第一讲磁路的基本知识

《电工基础》教案

课题：项目四第一讲磁路的基本知识

教学目的:1、理解磁路中磁势磁阻的概念以及磁路的欧姆定律。

2、全电流定律及其应用。

教学重点:磁路中的欧姆定律和全电流定律的应用教学难点：磁势和磁阻的概念

教学方法：启发式综合教学法

教学课时：4课时

教学过程时间分配

新课讲授：

导入：磁路系统广泛应用在电器设备之中，如变压器、电机、继电器等。并且在电机和

某些电器的磁路中，一般还需要一段空气隙，或者说空气隙也是磁路的组成部分。

图1—1是电机电器的几种常用磁路结构。图(a)是普通变压器的磁路，它全部由铁磁材

料组成；图(b)是电磁继电器磁路，它除了铁磁材料外，还有一段空气隙。图(c)表示电机的

磁路，也是由铁磁材料和空气隙组成；图(b)是无分支的串联磁路，空气隙段和铁磁材料串联

组成；图(a)是有分支的并联磁路。图中实（或虚）线表示磁通的路径。

(a) (b) (c)

图1—1 几种常用电器的典型磁路

(a) 普通变压器铁芯； (b) 电磁继电器常用铁芯； (c) 电机磁路

1、磁感应强度（磁通密度）B

描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度B。为了形象地描绘磁场，往往采用磁感

应线，常称为磁力线，磁力线是无头无尾的闭合曲线。图1—3中画出了直线电流及螺线管电

流产生的磁力线。

(a) (b)

图1—3 电流磁场中的磁力线

150’

(a) 直线电流； (b) 螺线管电流

磁力线的方向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系，如图1—3(a)所示。

在国际单位制中，磁感应强度B 的单位为特（特斯拉），单位符号为T ，即2

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/T Wb m = （韦伯/米2）。 2、磁通Φ

穿过某一截面S 的磁感应强度B 的通量，即穿过截面S 的磁力线根数称为磁感应通量，简称磁通。用Φ表示。即

??=Φs

dS B （1—1）

图1—4 均匀磁场中的磁通

在均匀磁场中，如果截面S 与B 垂直，如图1—4所示，则上式变为

BS Φ= 或 B S

Φ= （1—2） 式中，B 为磁通密度，简称磁密，S 为面积。

在国际单位制中，Φ的单位名称为韦（韦伯），单位符号Wb 。

3、磁场强度H

计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强度H ，它与磁密B 的关系为

H B μ= （1—3）

式中，μ为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为70410/H m μπ-=?。铁磁材料的0μμ>>，例如铸钢的μ约为0μ的1000倍，各种硅钢片的μ约为0μ的6000～7000倍。

国际单位制中，磁场强度H 的单位名称为安（安培）/米，单位符号/A m 。

4、铁磁材料

铁磁材料，一般是由铁或铁与钴、钨、镍、铝及其他金属的合金构成，迄今为止是最通用的磁性材料。虽然这些材料的性能差异很大，但决定其性能的基本现象却是共同的。

4.1 铁磁材料的磁化

研究发现，铁磁材料由许许多多的磁畴构成，每个磁畴相当于一个小永磁体，具有较强的磁矩，如图1—11所示。在未磁化的材料样品中，所有磁畴摆列杂乱，因此材料对外不显磁性，如图1—11（a ）所示。当外部磁场施加到这一材料时，磁畴就会沿施加的磁场方向转向，所有的磁畴平行，铁磁材料对外表现出磁性，如图1—11 (b)所示。因此，当外磁场加到铁磁材料时，铁磁材料产生比外部磁场单独作用所引起的磁场更强。随着外部磁场强度H 的S B

增加，这一现象会继续，直到所有的磁矩沿施加的磁场排列，此时，磁畴将不再能使磁通密度B 增加，也就是说材料完全饱和。这也是铁磁材料的磁导率比非铁磁材料大的多的原因。

(a) (b)

图1—11 铁磁材料的磁化

(a) 未磁化； (b) 磁化 4.2 起始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线

将一块没有磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度由零逐渐增大时，磁通密度将随之增大，用)(H f B =描述的曲线称为是铁磁材料的起始磁化曲线，如图1—12所示。

图1—12 起始磁化曲线

图1—12可见，当磁场强度从零增大初期，磁密B 随磁场强度H 增加较慢(图中oa 段)，之后，磁密B 随H 的增加而增大加快（ab ）段，过了b 点，B 的增加减慢(bc 段)，最后为cd 段，又呈直线。其中a 称为跗点，b 点为膝点，c 点为饱和点。过了饱和点c ，铁磁材料的磁导率趋近于0μ。各种电机和变压器的主磁路中，为了获得较大的磁密，又不过分增大磁动势，通常把铁心内的工作点磁通密度选择在膝点附近。

若将铁磁材料进行周期性磁化，B 和H 之间的变化关系就会变成如图1—13中的abcdefa 所示形状。当H 开始从零增加到m H ，以后逐渐减小磁场强度H ，B 值将沿曲线ab 下降。当0H =时，B 值并不为零，而等于r B ，称为剩余磁通密度，简称剩磁。要使B 值从r B 减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力，用c H 表示。铁磁材料所具有的这种磁通密度B 的变化滞后于磁场强度H 变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的B H -闭合回线，称为磁滞回线，见图1—13中的abcdefa 所示。 曲线段abcd 为磁滞回线下降分支，defa 为磁滞回线上升分支。

图1—13 铁磁材料的磁化特性

对于同一铁磁材料，选择不同的磁场强度m H 反复磁化时，可得出不同的磁滞回线，将各条磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线，或平均磁化曲线。起始磁化曲线与平均磁化曲线相差甚小。如图1—14的虚线所示。

图1—14 基本磁化曲线 铁磁材料，如铁、镍等的磁导率μ比空气的磁导率0μ大几千到几万倍。磁导率μ除了比0μ大得多外，还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的μ不是一个常数。在工程计算时，不按μ/B H =进行计算，而是按铁磁材料的基本磁化曲线计算。 图1—15为电机中常用的硅钢片DR320、铸铁、铸钢的基本磁化曲线。

图1—15 电机中常用的基本磁化曲线

4.3 软磁材料和硬磁材料

磁滞回线较窄，剩磁r B 和矫顽力c H 都小的铁磁材料属于软磁材料，如硅钢片、铁镍合金、铁滏氧、铸钢等。这些材料磁导率较高，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小，多用于做电机、变压器的铁心。

磁滞回线较宽，剩磁r B 和矫顽力c H 都大的铁磁材料属于硬磁材料，如钨钢、钴钢、铝镍钴、铁氧体、钕铁硼等，硬磁材料主要用做永久磁铁。

4.4 磁滞损耗和涡流损耗

一、 磁滞损耗

磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下，发生移动和倒转时，彼此之间产生“摩擦”。由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向一致的排列便被保留下，不能恢复原状，形成了磁滞现象和剩磁。

铁磁材料在交变磁场的作用下而反复磁化过程中，磁畴之间不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起损耗。这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线面积越大，损耗越大。磁通密度最大值m B 越大时，磁滞回线面积也越大。试验表明，交变磁化时，磁滞损耗h P 与磁通的交变频率f 成正比，与磁通密度的幅值m B 的n 次方成正比，与铁心重量G 成正比，即

G fB C p n m h h = （1—14）

式中，h C 为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片，3.2~6.1=n 。由于硅钢片的磁滞回线面积较小，所以电机和变压器的铁心都采用硅钢片。

二、 涡流损耗

当通过铁心的磁通发生交变时，根据电磁感应定律，在铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通呈旋涡状流动，如图1—16所示，称为涡流。涡流在铁心中引起损耗，称为涡流损耗。

5、小结：

本节对对电机学中遇到的电磁学的基本知识和基本定律做了一个简单的回顾。同时介

绍了铁磁材料的基本知识。铁磁材料常常用来导向和集束磁场，形成磁路。因为铁磁材料的

磁导率可以很大(达周围空间磁导率的好几万倍)，大部分磁通就被限制在精心设计的路径中，

这一路径由磁性材料的几何形状决定。因而，在这些磁结构中磁场的求解，可以直截了当地

10 用磁路分析方法来获得。不同铁磁材料的性能各异，一般而言，铁磁材料的特性为非线性，

而其B—H特性常常以磁滞回线族的形式表示。铁磁材料的损耗，指磁滞损耗及涡流损耗与

磁通量、工作频率、材料成分和所采用的制造工艺有关。通常，材料制造商以曲线形式提供

材料的重要特性供使用。

6、思考题

1．电机和变压器的磁路常采用什么材料制成，这种材料有那些主要特性？

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2．磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与那些因素有关？

3．试比较磁路和电路的相似点和不同点。

4．什么是软磁材料? 什么是硬磁材料？