第3章 磁路与铁心线圈电路

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电工学简明教程 第二版 课件 磁路与铁心线圈电路

电工学(电工技术) 电工学(电工技术)教学课件

第3章 磁路与铁心线圈电路

电工电子教研室

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第3章 磁路与铁心线圈电路3.1 磁路及其分析方法 3.2 交流铁心线圈电路 3.3 变压器 3.4 电磁铁

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第3章 磁路与铁心线圈电路本章要求: 本章要求:1. 理解磁场的基本物理量的意义,了解磁性材料的 理解磁场的基本物理量的意义, 基本知识及磁路的基本定律, 基本知识及磁路的基本定律,会分析计算交流铁 心线圈电路; 心线圈电路; 2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和 了解变压器的基本结构、工作原理、 绕组的同极性端,理解变压器额定值的意义; 绕组的同极性端,理解变压器额定值的意义; 3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用; 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用; 4. 了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。 了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。

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在很多电工设备(像变压器、电机、 在很多电工设备(像变压器、电机、电磁铁电 工测量仪器等) 不仅有电路的问题, 工测量仪器等)中,不仅有电路的问题,同时还有 磁路的问题。 磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理 才能对以上电工设备进行全面分析。 论,才能对以上电工设备进行全面分析。 磁路和电路往往是相关的, 磁路和电路往往是相关的,因此在这里要研究 磁路和电路的关系以及磁和电的关系。 磁路和电路的关系以及磁和电的关系。 本章结合磁路和铁心线圈电路的分析, 本章结合磁路和铁心线圈电路的分析,讨论变 压器和电磁铁的工作原理,作为应用实例。 压器和电磁铁的工作原理,作为应用实例。 在电机、 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材 料做成一定形状的铁心。 料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气 或其它物质的磁导率高的多, 或其它物质的磁导率高的多,磁通的绝大部分经过 铁心形成闭合通路,磁通的闭合路径称为磁路。 铁心形成闭合通路,磁通的闭合路径称为磁路。章目录 上一页 下一页 返回 退出

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3.1 磁路及其分析方法 3.1.1. 磁路的基本概念线圈通入电流后, 线圈通入电流后,产 生磁通, 生磁通,分主磁通和漏 磁通。 磁通。

iu1线圈

Φ

Φs

u2

Φ :主磁通 Φs :漏磁通铁心

(导磁性能好 的磁性材料) 的磁性材料)

磁路:主磁通所经过的闭合路径。 磁路:主磁通所经过的闭合路径。章目录 上一页 下一页 返回 退出

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四极直流电机和交流接触器的磁路If + N S N S _

直流电机的磁路

交流接触器的磁路章目

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3.1.2 磁路计算中的基本物理量(磁通密度) 一、磁感应强度 磁通密度)与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通( 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通(磁 力线) 力线)

Φ B = S

B 的单位:特斯拉(Tesla) 的单位:特斯拉( )1 Tesla = 104 高斯

Φ

单位:韦伯 单位:

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二、磁导率 µ :表征各种材料导磁能力的物理量真空中的磁导率( 真空中的磁导率

µ 0 )为常数 为常数7

µ 0 = 4π ×10一般材料的磁导率

(亨/米) 米

µ

和真空中的磁导率之比, 和真空中的磁导率之比,

称为这种材料的相对磁导率

µr

µ µr = µ0

µ

r

1

,则称为磁性材料

µ r ≈ 1 ,则称为非磁性材料章目录 上一页 下一页 返回 退出

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磁性材料的磁性能: 磁性材料的磁性能:B (Φ )

µ大 µ小H (I)

B

B

H 2. 磁饱和性 3. 磁滞性

H

1. 非线性

根据磁性能,磁性材料又可分为三种:软磁材料( 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( )、永磁材料 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( )、矩磁材料 滞回线宽。常用做永久磁铁)、矩磁材料(滞回 线接近矩形。可用做记忆元件)。 线接近矩形。可用做记忆元件)。章目录 上一页 下一页 返回 退出

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三、磁场强度 H磁场强度是计算磁场所用的物理量, 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。 感应强度和导磁率之比。

H =单位: 单位:

B

µ

B :特斯拉米 µ :亨/米

H

:安/米 米章目录 上一页 下一页 返回 退出

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3.1.3 磁路的分析方法安培环路定律(全电流律): 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 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. 过这个闭合路径内电流的代数和

H dl = Σ I ∫电流方向和磁场强度的方向 符合右手定则,电流取正; 符合右手定则,电流取正; 否则取负。 否则取负。

I2 I1

I3

H

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在无分支的均匀磁路(磁路的材料和截面积相同, 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) 安培环路定律可写成: 各处的磁场强度相等)中,安培环路定律可写成:

NI = HLNI:称为磁动势。一般 :称为磁动势。表示。 用 F 表示。 F=NI HL:称为磁压降。 :称为磁压降。章目录 上一页 下一页 返回 退出

线圈 匝数N 匝数 I

磁路 长度L 长度

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在非均匀磁路(磁路的材料或截面积不同, 在非均匀磁路(磁路的材料或截面积不同,或磁场 强度不等) 总磁动势等于各段磁压降之和。 强度不等)中,总磁动势等于各段磁压降之和。

∑总磁动势

NI =

∑ HLΦI

例:

N

l0

NI = HµIµ + H 0l0章目录 上一页 下一页 返回

lµ退出

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二. 磁路的欧姆定律: 磁路的欧姆定律:对于均匀磁路

φ NI = HL = L = L µ SµB令:

I N

S L

Rm =

l

µs

Rm 称为磁阻 磁路中的 欧姆定律

则:

φ F = NI = L = Rmφ Sµ

是非线性的, 注:由于磁性材料 µ 是非线性的,磁路欧姆定律多用作定性 分析,不做定量计算。 分析,不做定量计算。 章目录 上一页 下一页 返回章目录 上一页 下一页

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磁路和电路的比较( 磁路和电路的比较(一)Φ

磁动势

磁通

磁压降

磁 路

I N

F = IN

Φ电流

HL

I

电 路

电动势U R

电压降

+

E_

E

I

U章目录 上一页 下一页 返回 退出

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磁路与电路的比较 (二) 二磁路 I基本定律 磁阻 磁感应 强度 安培环路 定律

ΦN

F ∑ NI l Φ Φ= Rm = B= Rm µS S = ∑ HL欧姆定律 电阻 电流 强度 克氏 电压定律

∑Φ=0克氏 电流定律

电路 I + _E R

∑E l E I R= I= ρS J = = ∑U R S

∑= 0

I

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3.1.4 磁路的分析励磁电流: 励磁电流:在磁路中用来产生磁通的电流 直流 ------- 直流磁路 交流 ------- 交流磁路 直流磁路 磁路分析 交流磁路

励磁电流

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一. 直流磁路的分析

U 直流磁路的特点: 直流磁路的特点 I = 为线圈的电阻) (R 为线圈的电阻) R Φ I 一定 U 一定 I(线圈中没有反电动势) 线圈中没有反电动势) 磁动势 F=IN 一定 磁通和磁阻成反比( = F Φ 直流磁路和电路中的恒压源类似 直流磁路中 直流电路中 F 固定 U

Rm

)

Φ=F

Rm Φ 随 Rm 变化

I =E

E 固定

R I 随 R 变化章目录 上一页 下一页 返回

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二. 交流磁路的分析交流激励 线圈中产生感应电势 电路方程: 电路方程:

i u

ΦΦ σ

Φ和 σ 产生 Φ的感应电势

u = uR + ( el ) + ( eσ ) dΦ ≈ Ri + N dt一般情况下

eL eσΦ :主磁通 Φ :漏磁通 σ

uR 很小退出

dΦ u ≈N dt章目录 上一页 下一页 返回

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i u

ΦΦ σ

dΦ u ≈N dt假设 则

eL eσ

= Φ sin ω t m= 2π fN Φ cos ω t m

u ≈ N Φ ω cos ω t m

最大值

U m ≈ 2π fN Φ m

有效值

Um U = ≈ 4 . 44 fN Φ m 2章目录 上一页 下一页 返回 退出

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i u

ΦΦ σeL

U ≈ 4 . 44 f N Φ m交流磁路的特点: 交流磁路的特点当外加电压U、 当外加电压 、频率 f 与 线圈匝数N一定时, 线圈匝数 一定时, m 便 一定时 Φ 确定下来。 确定下来。根据磁路欧姆 定律 IN

= ΦRm ,当Φ m

一定时

磁动势IN随磁阻 Rm 的变化而变化。 一定时磁动势 随磁阻 的变化而变化。 交流磁路和电路中的恒流源类似

F =ΦRm 直流电路中: 直流电路中: U = IS R直流磁路中: 直流磁路中:

固定 Φ

F随 Rm 变化章目录 上一页 下一页 返回

IS固定

U 随 R 变化

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