磁路和铁磁性材料精选课件.ppt
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1、关于磁路和铁磁性材料关于磁路和铁磁性材料第一页,本课件共有35页第一节第一节 磁路的基础知识磁路的基础知识 电流流过的路径是电路,同样,磁通经过的路径叫做磁路。如图6-1所示,绕在铁芯上的线圈产生的磁通在铁芯中流动。(a)(b)图6-1磁路第二页,本课件共有35页 由于铁磁性材料具有较高的磁导率,导磁性能好,所以通常利用铁磁性材料做铁芯,以使磁通尽可能地集中在铁芯中。但是,空间内仍可能存在磁通,也就是存在漏磁现象。我们把集中在铁芯内的大部分磁通称为主磁通,不在铁芯内的极小部分磁通称为漏磁通。由此可见,磁路中的磁通是由主磁通和漏磁通构成的。通电线圈的电流是产生磁通的原因,电流越大,磁场越强,磁通
2、也越大。通电线圈的每一匝都要产生磁通,所有磁通合在一起构成了磁路中的磁通。线圈的匝数越多,磁通也就越大。磁通与线圈中的电流强度和线圈的匝数有密切关系。通电线圈中的电流与线圈匝数的乘积被定义为磁动势(也称磁通势),即:Em=NI (6-1)第三页,本课件共有35页 电路中往往存在电阻,它对电流起到阻碍作用。磁路中同样存在一个阻碍磁通的物理量,即磁阻。与导体的电阻相似,磁路中磁阻Rm与磁路的长度l成正比,与磁路的横截面积S成反比,与构成磁路的材料的磁导率成反比,可利用下面的公式描述:Rm=l/S (6-2)若磁导率以H/m的单位,长度l和截面积分别以m和m2为单位,则磁阻的单位为1/亨(H-1)第
3、四页,本课件共有35页第二节第二节 磁路的相关定律磁路的相关定律 一、磁路的欧姆定律 电路中存在欧姆定律,磁路中也存在欧姆定律,即通过磁路的磁通与磁动势成正比,与磁阻成反比。=Em/Rm (6-3)与电路相比,磁路中的磁动势相当于电路中的电动势,磁阻相当于电阻,而磁通相当于电流。需要注意的是,磁路与电路在本质上不相同。电路断开时,电动势依然存在,但磁路却总是闭合的。第五页,本课件共有35页 二、磁路的基尔霍夫定律 1.磁路的KCL 由于磁力线是闭合曲线,所以磁力线从一个区域的某处穿进去,必然会从另一个区域穿出来,并且穿入封闭区域的磁力线数目一定等于穿出该区域的磁力线数目。也就是说,在磁路中,进
4、入某一节点的磁通一定等于离开该节点的磁通,或者说成:磁路中某一节点上的磁通的代数和恒等于零,这便是磁路的基尔霍夫第一定律(KCL)。第六页,本课件共有35页2.磁路的KVL将式(6-1)、(6-2)代入式(6-3),可得/S=NI/l。由于磁通与磁感应强度B、磁路横截面积的关系是=BS,所以B=NI/l,也可利用磁场强度H描述成NI=Hl,即磁路中磁场强度H与磁路的平均长度l的乘积在数值上等于磁动势NI,这是磁路的全电流定律。H与l的乘积称为磁位差。第七页,本课件共有35页 如果构成磁路的材料不同,磁路可以分成n段,那么:NI=H1l1+H2l2+Hnln 式中,l1+l2+ln是磁路的总长。
5、进一步,如果磁通是由m个具有不同匝数的通电线圈产生的,那么:N1I1+N2I2+NmIm=H1l1+H2l2+Hnln (6-4)在磁路的任一回路中,各段磁位差的代数和等于各磁动势的代数和,这便是磁路的基尔霍夫第二定律(KVL)。第八页,本课件共有35页第三节第三节 线圈的互感线圈的互感 一、互感现象 在自然界中,除了自感现象外,还存在另一种特殊的电磁感应现象,即互感现象。当一个线圈中的电流发生变化,使另一个线圈中产生感应电动势的现象叫互感现象。互感现象可利用图6-2所示的电路来说明。图6-2中,线圈L1与线圈L2靠得很近,L2接有检流计G,用于检验 L2内是否有电流。当开关S闭合的瞬间,L1
6、内的电流I从无到有,L1中产生变化的磁通1。1的一部分磁通12穿过L2,根据电磁感应定律,L2内将产生感应电动势,由于L2与检流计G串联构成了闭合的回路,因而L2内有电流流过,G的指针发生偏转。但是,S闭合一段时间后,由于I恒定不变,L2内不再感生电动势,G的指针便回到零位。第九页,本课件共有35页 图6-2 互感现象 由互感产生的感应电动势称为互感电动势。互感电动势的大小正比于穿过本线圈的磁通的变化率。当L1中的磁通完全穿过L2时,互感电动势最大;当L1和L2垂直时,L1中的磁通完全不穿过L2,此时的互感电动势最小。互感电动势的方向仍用楞次定律判定,即感应电流产生的磁场总是阻碍原来磁场的变化
7、。互感现象如果利用恰当,能够给人们带来许多益处,例如电源变压器、电流互感器、电压互感器等都利用了互感现象;如果利用不当,它也会给我们的生活带来不便,例如有线电话常由于两路电路间的互感而串音,无线电设备也常由于互感现象造成相互干扰。第十页,本课件共有35页二、耦合系数对于两个线圈,我们把一个线圈通有1A的电流时,在另一个线圈中产生的磁通(也称互感磁链)叫做互感系数,简称互感。互感的国际单位与自感的相同,也是亨利(H)。互感的大小取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和周围磁介质。如果磁介质为非铁磁性材料,互感则为常数。线圈中的互感电动势,与互感系数和另一个线圈中电流的变化率的乘积成正比。图
8、6-2中的两个线圈,它们除了互感以外,每个线圈还有自感。两线圈间的互感系数M和各自的自感系数L1、L2之间的关系为:第十一页,本课件共有35页k称为两线圈的耦合系数,它反映了两个线圈之间的耦合程度。由于互感磁通是自感磁通的一部分,所以0k1。k=0表明两个线圈不产生互感磁通;k=1表明两个线圈耦合得最紧,互感磁通也最大,这时又叫做全耦合。第十二页,本课件共有35页三、同名端在工程中,两个或两个以上的有磁耦合的线圈,常常需要知道了互感电动势的极性,才能选择正确的连接方式。互感电动势的极性不但与原磁通及其变化方向有关,还与线圈的绕向有关。尽管可以利用楞次定律来判断互感电动势的极性,但这并不方便,实
9、际中常利用标记同名端的方式来说明互感电动势的极性。如图6-3(a)所示,两个线圈L1、L2绕在同一个铁芯上。假设L1中通有随时间逐渐增大的电流i,电流i产生的磁通1也随时间的增加而增大。根据电磁感应定律,铁芯中的磁通1在增大的过程中,L1中将产生自感电动势,L2中将产生互感电动势,它们都会阻碍1的增大。根据安培右手定则可以判断L1、L2的感应电动势的极性如图所示。其中,端点1和3的极性相同,端点2和4的极性相同。如果改变L1中电流的方向,仍让其随时间逐渐增大,那么L1、L2的感应电动势的极性如图6-3(b)所示。第十三页,本课件共有35页 显然,端点1和3的极性仍相同,端点2和4的极性也相同。
10、这说明,如果两个线圈按图6-3的形式绕在同一个铁芯上,那么不管电流的方向如何改变,大小如何改变,感应电动势在端点1和3上的极性始终保持相同,在端点2和4上的极性也始终相同。我们把这种在同一磁通作用下,感应电动势极性相同的端点称为同名端,感应电动势极性相反的端点称为异名端。同名端利用“”表示。工程中通常只标出一对同名端,如图6-4所示。第十四页,本课件共有35页 (a)(b)图6-3互感线圈的同名端 图6-4同名端的标记第十五页,本课件共有35页第四节第四节 变变 压压 器器 变压器是利用互感原理工作的一种电磁装置。在电力系统中,变压器常用于将某一数值的交流电压或电流,变换成另一数值的交流电压或
11、电流。除了可以变换电压电流之外,变压器常用于变换阻抗和改变相位。变压器的种类很多,有输电和配电使用的电力变压器,实验用的整流变压器,电解用的整流变压器,电子技术中使用的输入和输出变压器等。尽管不同类型的变压器在结构上各有特点,并具有不同的功能,但它们的基本结构和工作原理是类似的。第十六页,本课件共有35页 一、变压器的基本结构 变压器由铁芯、绕组和一些附件构成,其中铁芯和绕组是其最主要的组成部分。变压器的铁芯是磁路的通道。为了减小涡流损耗和磁滞损耗,变压器铁芯常用磁导率较高的、相互绝缘的硅钢片叠装而成,钢片的厚度约为0.350.5 mm。也有的变压器采用铁氧体或其他磁性材料作铁芯。按铁芯的结构
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