线圈通入电流时,在其周围会产生磁场。把线圈套在铁心上,磁场会加强而且集中,并能吸引铁磁物质,使之运动。电磁吸盘、电磁阀、接触器、继电器等许多电气设备就是利用这种原理制成的。磁场被认为是一种能量,能吸引铁磁物质运动做功,把线圈通入的电能转化为铁质运动的机械能。借助于磁场,很容易实现电能和机械能的相互转换,导线切割磁场运动,导线会产生感应电动势,基于这种原理制成的发电机,就是把机械能转换为电能的一个实例。通电的导体在磁场中会受力运动,基于这种原理制成的电动机,就是借助于磁场实现电能转换成机械能的实例。变压器是借助磁场的变化,使一种电压等级的交流电能转化为另一种电压等级的电能。 以上事实说明了,一个电工仅掌握电路方面的知识,而不掌握磁路、磁场方面的知识,那么,他的知识是残缺不全的。从本节课开始将分四篇来学习有关知识,内容不是具体介绍每个电气设备的电磁原理,而是介绍它们共有的最基本的磁知识。这样,在学习各个电气设备时,才有扎实的基础。(有些部分在初级电工基础知识里面也是接触过的,这里再加深一次)。 磁场和磁路如图下图a所示,线圈通入电流I时,在其周围产生磁场。在图中,磁场用虚线形象化地表示,称为磁力线。磁力线箭头方向表示磁场方向,磁力线是无始无终的闭合回线。产生磁场的电流称为励磁电流或激磁电流,电流值与线圈匝数N的乘积IN称为磁动势F,记作F=IN,单位为安匝。所产生的磁场方向与励磁电流方向之间符合右螺旋定则。磁场方向常用南(S)、北(N )极来描述,图a中,线圈上方为S极,下方为N极,把线圈包含的一段磁路称为内磁路,未包含的磁路(即空气中的磁路)称为外磁路,外磁路的磁场方向由N极指向S极,内磁路磁场方向则由S极指向N极。 为使较小的励磁电流能产生较大的磁场,并把磁场集中在一定范围内加以利用,常把线圈套在由铁磁材料制成的一定形状的铁心中。图b是电磁铁未吸合时的磁路。由于铁磁材料容易导磁,故大部分磁力线在铁心中形成闭合回路,这部分磁通称为主磁通Φ,另外一小部分磁力线则不经过铁心而经过空气形成闭合回路,这部分磁通称为漏磁通,记作Φs。 磁场的基本物理量一、磁感应强度
上式中参数含义分别是:
磁感应强度B的方向与磁场(磁力线)方向相同,即按励磁电流方向也符合右螺旋定则。 二、磁通
Φ的单位是Wb(韦伯)。按Φ=BA,B=Φ/A的含义,B又可称为磁通密度,其单位可用表示。 三、导磁率 导磁率(μ)是描述物质对磁场所呈现的导磁能力的物理量,单位为H/m(亨利/米)。真空的导磁率μ0最小,μ0=4π×107H/m。 某种物质的导磁率μ和真空导磁率的比值,称为相对导磁率,用μr表示。
自然界中,铁、钴、镍及其合金,导磁率很高(μr>>1),称为磁性材料或铁磁物质,常被利用做电气设备的元件材料。 四、磁场强度
磁场强度定义为:
H的单位是A/m(安/米),方向与B相同。 由于H的定义式比值(B/μ),因此线圈缠绕不同物质时所产生的磁场强度H(不是B)与物质的导磁率μ无关。 磁性材料电工设备中主要使用的磁性材料包括铁、钴、镍及其合金。他们具有的特性如下: 一、高导磁性:铁磁材料的导磁率很高,一般有几百至极板。 二、磁饱和非线性:磁性材料中,随着磁场强度H的增加,磁感应强度B亦随之增加,B=μ/H。B与H的关系曲线称为磁化曲线,或称B—H曲线,如下图所示。 按定义,磁化曲线的斜率(U/B)便是导磁率μ。由B—H曲线可见,μ不是常数,即B—H线不是直线。随着磁场强度H增大到一定程度后,磁感应强度B便不再显著增大,而是缓慢地增加,最终甚至不再增加了。这种现象称磁饱和,该段B—H曲线称饱和段。 例如上图硅钢片B—H曲线,选B=1.1T时,H=4.5A/cm;若选B=1.3T,则H=9.5A/cm。两点比较,H增加1倍,而B仅增加18%。 三、磁滞性:当铁心线圈通入交变电流(方向和大小均变化)时,铁心受到交变磁化,所得的磁化曲线不再是上图所示那样B值和H值是一一对应的一条曲线,而是如右图所示的由两条磁化曲线组成的回线状磁化曲线。在线圈反向电流逐渐减至零再逐渐增大为正向电流时(相应H值由b至0再到a), 磁感应强度B沿由4→5→6→1点组成的曲线变化;在线圈正向电流逐渐减至零再反向电流逐渐增加时(相应H值由a至0再到b),B沿由1→2→3→4点组成的曲线变化。当H已减到零值时,B值并未回到零值(相当于图中的2点和5点),即励磁电流已经不存在了,铁心仍有剩磁场Br,这种现象称为剩磁。永久磁铁就是利用Br剩磁制成的。欲使Br值回零,必须加一定值的反向电流(对应为反向H值,相当于图的2点变到3点),此时相应的值称为矫顽力,记作Hc。在交变磁化过程中,由于B值滞后于值回零的性质,故称磁材料具有磁滞性,相应的磁化曲线称为磁滞回线。 磁材料不同,其磁滞回线也不同,用途也不同,大体分为三类:
|
|