一、磁场的形成及基本物理量 1.磁铁 磁铁具有极性,自由悬吊的磁铁会指向南和北。朝向北端的称为北极 (N),朝向南端的称为南极(s)。同极相斥,异极相吸。原理见图3-1。极顶 处磁场磁力最强。 强磁铁产生的磁感线多,弱磁铁产生的磁感线少。看不见的磁感线从北 极出来再进入南极,而在磁铁内部磁感线则从南极通到北极(如图3-2)。磁 感线的密集度称为磁感线密度,如图3-3,用铁粉显示磁感线。 磁阻是用来表述材料抵抗磁感线通行的术语。 2.基本物理量 (1)磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它 是一个矢量。它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手螺 旋定则来确定。磁感应强度的单位是特斯拉(T),也就是韦伯/平 方米(Wb/m2)。 如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同,这样的 磁场则称为均匀磁场。 2.基本物理量 (1)磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。 它是一个矢量。它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手 螺旋定则来确定。磁感应强度的单位是特斯拉(T),也就是韦伯/ 平方米(Wb/m2)。 如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等、方向相同,这样的 磁场则称为均匀磁场。 (2)磁通 磁感应强度B(如果不是均匀磁场,则取B的平均值)与垂直于磁 场方向的面积的乘积,称为通过该面积的磁通(Ф)。磁通的单位是 韦[伯](Wb),也就是伏秒(V·S)。 (3)磁场强度 磁场强度(H)是计算磁场时所引用的一个物理量,通过它来确定 磁场与电流之间的关系。磁场强度的单位是安培/米(A/m)。 (4)磁导率 磁导率(μ)是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量,也就是用 来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应 强度,磁导率的单位是亨利/米(H/m)。 提示:磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金,将磁性材料放 入磁场强度为H的磁场(常为线圈的励磁电流产生)内,会受到 强烈的磁化。但当磁场强度减为零时,磁感应强度并不为 零,这种性质称为磁性物质的磁滞性。有的剩磁是有害的, 如果去掉这些剩磁,通常采用改变线圈中励磁电流的方向, 也就是改变磁场强度H的方向进行反向磁化的方法来实现。 二、磁路及铁心线圈 1.磁路的形成 电机、变压器、电磁铁等很多电气设备,都用铁磁性材料做成 各种形状的闭合铁心。这是由于铁磁性材料具有很高的磁导率,铁 心线圈只要通以较小的电流,便能得到较强的磁场或较大的磁通。 由于存在高磁导率铁心,电流产生的磁通或磁感线基本都被约 束在铁心的闭合路径中,周围弱磁性物质中的磁场则很微弱,这种 限定在铁心范围内的磁通路径称为磁路。因此,电机、电器设备中 既有电路,又有磁路。图3-4中是几种常见的磁路,图3-4(a)是单相 变压器的磁路,图3-4(b)是直流电机的磁路,图3-4(c)是磁电式仪 表的磁路,图3-4(d)是电磁型继电器的磁路。 如图3-4所示,绝大部分磁通通过闭合的磁路(包括空气隙),叫 做主磁通;少数穿出铁心, 经过磁路周围弱磁性物质而闭合的磁通 叫漏磁通。由于漏磁通只占总磁通的很小一部分,所以在磁路分析 和计算中一般略去不计。 提示:磁路和电路具有相似之处,电路中的电动势是形成电流的原 因,磁路中的磁动势是产生磁通的原因。通电线圈产生的磁通与线 圈的匝数N和通过电流I的乘积成正比,电路中有电阻,磁路中亦有 磁阻,它是磁通通过磁路时受到的阻碍作用,磁阻RM的大小与磁路 的长度L成正比,与磁路的横截面积S成反比,并与组成磁路材料的 磁导率有关,磁路长度和横截面积相同的情况下,铁磁性材料的磁 阻比空气的磁阻小得多。 2.铁心线圈磁路 铁心线圈分为两种,直流铁心线圈通直流电来励磁,交流铁心 线圈通交流电来励磁。分析直流铁心线圈比较简单,因为励磁电流 是直流,产生的磁通是恒定的,在线圈和铁心中不会感应出电动势 来。当线圈中通有交流电时,它所产生的磁通也是交变的。在交流 铁心线圈中,除线圈电阻上有功率损耗(铜损)外,铁心中也有功 率损耗(铁损)。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗,应 选用磁滞损耗较小的磁质材料制造铁心。硅钢就是变压器和电机中 常用的铁心I材料。 提示:当线圈中通有交流电时,不仅要在线圈中产生感应电动 势,而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流,这种感应电流 称为涡流,涡流损耗也要引起铁心发热。为了减小涡流损耗,在惯 磁场方向铁心可由彼此绝缘的硅钢片叠成,这样就可以限制涡流只 能在较小的截面内流通。 进一步:汽车点火系统、起动电动机、充电系统和继电器等的 工作原理都是基于磁感应原理。任何含有线圈的电器部件或电机中 都会遇到自感应作用,因为任何汽车电路都少不了随时通、断的电 感器件,自感应则力图以原有电流方向维持电流,从而会在开关上 产生拉弧现象。要减少高压电弧,可以在电路上接电容器或钳位二 极管,电容器能吸收由于接通或断开感应电路产生的高压。 一、变压器的结构组成和工作原理 2.变压器的工作原理和特性 图3-6所示的是变压器的原理图。为了便于分析,将高压绕组和 低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为一次绕组(或称初级绕 组),与负载相连的称为二次绕组(或称次级绕组)。一次、二次绕组 的匝数分别为N1和N2,当一次绕组接上交流电压时,一次绕组中便 有电流通过。一次绕组的磁路产生的磁通绝大部分通过铁心而闭 合,从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组接有负载,那 么二次绕组中就有电流通过。二次绕组也产生磁通,其绝大部分也 通过铁心而闭合。因此, 铁心中的磁通是一个由一 次、二次绕组的磁通势共 同产生的合成磁通,它称 为主磁通,主磁通穿过一 次绕组和二次绕组而在其 中分别感应出电动势。此 外,一次、二次绕组的磁 通势还分别产生漏磁通。 下面,在理想情况下(暂不计其他能量损耗),讨论变压器的电 压变换、电流变换及阻抗变换。 (1)电压变换 一次、二次绕组的电压之比为K,称为变压器的变比,亦即一 次、二次绕组的匝数比。当电源电压u1一定时,只要改变匝数K,就 可得出不同的输出电压u2。变比在变压器的铭牌上注明,它表示一 次、二次绕组的额定电压之比。例如:6000V/400V(K=15)。这表示 一次绕组的额定电压(即一次绕组上应加的电压)U1N=6000 V,二次 绕组的额定电压U2N=400V。由于变压器有内阻抗压降,所以二次绕 组的空载电压一般应较满载时的电压高5%~10%。 (2)电流变换 当电源电压和频率不变时,铁心中主磁通的最大值在变压器空 载或有负载时是基本恒定的。因此,有负载时产生主磁通的一次、 二次绕组的合成磁动势和空载时产生主磁通的一次绕组的磁动势基 本相等,此时,变压器一次、二次绕组的电流之比近似等于它们的 匝数比的倒数。可见,变压器中的电流虽然由负载的大小确定,但 是一次、二次绕组中电流的比值是基本不变的。 变压器的额定电流是指按规定工作方式(长时连续工作或短时工 作或间歇工作)运行时一次、二次绕
第三章 磁路及电磁器件.ppt
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