铁磁性物质的磁化曲线ppt课件.ppt

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1、1,第九章 磁路和铁心线圈电路,内容提要,1.磁感应强度、磁通及磁场强度等物理量概念。2.磁通连续性原理和安培环路定律。3.磁路的基尔霍夫定律，磁阻与磁导。4.恒定磁通磁路的计算。5.交流铁心线圈中波形畸变和交流铁心线圈电路模型的计算。,2,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.1 磁场的主要物理量和基本性质,一 磁场的主要物理量, 磁感应强度（ ）,电流(或运动电荷),磁感应强度 是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量。它是矢量。磁场对电流(或运动电荷)有作用，而电流(或运动电荷)也将产生磁场。,磁场,3,第九章 磁路和铁心线圈电路,磁感应强度的大小：,在磁场中一点放一段长度为l 、电流强度为

2、 I 并与磁场方向垂直的导体，如导体所受电磁力为F ，则该点磁感应强度的大小为,B 的SI单位：特斯拉(T),磁感应强度的方向：由 和 三个矢量成右螺旋定则的关系来决定。,4,第九章 磁路和铁心线圈电路, 磁通（ ）：磁感应强度 B 在面积 A 上的通量。,设磁场中有一曲面A，在曲面上取一面积元dA ，dA处的磁感应强度量值为B，方向与dA的夹角为，则此面积元的磁通为,所以，曲面A的磁通为,均匀磁场：磁感应强度量值相等、方向相同的磁场。,磁通的SI单位：韦伯（Wb）,5,第九章 磁路和铁心线圈电路,如果是均匀磁场，且各点磁感应强度与面积 S 垂直，则该面积上的磁通为,又称磁感应强度为磁通密度,

3、或, 磁感应线：为使磁场的分布状况形象化，用磁感应线描述磁场。,规定：磁感应线上的每一点的切线方向就是这一点的磁场方向；在磁感应强度大的地方磁感应线密，小的地方疏。,6,第九章 磁路和铁心线圈电路,将不同的物质（磁介质）放入磁场中，对磁场影响是不同的。 不同的物质在外磁场的作用下，会被磁化而产生附加磁场，附加磁场又反过来影响外磁场。 外磁场通常是由电流产生的，为了反映外磁场和电流之间的关系，引入一个辅助矢量H即磁场强度。它也是用来表征磁场中各点的磁力大小、方向的物理量。但是，它的大小仅与产生该磁场的电流大小和载流导体的形状有关。 其SI单位：安/米（A/m）。, 磁场强度,磁场强度与磁感应强度

4、的关系为,7,第九章 磁路和铁心线圈电路,物质的磁导率SI单位：H/m,非铁磁物质的0铁磁物质的r很大，如硅钢片r=60008000。, 磁导率, 磁通连续性原理：磁场中任一闭合面的总磁通恒等于零，即,二 磁场的基本性质,磁感应线总是闭合的空间曲线,8,第九章 磁路和铁心线圈电路, 安培环路定律：磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于穿过此路径所围成的面的电流代数和，即,例如：可写出图中的安培环路定律表达式为,电流的方向和所选路径方向符合右手螺旋法则时为正，否则为负。,9,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.2 铁磁性物质的磁化曲线,物质按其磁化效应分为,物质的磁性可用导磁系数来表示，或者用式

5、，以通过物质中磁感应强度与磁场强度的关系来描述。真空或空气的导磁能力很低，其导磁系数为 ，是一个不随磁场强度的大小而变化的常数（ ）。所以，真空或空气中的磁感应强度是随磁场强度成比例地变化的，如图中的直线所示。 铁、镍及其合金等铁磁性材料，其导磁能力很高，相对导磁系数很大，可达数百甚至数万而且还具有磁饱和及磁滞的特点。为此，下面研究铁磁性物质的磁化性质。,10,第九章 磁路和铁心线圈电路,铁磁性物质的磁化性质一般由磁化曲线即B-H曲线表示,原因：磁场强度H 是决定于产生外磁场的电流； 磁感应强度B 是相当于电流在真空中所产生磁场和物质 磁化后的附加磁场的叠加，所以， B-H曲线表明了物质的磁化

6、效应。,一 起始磁化曲线,铁磁性物质的磁化曲线 B-H 可由实验测出,起始磁化曲线，如图中曲线。 H=0 、B=0 开始磁化 oa1段，B 随H 增大而增大，其增 长率不大。,11,第九章 磁路和铁心线圈电路,a1a2段，B 随H 增大而急剧增大，其原因是铁磁性物质中的B 较非铁磁性物质的B 大得多，故常要求铁磁性材料工作在a2点附近。 a2a3段，铁磁性物质中的B 的增长率反而变小，其原因是接近饱和区。 a3点以后，B 的增长率就相当于空气中的B 的增长率，这种现象称为磁饱和。a1 、a2 、a3点分别称为跗点、膝点、饱和点。,总的来看：铁磁性物质的B 和H 的关系是非线性的。,12,第九章

7、 磁路和铁心线圈电路,从图中的曲线 - H 可以看到，铁磁性物质的磁导率不是常数，是随H 的变化而变化的。 开始阶段较小；随着H 的增大，达到最大值，而后随着磁饱和的出现， H 再增大，值下降。 图中的起始磁化曲线可用磁畴理论予以说明。,二 磁滞回线, 磁滞回线：铁磁性物质在反复磁化过程中的B-H关系（在+Hm 和-Hm 间，近似对称于原点的闭合曲线）。如交流电机或电器中的铁心常受到交变磁化。,13,第九章 磁路和铁心线圈电路,当H 由零增加到+Hm ，使铁磁性物质达到饱和，对应的磁感应强度为Bm ，之后，将H 减小，B 要由Bm沿着比起始磁化曲线稍高的曲线ab下降。 H 降为零而B 不为零，

8、这种B 的改变落后于H 的改变的现象称为磁滞。,剩余磁感应强度（剩磁）：由于磁滞，铁磁性物质在磁场强度减小到零时保留的磁感应强度（ Br ）。 矫顽磁场强度（矫顽力）：如要消去剩磁，需将铁磁性物质反向磁化的磁场强度（ Hc ）。 当H 继续反向增加时，铁磁性物质开始反向磁化。到-Hm时，即饱和点a。然后沿aba 变化而完成一个循环。,14,第九章 磁路和铁心线圈电路,磁滞损耗：铁磁性物质在反复磁化过程中，消耗并转 变为热能而耗散的能量。,反复磁化一次的磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。,材料按磁滞回线形状分,硬磁材料：回线较宽。剩磁不易消失， 适宜制作永磁体。（磁铁）,15,第九章 磁路和铁心线

9、圈电路,三 基本磁化曲线,基本磁化曲线：对于同一铁磁性物质制成的铁心，取不同的Hm值的交变磁场进行反复磁化，得到的不同磁滞回线的顶点连成的曲线。,16,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.3 磁路及磁路定律,一 磁路,为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，由于铁磁性物质的磁导率远比非铁磁性物质的大，所以将铁磁性物质做成闭合或近似闭合的环路，即铁心。因此，绕在铁心上的线圈通以较小的电流（励磁电流），便能得到较强的磁场。这样的磁场大都约束在限定的铁心范围之内，周围非铁磁性物质中的磁场则很微弱。,磁路：约束在限定铁心范围内的磁场。,气隙,主磁通,铁心,线圈,17,第九章 磁路和铁心线圈电路,磁路的磁通,主磁

10、通（ ）：绝大部分通过磁路（含气隙） 闭合的。,漏磁通（ ）：经过磁路周围非铁磁物质而闭 合的磁通。,二 磁路的基尔霍夫定律, 基尔霍夫第一定律：穿过闭合面的磁通代数和为零。, 基尔霍夫第二定律：在磁路的任意闭合回路中，各段磁位差的代数和等于各磁通势的代数和。,SI单位：均为安（A）,18,第九章 磁路和铁心线圈电路,其中：磁位差为,磁通势为,当磁通的参考方向与绕行方向一致时，取正号，反之取负号。,当励磁电流的参考方向与绕行方向之间符合右手螺旋关系时取正号，反之取负号。,三 磁阻与磁导,设均匀磁路中某一段材料： 磁导率： 横截面：A 长度：l 磁通：则该段磁阻为, 磁阻（Rm）,SI单位：为

11、H-1,19,第九章 磁路和铁心线圈电路, 推导过程：, 磁导（）,SI单位：为 H,空气的磁导率为常数，故气隙的磁阻是常量。,磁路欧姆定律,20,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.4 恒定磁通磁路的计算,一 恒定磁通无分支磁路计算,恒定磁通磁路：磁通不随时间变化而为恒定值的磁路。,恒定磁通磁路的计算,已知磁通势求磁通,已知磁通求磁通势, 已知磁通求磁通势,无分支磁路特点：各处磁通相同。,具体计算步骤如下：,将磁路按材料和截面不同划分为若干段落。,21,第九章 磁路和铁心线圈电路,按磁路的几何尺寸计算各段的截面积A 和磁路的平均长度l 。, 磁路的长度一般取其平均长度，即铁心中心线的长度。 磁路

12、的截面积用磁路的几何尺寸直接算出。 当铁心是涂有绝缘漆的硅钢片叠成时，要乘填充因数。 当磁路中有空气隙时，要考虑边缘效应，其有效面积比铁心截面积大些。气隙越大，边缘效应越显著。 气隙长度不超过矩形截面短边或圆形截面半径的1/5时： 矩形截面 圆形截面 气隙长度， 矩形长和宽， 圆的半径,22,第九章 磁路和铁心线圈电路,求各磁路段的磁感应强度。,按磁路各段的磁感应强度求各段对应的磁场强度。 铁磁性物质可查其磁化曲线或磁化数据表。 空气隙：,计算各段磁路的磁位差,按磁路基尔霍夫第二定律求出磁通势,上述步骤归纳为：,23,第九章 磁路和铁心线圈电路,二 恒定磁通对称分支磁路计算,图为AB为轴的对称

13、分支磁路。轴两侧磁路的几何形状完全对称，相应部分的材料也相同，两侧作用的磁通势也对称。根据磁路定律，这种磁路的磁通分布也是对称的。因此，可取对称轴的一侧磁路计算，然后得到整个磁路的数值。,注意,如图磁路取对称轴左侧磁路计算时，中间铁心柱的面积为原铁心柱的一半，中间柱磁通也减为原来的一半，但B 和H 保持不变。,24,第九章 磁路和铁心线圈电路,例：对称分支铸钢磁路如图所示。欲在中间铁心柱产生磁通为 ，求所需磁通势（图中单位为cm）。,解：取左侧磁路进行计算，图（b）中所示磁路的磁通为,25,第九章 磁路和铁心线圈电路,磁路段截面、长度分别为,磁路段磁感应强度为,查表（附表9-1）得：,磁路的磁

14、位差为：,磁路所需磁通势为,26,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.5 交流铁心线圈中的波形畸变和功率损耗,交流铁心线圈电路,铁心线圈分为两种,直流铁心线圈电路,上节介绍的是直流激励铁心线圈的稳定状态，当线圈电压给定时，其电流决定于线圈电阻，与磁路情况无关，而磁通则决定于磁路情况，在铁心内没有功率损耗。所以，分析直流铁心线圈比较简单。,交流铁心线圈通交流来励磁 （如交流电机及各种交流电器 的线圈）。要引起感应电动势，电路中的电压、电流关系与磁路有关；并且交变的磁通使铁心交变磁化，产生功率损耗。下面就来讨论之。,27,第九章 磁路和铁心线圈电路,一 线圈电压与磁通的关系,如图为接到交流电源的铁心线

15、圈。忽略线圈电阻及漏磁通，并选择各量的参考方向，有,电压为正弦量时，磁通也是正弦量，设,则有,28,第九章 磁路和铁心线圈电路,电压的相位超前磁通的相位,二 正弦电压作用下磁化电流的波形,前提：1）略去磁滞和涡流的影响。 2）并设铁心线圈磁路中只有均匀的一段。,由于铁心材料的B-H 曲线为基本磁化曲线,29,第九章 磁路和铁心线圈电路,下图中磁通为一正弦波 ，产生磁通所需电流 的波形，即电流 波形是从 曲线用逐点描绘的方法求得的。,磁化电流 ：线圈电流仅用以产生磁通的电流。,结论：1）电压为正弦波时，磁通为正弦波，电流为尖顶波。 2）电压越高，磁通越大，铁心饱和越严重，电流更尖。 3）电压和磁

16、通振幅较小，铁心未饱和，电流近似正弦波。,曲线的非线性实质：磁饱和所致,30,第九章 磁路和铁心线圈电路,三 正弦电流作用下磁通的波形,设铁心线圈电流 ，则铁心线圈的磁通 波形同样可用逐点描绘的方法作出，如图所示。,由所得的 ，再根据 ，即在 曲线上求各点磁通变化率 ，就可作出 的波形，如图所示。,结论：铁心线圈的电流为正弦波时，由于磁饱和的影响，磁通为平顶波，电压为尖顶波，都含有显著的三次谐波。,31,第九章 磁路和铁心线圈电路,四 磁损耗,磁损耗,涡流损耗：由铁心内涡流的存在而产生的损耗。,经验公式,SI单位：W,32,第九章 磁路和铁心线圈电路,减小磁滞损耗的办法,1）采用软磁材料，如电

17、工硅钢片。2）适当降低Bm的值，以减小饱和程度。,33,第九章 磁路和铁心线圈电路,减小涡流损耗的办法,1）增大铁心材料的电阻率。,2）将铁心沿磁场方向分成许多薄片相 互绝缘后再叠合成铁心，以增大铁心中涡流路径的电阻。,磁损耗的能量是从电路中通过电磁耦合吸收过来的，并转换为热能散发，从而使铁心温度升高，所以磁损耗对电机、变压器的运行性能影响很大。,经验公式,SI单位：W,：与铁心材料的电阻率、厚度及磁通波形有关的系数。,34,第九章 磁路和铁心线圈电路,9.6 交流铁心线圈的电路模型,一 励磁电流计算,励磁电流计算：有两个方法，即：可通过实验测定，也可由磁路的尺寸，按经验公式计算。这里介绍后者

18、。,励磁电流,1）磁化电流,2）补偿铁损的电流,以磁通为参考正弦量即 ，可画相量图及电路图如下：,35,第九章 磁路和铁心线圈电路,当 u为正弦波时，为正弦波，且滞后u 900，iM为尖顶波。将非正弦波用等效正弦波代替，则iM与u成900 ， 而与同相，原因是磁化电流的有功功率为零。所以 相当于励磁电流 中的无功分量。,36,第九章 磁路和铁心线圈电路,的有效值 为,的峰值,由于磁滞和涡流的存在是励磁电流中有有功分量 ，它使铁心不断接受电路中的电功率而形成磁损耗 。一般 近似为正弦波，所以它与 同相，其值为 。,由相量图可知：,损耗角（很小）,一般情况下， 与 接近相等。,37,第九章 磁路和

19、铁心线圈电路,二 不考虑线圈电阻及漏磁通的电路模型,根据相量图，可以用图（b）所示电导、感纳并联组合为交流铁心线圈的电路模型。,38,第九章 磁路和铁心线圈电路,式中：,对应于磁损耗的励磁电导,对应于磁化电流的感性电纳（为负值）,称为励磁导纳,用串联电路等效，如图（c）所示电路。,分别称为励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。,39,第九章 磁路和铁心线圈电路,三 考虑线圈电阻及漏磁通的电路模型,实际电工设备中，还要考虑铁心线圈的线圈电阻R 和漏磁通的影响。,线圈电阻R 上的电压为,漏磁通 的影响可用线性电感LS（称为漏电感）表示，其定义为漏磁链S与励磁电流i 在关联参考方向下的比值，即,漏磁通产生的感应电压为,40,第九章 磁路和铁心线圈电路,于是线圈端电压为,此时的电路及相量图如下：,41,第九章 磁路和铁心线圈电路,例：铁心线圈电阻为0.1、漏抗0.8 ，将其接在U1=100V电压下，测得电流I =10A，有功功率P =200W。求（1）磁损耗；（2）主磁通产生的感应电压；（3）磁化电流。,解：（1）磁损耗为,（2）感应电压为,设,则,感应电压,42,第九章 磁路和铁心线圈电路,（3）磁化电流为,再见！,