工学直流磁路及其计算.pptx

,#,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,第一章 直流磁路及其计算,电磁元件的基本结构均是在铁磁材料构成的磁路上绕有线圈。其工作原理多是基于利用电磁感应原理进行工作的。为了更好地理解这类元件的工作原理及特性，在这一章的开始部分，首先对铁磁物质的基本特性、磁路的基本物理量和基本定律进行简单的介绍，然后再对电磁元件的磁路及其计算进行详细的论述。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,一、基本物理量,1.,磁感应强度,B(,国标单位为,T),电流产生磁场。位于磁场中的载流导体受到力的作用，可以说明磁场的存在。磁感应强度,B,是表征磁场强度强弱及方向的一个物理量。,磁场中，不同地点的磁感应强度是不同的，为了形象地描绘出磁场中各处磁感应强度及方向的分布情况，可用该处磁力线的多少来表示，即某处并垂直于该处单位面积上的磁力线数反映磁感应强度的数值。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,图,1,一,1,为几种形状不同的导体，通入电流后产生磁力线的情况。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,2.,磁通量,通过某一截面,S,的磁力线的总数称为磁通量,，简称磁通。其定义为,:,=,s,B-ds,（,1,一,1),磁通的单位为,Wb,若截面,S,与磁感应强度,B,垂直且,B,是各点均匀的，则上式又可写成,:,BS,（,T.m,2,）,或,B=,/S(Wb/m,2,）（,1,一,2),式,(1,一,2),表明，磁感应强度在数值上可以由与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁力线数决定。因此，磁感应强度,B,又称为磁通密度，简称磁密。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,3.,磁场强度,H (,磁化力）,磁场强度也是用来表示磁场中各点磁力大小和方向的一个物理量，与磁感应强度不同的是它的大小与磁场中磁介质的性质无关，仅与产生磁场的电流大小和载流导体的形状有关。,磁场强度与磁感应强度之间关系为,H=B/,（,1,一,3,）,磁场强度,H,的单位是,A/m,为磁导率。,或：,H=NI/L,H-,磁化力 单位为安匝,/,公分,NI-,磁势 单位为安匝,L-,磁路长度 单位为公分,感应电动势的计算：,在单匝线圈中，假定磁通量的变动是,10,8,马,/,匝可以产生,1,伏电势的话，那么：,n,匝线圈就可以产生,n,伏电势即：,E=N,/100000000t=,N,/t 10,-8,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,4.,磁导率,（,磁导率的单位是,H/m,）,磁导率,是用于衡量物质导磁能力的物理量。物质按导磁性能的不同分为铁磁物质（铁、钻、镍及其合金）和非导磁物质（铁磁物质以外的其它物质，如铜、铝、橡胶等各种绝缘材料及空气等）两类。非铁磁物质的磁导率产与真空的磁导率,。相差很小，工程上通常认为二者相同,。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,铁磁物质的磁导率,要比真空的磁导率,o,大很多倍（几百几万倍不等），因此工程上用铁磁物质做成各种形状的磁路，以便使磁通能集中在选定的空间，以增强磁场。,真空（及非铁磁物质）的磁导率,o,4,X 10,（,H/m,）。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,二、磁性材料的主要特性,1.,高导磁性,磁性材料（铁、钻、镍及其合金）的磁导率,是非磁性材料磁导率（,o,）的几百一几万倍，这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,下面用磁分子学说解释磁性物质为什么具有被磁化的特性。大家知道在物质的分子中由于电子环绕原子核运动和本身自转运动而形成分子电流，分子电流也要产生磁场，每个分子相当于一个基本小磁铁。同时，在物质内部还分成许多小区域，这些小区域称为磁畴。由于磁性物质不同于其它物质，其分子间有一种特殊的作用力。,第一章 直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,在没有励磁电流（或外磁场）的作用时，各个磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外就显示不出磁性来，见图,1,一,2(a),。,无外磁场作用磁畴排列混乱,第一章 直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,有外磁场作用磁畴排列整齐,当有励磁电流（或外磁场）的作用时，磁性物质每个磁畴内的分子磁铁都会顺外磁场方向转向，显示一定的磁性。随着励磁电流的增大（或外磁场的增强），磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上并整齐地排列起来，见图,1-2(b),。这样，便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，而使磁 性物质内的磁感应强度大大增加，这就是说磁性物质被强烈地磁化了。,9.2,铁磁物质的磁化曲线,一、铁磁物质的磁化,铁磁物质在外磁场的作用下，产生于外磁场方向一致而且很强的,附加磁场，这种现象叫铁磁物质的磁化。,H,二、磁化曲线,1.,起始磁化曲线,a,2,a,3,a,1,B,0,H,0a,1,段,:H,较小,B,增加的很慢。,a,1,a,2,段：,B,急剧增加。（线性段）,a,2,a,3,段：,B,增加缓慢。,a,3,点以后：,B,几乎不增加。（饱和段）,H,B H,B,H,0,磁化曲线,:,铁磁性物质的磁感应强度,B,与外磁场的磁场强,度,H,之间的关系曲线,所以又叫,B-H,曲线。,图,9.2 B-,H,曲线测量电路,9.1.2,磁化曲线（一）,铁磁物质的磁化曲线（,2,）,二、磁滞回线,0,B,H,B,m,H,m,Br,-H,C,-H,m,-Br,H,C,a,B,的变化落后于,H,的变,Br,剩磁,H,C,矫顽力,化的现象称为磁滞。,0,B,H,软磁材料：磁滞回线狭长，剩磁小，娇顽力小,磁滞现象不显著。如纯铁、铸铁、铸钢、电工钢,硬磁材料：磁滞回线较宽，剩磁大，娇顽力大,被磁化后剩磁不易消失。如铬钢、钨钢、钴钢,三、基本磁化曲线,H,B,H,m,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,铁磁材料按其磁滞回线的形状分为两类，一类称为软磁材料，它的磁滞回线包围的面积较小。软磁材料的磁导率高，易于磁化，剩磁也易消失，如图,1,一,5(a,）所示。这类铁磁物质包括电工软铁、硅钢片、铁镍合金（坡莫合金）等。软磁材料多用于交流磁路，硅钢片主要用于制作电机、变压器的铁心，铁镍合金多用于电子设备中的脉冲变压器铁心，电工软铁用于直流磁路。,插图,a,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,磁滞回线宽，具有较高剩磁的铁磁材料称为硬磁材料，其磁滞回线如图,1,一,5(b),所示。这类材料一经磁化即能保持较强的恒定磁性，又称为永磁材料。属于永磁材料的有合金钢、铝镍钻合金、稀土合金等，主要用于扬声器、磁电系仪表、永磁发电机等电器以产生恒定磁场。,插图,b,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,4.,磁滞损耗和涡流损耗,(1),磁滞损耗铁 磁物质在交变磁化过程中，由于磁滞现象而发生能量损耗，称为磁滞损耗。这种损耗的能量转变为热能而使铁磁材料发热。交变磁化一个循环时，磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比,。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,对常用电工钢片，当交变磁化的,Bm=(1,一,1.6)Wb/m,时，磁滞损耗的经验计算公式为,:,P,b,=K,h,f B,2,m,（,1,一,4),(2,）涡流损耗铁磁物质在反复磁化时，铁心中的磁通要发生变化，因而在垂直于磁力线方向的铁心截面上产生感应的闭合电流，该电流称为涡流。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,交变磁化时，涡流损耗的经验计算公式为,Pe=,K,e,f,2,B,2,m,（,1,一,5,）,式,(1,一,4).(1,一,5),中的系数,KhKe,与使用的材料有关，系数,KhKe,可在电工手册中查出。,磁滞损耗和涡流损耗合称为铁损耗。由上述公式可以看出，铁损耗的多少与铁磁物质的成分、铁心中的最大磁密,Bm,、磁通交变的频率,f,等诸多因素有关。,第一章直流磁路及其计算,1-1,铁磁物质特征,为了减少铁损耗除应使用磁滞回线面积小的铁磁材料外，在电磁元件中，如电机、变压器应用,0,15 mm-0,5 mm,硅钢片或,0,1 mm,厚的微晶、非晶等铁磁材料叠制铁心，并在钢片的表面涂有绝缘漆以减小涡流回路的尺寸，增加回路电阻，降低铁损耗。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,一、磁路,在电工技术中，利用磁性物质的高导磁性，制成一定形状的导磁的路径，可以认为磁通将主要集中在这个路径内闭合，这个路径是磁通的主要路径。而周围空间磁通很少，它们在铁心外通过空气隙闭合，这是磁通的次要路径。这两种路径（即凡是磁通经过的路径）统称为磁路。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,通过主要路径的磁通称为主磁通，用,s,或,表示。通过次要路径的磁通称为漏磁通，用,表示。图,1,一,6,示出了三种典型电磁元件的磁系统。图,(a),为拍合式电磁铁，图,(b),为直流电机，图（,c,）为变压器。它们的磁路一般都包括一定形状的铁磁材料和气隙两部分。我们把这种主要由铁磁材料和线圈以及气隙等所组成的整体称为磁系统。,效果演示,效果演示,效果演示,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,二、磁路基本定律,磁路的基本定律是与磁场的基本定律相对应，磁路的基本定律都可直接从磁场的基本定律转化而得到。,1.,基尔霍夫第一定律,基尔霍夫第一定律是与磁场的磁通连续定律（高斯定律）相对应。,基尔霍夫第一定律,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,磁通连续定律是磁场的一个基本性质，即在磁场中任何闭合面上的磁通代数和恒等于零，或者说进入闭合面的磁通等于离开闭合面的磁通，其表达式为,Bds=0,或,=0,式中规定，进入闭合面的磁通取负号，离开闭合面的磁通取正号，如图,1,一,7(a,）所示。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,将这个原理应用到图,1,一,7(b),中的封闭曲面,A,处，则有,1+2+3=0,而这里的封闭曲面,A,就是一段有分支磁路，如果把分支处看成磁路的一个节点，则汇聚在该节点上磁通的代数和必恒等于零。推广一般，即磁场的磁通连续定律可相应为磁路基尔霍夫第一定律，则汇聚在任一节点上磁通的代数和恒等于零，即,i=0,式中,i,为支路数。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,2.,欧姆定律和基尔霍夫第二定律,欧姆定律和基尔霍夫第二定律是与磁场的安培环路定理相对应。安培环路定理表明磁场强度,H,与励磁电流,I,之间的关系，其表示式为,s,Hdl=I (1,一,6),第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,当线圈有,N,匝时，则式,(1,一,6),变为,:,1,Hdl =IN,就是说磁场强度,H,沿某一闭合路径,l,的线积分，等于路径,l,所包围的电流,I,的代数和。当电流的参考方向与闭合路径规定的方向符合右手螺旋定则时，电流,I,取正号，反之取负号。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,当磁路各点的磁场强度,H,方向与路径,l,的方向一致时，则磁场强度,H,沿指定路径几的线积分，即由,a,至的,b,线积分定义为磁场中,a,与,b,间的磁压降,Uab,为,Uab=,b,a,Hdl,在均匀磁场中，则有,Uab,Hl,ab,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,如果磁路是由不同截面的几段组成，则上式可写成磁路的形式,n n n n n,Hili=iRi=i/i=Ui=IN,i=1 i=1 i=1 i=1 i=1,式中：,Ri,li,iSi,第,i,段磁路的磁阻,(1/H),；,i,1/Ri,第,i,段磁路的磁导（,H),或,(Wb/A),，,Ui,第,i,段磁路的磁压降,(V),；,IN,磁路的磁动势（安匝）。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,而表达式,i,R,i,i,/,i,=U,i,（,1,一,8),是安培环路定律在无分支磁路中以,，,U,等表示的形式，也称为磁路的欧姆定律。而表达式,U,i,=IN,（,1,一,9,）,即为磁路基尔霍夫第二定律。它表示在闭合磁路中，沿某一环线方向磁压降的代数和等于磁动势的代数和。,必须指出，每段磁路磁压降,U,i,有,HL,或,R=/,两种表达形式。在磁路计算中，对于导磁体的磁压降均采用,HL,的形式，即要利用铁磁材料的磁化曲线由,B,值查到对应的,H,值，再乘以导磁体中的磁路长度,L,这是非线性的计算方法。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,对于气隙的磁压降则采用,R,的形式，因为气隙的磁导率,0,是常数，故当气隙长度不变时，其磁阻值是不变的，具有线性性质。,因此，对于有气隙的磁路，式,(1,一,9),可以表示为,n n,IN=Hmi l mi,j,/,j,=Um+U,(110),i=1 j=1,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,式中：,Hmi,第,i,段导磁体中的磁场强度,(A/m),；,Lmi,第,i,段导磁体的长度,(m),；,j,第,j,段气隙中的磁通,(Wb),；,j,=1/R,j,第,j,段气隙的磁导,(Wb/A),；,Um,导磁体的总磁压降,(V),；,U,。,气隙的总磁压降,(V),。,式中各项正负号规定如下：先规定各回路环线的方向，如果回路中各段磁通,(,或,H),的正方向与规定环线方向一致，则该段的磁压降为正；当线圈磁动势的正方向与环线方向一致时，则该线圈的磁动势为正，而磁动势正方向和线圈电流正方向应符合右手螺旋关系。,由上可知，磁路计算中所用到的概念和定律在形式上与电路非常相似，表,1,一,1,列出电路与磁路的对应关系。,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,第一章直流磁路及其计算,1,磁路及其基本定律,三、等效磁路,因为磁路和电路在形式上有其相似之处，所以在分析和计算某一磁系统时常常模仿电路,的表示形式将它表示成等效磁路。,下面以图,1,一,8,所示的拍合式电磁铁为例，画出其等效磁路图。,二、磁路的基尔霍夫定律,1.,磁路基尔霍夫第一定律,I,1,I,2,a,2,3,1,b,1,+,2,=,3,2.,磁路基尔霍夫第二定律,在磁路的分支点，所连各,支路磁通的代数和等于零。,I,2,I,1,N,2,N,1,l,1,l,3,l,2,l,3,每段磁路的磁位差,选择磁场与中心线的方向相同时,右边回路,左边回路,可得,磁通势,单位,:A,有,4,=0,有,l,4,H,2,H,1,H,3,H,4,H,3,例题,:,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,前面已提到，磁路的形式与电路的形式有其相似之处，但它们仍有所不同：,（,1),磁路中铁磁材料的磁导率,不是常数，见图,1,一,3,，使磁路的计算成为非线性的问题,(2),气隙磁导率,0,虽然是常数，但由于长度和面积不易算准，因而磁阻或磁导很难计算，但是它对整个磁路计算的准确性影响却极大,(3),磁路中有分布的漏磁通，如图,1,一,6,所示漏磁的存在将使图,1,一,8,等的等效磁路复杂，它不再只有一个回路；不能用一个集中磁动势,IN,表示而且使导磁体内的,B,和,H,都不是常数，因此考虑漏磁后的磁路计算是相当复杂的。,由于以上三个特点，致使磁路计算是相当复杂的，而且也不容易算得很准确。但在并不需要十分准确的工程计算中，或在初步估算中，可以忽略漏磁通的计算。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,一、气隙磁导的计算,对于有气隙的磁路计算，虽然铁磁体的长度通常比气隙的长度大得多，但由于空气的磁导率远比铁磁物质小得多，故气隙磁导比铁磁导小得多，致使气隙磁压降占整个线圈磁动势的绝大部分。因此气隙磁导的计算对整个磁路的计算十分重要。,气隙磁导取决于构成气隙的极面的几何形状和相对位置。下面推导两种特定形状的气隙磁导计算公式。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,1.,平行平面的极面间,平行平面的板面间磁力线见图,1,一,10.,空气隙中磁场的磁力线，有企图占据可能的最大空间的作用，所以磁通会向外扩张，造成边缘扩散现象。气隙边缘的磁力线不是直线，而是向外凸出，因而增加了气隙的有效面积。对于两个平行的平面极，由于边缘扩散作用，其磁力线分布形状如图,1,一,10,所示，气隙愈大，则这种边缘扩散作用愈大。,插图,10,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,只有当磁极的端面比气隙大很多时（,a0.2,及,/b0.2),，边缘扩散作用才可以忽略不计，而认为气隙中磁场是均匀磁场，这时气隙磁导可用下式表示 ,。,.ab/,（,H,）,(111),如果气隙教大需考虑边缘扩散作用时,可在公式中引入修正系数,于是上式为,:,。,/,（,a+K,）,(b+K),（,H,）,式中，,K,0.307/,插图,10,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,2.,互成角度的极面间,互成角度面的板面见图,1,一,11,。,对于互成角度极面间气隙磁导的计算，可以把气隙分成许多厚为,dx,、宽为,b,的平行平面磁极并联来看，然后再取内径,r1,到外径,r2,的积分，,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,求得,b=,。,ds/L,=,。,r2,r1,(bdx)/x,=,。,(b/)ln(r,2,/r,1,),（,H),（,1,一,12),在实际的磁路结构中，磁极形状除上述以外，还有其它多种型式，现将常用气隙磁导计算,公式列于表,1,一,3,中。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,二、简单磁路计算,磁路计算可以归结为正反两类任务。第一类任务是已知主磁通，求所需的线圈磁动势。,第二类任务则相反，即已知线圈磁动势，求主磁通。,下面以图,1,一,8,所示的拍合式电磁铁为例来介绍以上正反两类任务的计算方法。,(1),第一类任务：已知主磁通，求线圈磁动势,IN,，导磁体的材料为硅钢片,D21,。,解：,第一步：计算各气隙（,1,2,3,）的磁导（,1,2,3,）。,第二步：求导磁体各部分的,Bmi,和,Hmi,。,按照材料和截面积的不同，将导磁体分段。,第三步：按式（,1,一,10,）的求所需的磁动势，即：,/,1,m1,m1,m2,m2,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,(2),第二类任务：已知线圈磁动势,IN,，求主磁通,。,已知磁动势，要求磁通，当然需要先知道各部分的磁阻。但是，铁磁材料的磁阻本身又和待求的磁通有关，因此无法直接求得答案，必须采用猜试法或图解法。,1.,猜试法,第一步：在求得各气隙磁阻,R,i,后，先粗略估计一个值,。,若气隙较大，而铁磁材料又不饱和时，磁动势的绝大部分将分配在气隙中。因此，在估计,值时可以先忽略铁磁阻，即,=IN/(R,1,R,2,R,3,),显然，如果考虑铁磁阻,会比上式所得的结果小。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,第二步：修改（减小）上述粗略估计的,值，按第一类任务求解的方法，求相应的磁动势,IN,即作第一次猜试。,第三步：将第一次猜试法所得的磁动势与给定磁动势比较，如果相差较大，就必须修改第一次猜试的孰值，再重复计算。这样反复修改，逐次逼近，直到计算结果和给定磁动势之间的误差在允许范围内为止。,有时可根据几次猜试的,IN,和中，值作曲线表示在坐标纸上，如图,1-12,所示，这种,=f(IN),的关系曲线叫作磁系统的磁化曲线。显然，由此曲线可求得对应于给定磁动势时的,值。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,2.,图解法,曲线相交法,如果我们不但要求吸片在某一位置时的磁通，而且要求出吸片从打开位置到闭合位置之间不同气隙时的磁通值，那末，如果仍用猜试法就必须对应每一个气隙作一条磁系统磁化曲线，显然非常繁琐。这时，可以采用解非线性电路的图解法,曲线相交法来解决。,曲线相交法的原理是根据式,(1,一,10),把整个磁路的磁压降分为铁磁阻的总磁压降,Um,和气隙的总磁压降,U,之和，,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,见等效磁路图,1,一,13(a),。,IN,U,Um,R,Um,（,1,一,13),式中,Um,R,m,是非线性的,Rm,是磁路总铁磁阻。,U,R,是线性的，,R,是磁路总气隙磁阻。很明显，它是一个含源线性二端网络和一个非线性无源二端网络组成的简单回路。对于含源线性二端网络，只要两点就可以决定其特性。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,为此先令式,(1,一,13),中的,=0,，则,Um=IN,，如图,1,一,13(b,）中的,A,点所示。然后令,Um=0,，则,=IN/R,=IN,，如图中,D,点所示。连接直线,AD,，则,ta=,，此直线叫气隙磁导线。,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,铁磁阻的总磁压降,Um=,Rm,是非线性的，必须假设一系列的,通过查材料的磁化曲线，才能计算出一系列相应的,Um,值，曲线,=f(Um),称为局部磁化曲线。很明显，气隙磁导线和局部磁化曲线交点,B,的坐标即为所求的,和,Um,之值。,效果演示,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,计算例题,如图,1,一,14,所示直流磁路，铁心由铸钢制成，各,段平均长度和铁心截面积为：,L1=L3=200X10-,3,m,，,L2=L4=300 X 10,-3,m,；,S1=400 X 10,-6,m,2,，,=S2=S4=,400 X 10,-6,m,2,，,S3=600 X 10,-6,m,2,，,=,2,X 10,-3,m,；欲使磁路主磁通为,2.4 X10,-4,wb,，求线圈磁动势,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,三、磁路导磁体中常用的软磁材料,在以上介绍的磁系统中，铁磁材料多采用软磁材料。软磁材料磁导率高，剩磁小，磁滞现象不显著，故其磁滞损耗小。目前最广泛使用的铁磁材料。常用的软磁材料有下面几种。,1,电工用纯铁,2.,铁硅合金,3.,铁镶合金,4.,软磁铁氧体,第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,解：,1.,求,气隙磁导,忽略边缘散磁，则气隙面积,S,=200 X 10,-6,m,2,(,代入式,-11),=,。,.ab/,（,H,）,=(4,X 10,-7,X 200 X 10,-6,)/2 X 10,-3,=12.57X 10,-8,（,H,）,2.,求各段铁心的磁密,B,B1=,/S1=(2.4,X 10,-4,)/400 X 10,-6,=0.6 (T),B2=B4=,/S2=(2.4,X 10,-4,)/200 X 10,-6,=1.2 (T),B=B4=,/S3=(2.4,X 10,-4,)/400 X 10,-6,=0.4 (T),第一章直流磁路及其计算,1,3,直流磁路的计算,3.,根据磁密,B,由磁化曲线查的相应的,H,H,1,=4.5 X 10,2,(A/m);H,2,=H,4,=13 X 10,2,(A/m);,H,3,=4.5 X 10,2,(A/m);,4.,由式（）计算,IN:,IN=,/,X2+H,1,L,1,+H,2,L,2,+,H,3,L,3,=(2.4,X 10,-4,/12.57X 10,-8,),X2+4.5 X 10,2,X0.2+13 X 10,2,X2,+3 X 10,2,X0.2=4749 (A),第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,永久磁铁可以在没有线圈磁动势的情况下提供一个恒定的磁通，因此在各种电器、电机和传感器等电磁元件中应用较广。近年来，由于高性能永磁材料的不断出现，其应用范围也将愈来愈广。,具有永久磁铁的磁路结构统称为永磁磁路。永磁磁路的计算有它自己的特点。这一特点就是除了由空气隙和导磁体（软磁材料构成）所组成的部分与直流磁路完全相同外，永久磁铁部分可以看成是一个磁动势。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,一、永磁材料的基本特性,1.,去磁曲线,前面已经介绍了如图,1-3(a),所表示闭合铁心和线圈结构图，当改变线圈中电流大小和方向时，将得到铁磁材料的磁滞回线，如图,1,一,4,所示。硬磁材料的磁滞回线较宽，如图,1,一,5(b),所示，图中,cd,段为去磁曲线。,插图,a,闭合环切口,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,2.,永久磁铁的工作点在去磁曲线上,如果将上述磁化后（磁通密度达到,B,),的闭合环（硬磁材料）去掉线圈，开一切口，其气隙长度为,，如图,1,一,15(a),所示。这时磁路仍存在磁通，由于存在气隙磁阻，在磁路中要产生磁压降，因此磁铁的磁感应强度必将沿去磁曲线,be,下降，见,1,一,15(b),。,插图,15b,永久磁铁工作点,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,假设铁磁内磁场是均匀的，并以,Bm,和,Hm,分别表示环内磁铁的磁感强度和磁场强度，则,Bm,和,Hm,必然是去磁曲线上的某一点这是磁铁工作点的内部条件。图中标出了磁铁平均长度,lm,和截面积,Sm,，令气隙的感应强度及磁场强度分别为,B,和,H,，,显然,B,o H,根据前述的安培环路定理，沿闭合路径,l,有如下关系,L,HdL=H,m,L,m,H,=0,因此,H,m,L,m,H,0,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,该式说明永久磁铁内部的,Hm lm,相当于普通磁路中的磁动势，由它来产生气隙磁压降。,再由磁通连续定律可知，气隙磁通与永久磁铁内的磁通应当相等，即,B,m,S,m,B,S,式中，,S,为气隙截面积，当,较小时，可近似认为,S,=Sm,。,综合以上三式就可以得到,B,二与,H,二的又一关系式，即,B,m,=-,o(,S,/,)(,l,m/,S,m,),H,m,(1-14,),此表达式是一条直线，如图,1,一,15(b),中的,0-a,，称之为气隙磁导线，这里,tga=,o(,S,/,)(,l,m/,S,m,),H,m,，它是由磁铁外部磁路情况（,S,o,）确定的，所以永久磁铁工作点的外部条件是由这些外部磁路决定的因此永久磁铁的工作点是由去磁曲线以及外部磁路共同决定的。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,3.,磁场能量,设计永久磁铁时，应力求使其工作点在气隙中获得最大的磁能。在气隙中的磁能为,W,=(,H,B,1/2)V,=1/2,H,B,S,(1-15),式中，,V,为气隙体积。而永久磁铁产生的磁能为,W,m,=,(,Hm,Bm,/2),V,m,(1-16),当,S,Sm,时，由式,(1,一,14),并去掉式中负号（负号说明工作在第二象限，是输出能量），可得,H,=Lm/,Hm,（,1,一,17),如不考虑漏磁,B,=Bm,，将式,(1,一,17,）代人式,(1,一,15,），可得,W,=1/2,H,m,B,m,Sm,Lm/,=,1/2,Hm,B,m,Sm,Lm,=,1/2,Hm,B,m,V,m,=,W,m,上式说明永久磁铁的磁能和气隙磁能相等，实 际上气隙中的磁能就是永久磁铁供给的，永久磁铁 是一个磁能源。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,上式还说明磁铁向气隙提供的磁能将与磁铁体积,Vm,及,Bm Hm,成正比,BmHm,称为磁铁的磁能 积。磁能积越大，获得一定磁能所需的磁铁尺寸就越小。图,1,一,16,画出了不同工作点时永久磁铁磁能,的变化情况。,4.,永久磁铁的实际工作点在回复线上,如果材料去磁到,m,点（图,1,一,17(a),）后再使去磁磁场减小到零，则磁状态不是沿去磁曲线回升，而是沿,mpr,曲线回升。如图,1,一,17(a),所示，当,H,为零时回升到,r,点（低于,B,，）如果再加上去磁磁场，则磁状态是沿阿,m,曲线回到接近,m,的工作点。多次反复后形成,mprqm,回线，称为次磁滞回线（或回复回线）。此回线很窄，通常用一条直线,r,代替，直线,mr,称回复线。,m,点不同，回复线也不同。不同工作点的一族回复线也可以近似地认为是一族等斜率的直线，且与去磁曲线在点的斜率相同。,因此在反复去磁的条件下，永久磁铁的实际工作点不是在去磁曲线上，而是在回复线上,.,它与外部条件式,(1,一,14),共同求的工作点,a,，见图,1,一,17(b),。如果气隙大小变动，则工作点将在回复线上移动。,因此在反复去磁的条件下，永久磁铁的实际工作点不是在去磁曲线上，而是在回复线上,.,它与外部条件式,(1,一,14),共同求的工作点,a,，见图,1,一,17(b),。如果气隙大小变动，则工作点将在回复线上移动。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,效果演示,效果演示,对于目前国内外大量使用的以铰铁硼为代表的稀土永磁磁钢，其回复直线与去磁曲线重合。因此，虽然在反复磁化的条件下，工作点也会发生变化，但工作点始终位于去磁曲线上,去磁条件消失后，工作点又会恢复到原位置，不会发生永久性去磁。这对电磁元件的制造、使用和设计带来很大的方便。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,二、具有永久磁铁磁路的计算原则,具有永久磁铁磁路的计算同样有两类任务：第一类是已知磁路中工作气隙磁通，求磁路尺寸并选择磁路的材料。第二类是已知永磁磁路的尺寸和材料，求磁路的工作气隙磁通。,在第一类任务中，根据基尔霍夫第二定律确定永磁铁的体积,vm,为,Hm Lm,/,0,Lm=-,/,Hm Sm,/Bm,将,Lm,式中负号去掉，可得,Vm,Sm,Lm,2,(Hm,Bm,),。,在第二类任务中，对于固定气隙的永磁体属于求磁路工作点的问题，其方法已如前述。工作点的纵坐标即为磁路的磁感应强度，如不计漏磁，由此可以求出,=Bm S,=B,S,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,三、常用的永磁材料,目前国内外电磁元件所采用的永磁材料有三类：铝镍钻、铁氧体和稀土类。,铝镍钴,(AINiCo),永磁材料由于剩磁磁密,Br,大，磁感应温度系数小，从,20,世纪,50,年代到,80,年代中期，一直广泛应用在高性能电磁元件（如永磁直流电动机）中。但是这种材料的去磁特性为非线性曲线，回复直线与去磁曲线不重合，使用前必须进行稳磁处理。稳磁处理后永磁体工作在回复直线上。铝镍钴永磁材料的矫顽力,Hc,低，使用和保管不当容易去磁。由于钕铁硼（,NdFeB,）等稀土永磁材料的广泛应用，目前已很少使用铝镍钻永磁材料。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,永磁铁氧体（简称铁氧体），属于非金属永磁材料，它是很早就广泛使用的永磁材料。它的特点是矫顽力,H,。较大，不易去磁，价格便宜，但剩磁磁密小。由于铁氧体价格低，近些年来其磁性能又有提高，所以在电磁元件中铁氧体得到较为广泛的应用。,钐钴,(SmCo),稀土永磁材料，由于其优良的磁性能，在高性能的电磁元件中得到应用。但衫的世界储量较小，钻又是战略物资，因此这种材料价格高昂，限制了它的应用。,20,世纪,80,年代以来永磁材料获得了重大突破，继,Smco,和,Sm2Co17,之后的第三代稀土永磁材料,钕铁硼在世界和我国获得了广泛的应用。,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,它兼有前述几种永磁材料的优点。这种稀土材料的一个明显优点是以钕代替衫，以铁代替钴。地球上铰的蕴藏量丰富，在稀土矿中含量占第三位，而我国钦的蕴藏量占世界的,80,，所以钕铁硼的价格比钐钴永磁材料便宜得多。钕铁硼永磁材料最主要的优点是具有优良的磁性能，剩磁磁密,Br,、矫顽力,Hc,和最大磁能积（,BH,）,max,都很大。这种材料的磁稳定性能好，不易去磁。,在制造电磁元件过程中，不需要像铝镍钻那样进行稳磁处理，可以先充磁后装配，多次拆装也不会去磁。钕铁硼的相对磁导率为,1.05,，接近空气磁导率。钕铁硼的缺点是热稳定性差，在,150,时磁性能变坏，不能应用在较高的温度下。目前钕铁硼已广泛地应用在高性能的电磁元件中。,电磁元件常用的永磁材料的磁性能见表,1,一,4,，典型去磁曲线见图,1,一,18,第一章直流磁路及其计算,1,4,具有永久磁铁的磁路简介,电磁元件常用的永磁材料的磁性能见表,1,一,4,，典型去磁曲线见图,1,一,18,小 结,本章回顾了铁磁材料的基本特性。重点介绍了直流磁路、等效磁路的概念及其基本定律，简单直流磁路的计算，并对永磁磁路进行简单的介绍。,磁通经过的闭合回路就叫磁路。电磁元件的磁系统主要由铁磁材料和线圈所组成。通过全部导磁体而闭合的大部分磁通称为主磁通，通过大部分气隙而闭合的小部分磁通称为漏磁通。,磁路基尔霍夫第一、二定律是与磁场的磁通连续定律和安培环路定理相对应。,磁路计算有两类任务：己知磁通，求磁动势；已知磁动势，求磁通。磁路计算的步骤是：首先画出等效磁路图，计算磁路中气隙磁导，然后再根据基尔霍夫定律对主磁通或磁动势进行计算。计算中要注意导磁体磁阻是非线性的，气隙磁阻是线性的。,