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电工理论知识-磁路与变压器

电工理论知识-磁路与变压器

点击数:7308 次   录入时间:03-04 11:48:27   整理:http://www.55dianzi.com   电工电器基础

  在电工技术中,不仅要讨论电路问题,还要讨论磁路问题。因为很多电工设备与磁路都有关系,如电力系统中广泛应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测量仪表等。

  为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及应用,首先要理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有关,与磁介质有关,而且磁场往往还与电流相关联,因此本节先从磁路、磁场及其基本物理量进行讲述。

  1.铁芯线圈、磁路工程应用
  
  实际中,大量的电气设备都含有线圈和铁芯。当绕在铁芯上的线圈通电后,铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路,磁路又会影响线圈的电路。因此,电工技术不仅有电路问题,同时也有磁路问题。

  常用电气设备铁芯如图所示,虚线方框表示磁路中的工作主磁通的路径;虚线半圆表示通过空气闭合的极少部分漏磁通。

 

         (1)磁路的基本物理量线圈通电后使铁芯磁化,形成铁芯磁路,如图所示。     1)磁通通过磁路横截面的磁力线总量称为磁通,用“中”来表示,单位是韦伯(Wb)。     均匀磁场中,磁通中等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积s的乘积,即φ=BS。   磁通是标量,其大小反映了与磁场相垂直的某个截面上的磁场强弱情况。磁通在国际单位制中还有较小的单位称为麦克斯韦(Mx),韦伯和麦克斯韦之间的换算关  

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  2)磁感应强度
  
  磁感应强度是表征磁场中某点强弱和方向的物理量,用大写字母“B”表示。B是矢量,B的方向就是置于磁场中该点小磁针N极的指向。在匀强磁场中,B的大小可用载流导体在磁场中所受到的电磁力来定义,  上式中,电磁力F的单位是牛顿(N)、电流的单位是安培(A)、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影)单位是米(m)时,磁感应强度B的单位是特斯拉(T)。

  由φ=BS可知,匀强磁场中某截面S上B值越大,穿过该截面上的磁力线总量越多。因此,磁感应强度也常称为磁通密度。磁感应强度在国际单位制中还有较小的单位——高斯(Gs),特斯拉和高斯之间的换算关系为:

  3)磁导率μ
  
  磁导率是反映自然界物质导磁能力的物理量,用希腊字母“μ”表示。

  由于物质的种类很多,且导磁能力也各不相同,为了有效地区别它们各自的导磁能力,我们引入一个参照标准——真空的磁导率μ0:

  自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比,可得到不同的比值,我们把这个比值称为相对磁导率,用“μr”表示,即:  显然,相对磁导率无量纲,其值越大,表明该类物质的导磁性能越好;反之,导磁性能越差。

  根据相对磁导率μr值的不同,自然界的物质大致可分为两大类,1.非磁性物质,如空气、塑料、铜、铝,、橡胶等。这些物质的导磁能力很差,磁导率均与真空的磁导率非常接近,它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。刍铁磁性物质,如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强,其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁,其相对磁导率μr≈200~400;铸钢的相对磁导率μr≈500~2200;硅钢的μr≈7000~10000;坡莫合金的μr≈20000~200000。显然,铁磁物质的磁导率不是常量,而是随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率远大于1。

  4)磁场强度
  
  磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量,用大写字母“H”表示。‘H也是矢量,H的方向也是置于磁场中该点小磁针N极的指向。

  磁感应强度是描述磁路介质的磁场某点强弱和方向的物理量,与介质的导磁率有关;磁场强度是描述电流的磁场强弱和方向的物理量,与介质的导磁率无关。它们之间的联系为:  磁场强度H的单位有安每米和安每厘米,二者之间的换算关系为:1A/m=10-2/cm。



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  (2)磁路欧姆定律
  
  交流铁芯线圈磁路通常由硅钢片叠压制成,导磁率很高。当套在铁芯上的线圈通电后,铁芯迅速被磁化,成为一个人为集中的强磁场,如图所示。

  电流通过N匝线圈所形成的磁动势用(FM=IN)表示,磁路对磁通所呈现的阻碍作用用磁阻Rm表示,磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可表述为: 

  由于磁路欧姆定律中的磁阻R。与磁导率μ有关,即对铁芯磁路来讲,Rm是一个变量,且计算也很复杂,因此该定律没有电路欧姆定律应用得那么广泛,通常只用来定性分析磁路的情况。

  (3)铁磁物质的磁性能
  
  1)高导磁性
  
  铁磁材料内部往往相邻的几百个分子电流流向一致,这些分子电流产生的磁场叠加起来,就形成了一个个天然的小磁性区域——磁畴。显然,磁畴是由分子电流产生的,且不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。

  通常情况下,铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章,其磁性相互抵消,因此对外不显示磁性,如图所示。

  有外磁场作用时,磁畴在外界磁场的作用下,均发生归顺性转向,使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场,如图所示。

  2)铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性
  
  铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线,如图所示。

  在磁滞回线中,当H为零时,B并不为零,这一现象说明铁磁材料具有剩磁性。

  在磁滞回线中,B的变化总是落后于H的变化,这说明铁磁材料具有磁滞性。

  起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性;c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。



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  (4)铁磁材料的分类和用途
  
  铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为以下三大类:

  软磁材料,具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显着特点,其磁滞回线如上图所示。

  该类材料适用于制作各种电机、电器的铁芯。

  硬磁材料,磁导率不太高,但一经磁化能保留很大剩磁,且不易去磁,其磁滞回线如中图所示。该类材料适用于制作各种永久磁体。

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