教學(xué)方法 思考題（一） 1、將一個(gè)空心線圈先接到直流電源和交流電源上，然后在這個(gè)線圈在插入鐵心，如果交流電壓和直流電壓相等，分析這種情況下通過(guò)線圈的電流和功率的大小，并說(shuō)明理由。 2、將鐵心線圈接在直流電源上，當(dāng)發(fā)生下列情況時(shí)，鐵心中的電流和磁通有何變化？ （1）鐵心截面增大，其它條件不變； （2）線圈匝數(shù)增加，線圈電阻及其它條件不變； （3）電源電壓降低，其它條件不變。 3、將鐵心線圈接在交流電源上，當(dāng)發(fā)生上題中所述情況時(shí)，鐵心中的電流和磁通又如何變化？ 4、為什么變壓器的鐵心要用硅鋼片制成？用整塊鐵行不行？ 5、一臺(tái)變壓器在修理后，鐵心中出現(xiàn)較大氣隙，這對(duì)于鐵心的工作磁通以及空載電流有何影響？思考題（二） 9.5 電 磁 鐵 目的與要求了解交、 直流電磁鐵及其區(qū)別 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn): 交、 直流電磁鐵及其區(qū)別難點(diǎn): 交、 直流電磁鐵的區(qū)別 520720020 10410422 SBSBSBF 9.5.1 直流電磁鐵 F F 鐵芯 線圈 銜鐵 F F (a) (b) (c)圖9.24 電磁鐵的幾種結(jié)構(gòu)形式(a) 馬蹄式； (b) 拍合式； (c) 螺管式 如圖9.25所示的直流電磁鐵, 已知線圈匝數(shù)為4000匝, 鐵芯和銜鐵的材料均為鑄鋼, 由于存在漏磁, 銜鐵中的磁通只有鐵芯中磁通的90%, 如果銜鐵處在圖示位置時(shí)鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6T, 試求線圈中電流和電磁吸力。 l2 l1 I l0 l0 S18 cm2 l130 cm l00.2 cm S28 cm2圖9.25 例9.4圖 例9. 4（一） 解 查圖9.6, 鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.6T時(shí), 磁場(chǎng)強(qiáng)度H1=5300A/m。鐵芯中的磁通WbSB 34111 1028.11086.1 氣隙和銜鐵中的磁通Wb33 12 10152.11028.19.09.0 不考慮氣隙的邊緣效應(yīng)時(shí), 氣隙和銜鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 TBB 44.1108 10152.1 4 320 例9. 4（二） 查圖9. 6銜鐵中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為3500/m。氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為mABH /10146.11047 44.1 67000 A lHlHlHNI 6524 102.010146.121010350010305300 2 2622 002211 線圈電流為 ANNII 631.140006524 電磁鐵的吸力 NSBF 132710108244.14104 542520 線圈的磁勢(shì) 例9. 4（三） 交流電磁鐵由交流電勵(lì)磁, 設(shè)氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 tBtB m sin)(0 電磁鐵吸力為 )2cos1(2sin22 )()( 02202020 tSBtSBStBtf mm 5202 0 020 1024 )2cos1(21)(1 SBSB dttSBTdttfTF mm T mTav 02max 2SBF m 9.5.2 交流電磁鐵（一） f (t) f (t) Ba(t) Ba(t) t0 Fav Fmax圖9.26 交流電磁鐵吸力變化曲線 9.5.2 交流電磁鐵（二） 短路環(huán) 鐵芯 銜鐵 圖9.27 有短路環(huán)時(shí)的磁通 9.5.2 交流電磁鐵（三） 表 9.1 直流電磁鐵與交流電磁鐵比較 內(nèi) 容 直流電磁鐵 交流電磁鐵 鐵芯結(jié)構(gòu)由整塊軟鋼制成, 無(wú)短路環(huán) 由硅鋼片制成, 有短路環(huán) 吸合過(guò)程 電流不變, 吸力逐漸加大 吸力基本不變, 電流減小 吸合后 無(wú)振動(dòng) 有輕微振動(dòng) 吸合不好時(shí) 線圈不會(huì)過(guò)熱 線圈會(huì)過(guò)熱, 可能燒壞 9.5.3 交流電磁鐵的特點(diǎn) 教學(xué)方法結(jié)合實(shí)際講解本節(jié) 思考題（一） 1、如何根據(jù)電磁鐵的結(jié)構(gòu)來(lái)判斷它是直流電磁鐵還是交流電磁 鐵？ 2、如果把交流電磁鐵誤接到電壓相同的直流電源上，會(huì)有什么 結(jié)果？為什么？ 3、交流電磁鐵在吸合時(shí)，若銜鐵長(zhǎng)時(shí)間被卡住不能吸合，會(huì)有 什么結(jié)果？為什么？直流電磁鐵若發(fā)生上述情況又如何？ 4、如果一個(gè)直流電磁鐵吸合后的電磁吸力與一個(gè)交流電磁鐵吸合后的平均吸力相等，那么在下列情況下它們的吸力是否仍然相等？為什么？ （1）將它們的電壓都減小一半； （2）將它們的勵(lì)磁線圈的匝數(shù)都增加一倍； （3）在它們的銜鐵與鐵心之間都填進(jìn)同樣厚的木片。思考題（二）