铁芯功率损耗分析

直流励磁的铁芯线圈和交流励磁的铁芯线圈有着不同的工作特性。

1.直流铁芯线圈的功率损耗

首先表现在功率损耗方面，直流铁芯线圈的功率损耗主要是线圈内阻的损耗，称为铜损，用ΔPCu表示（ΔPCu=I2R）。

2.交流铁芯线圈的功率损耗

在交流铁芯线圈中，由于磁通是交变的，除了线圈内阻的功率损耗ΔPCu外，还存在着铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，涡流损耗和磁滞损耗合称为铁损耗，称为铁损，用ΔPFe表示。铁损将使铁芯发热，从而影响设备绝缘材料的使用寿命。

1）磁滞损耗

铁磁材料在交变磁化过程中，由于磁畴在不断改变方向，使铁磁材料内部分子振动加剧，温度升高，造成能量消耗。这种由于磁滞而引起的能量损耗，称为磁滞损耗。理论与实践证明，磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗也越大。即磁滞损耗程度与铁磁材料的性质有关，不同的铁磁材料其磁滞损耗不同，硅钢片的磁滞损耗比铸钢或铸铁的小。磁滞损耗对电机或变压器等电气设备的运行不利，是引起铁芯发热的原因之一。为了减少磁滞损耗，交流铁芯都选用软磁性材料，如硅钢等。

2）涡流损耗

如图6-25（a）所示，当铁芯线圈中通有交流电流时，它所产生的交变磁通穿过铁芯，铁芯内就会产生感应电动势和感应电流，这种感应电流在垂直于磁力线方向的截面内形成环流，故称为涡流。涡流在变压器和电动机等设备的铁芯中要消耗电能而转变为热能，从而形成涡流损耗。

涡流损耗会造成铁芯发热，严重时会影响电工设备的正常工作。为了减小涡流损耗，电气设备的铁芯一般都不用整体的铁芯，而用硅钢片叠成，如图6-25（b）所示。硅钢片可由含硅2.5％的硅钢轧制而成，其厚度为0.35～1 mm，硅钢片表面涂有绝缘层，使片间相互绝缘。由于硅钢片具有较高的电阻率，且涡流被限制在较小的截面内流通，电流值很小，因此大大减少了损耗。

涡流对许多电工设备是有害的，但在某些场合却是有用的。比如，工业用高频感应电炉就是利用涡流的热效应来加热和冶炼炉内金属的。

图6-25　涡流

（a）涡流的产生；（b）涡流的减少

思考题

（1）电磁铁的结构及工作原理是什么？有几种类型？

（2）如果把直流电磁铁接到电压相同的交流电源上会有什么后果？相反地，如果把交流电磁铁接到电压相同的直流电源上又会有什么后果？

（3）交流电磁铁通电后，如果衔铁被长时间卡住不能吸合，会有什么后果？为什么？

（4）有一直流电磁铁，如图6-16所示，已知磁路中磁通Φ=2×10-4Wb，S′=4 cm2，试求电磁铁的电磁吸力。

（5）若图6-16所示为交流电磁铁，已知磁路中磁通Φ=2×10-4Wb，S′=4 cm2，试求电磁铁的平均电磁吸力。

【知识拓展】

电磁铁的应用举例(www.xing528.com)

电磁铁因具有磁性的有无、磁性的强弱、磁极的方向可以通过电流或线圈的匝数来进行控制等优点，在实际中的应用极为广泛。

1.工业企业中的应用

（1）电磁起重机。图6-26所示为工业用的强力电磁铁，通上大电流，可用以吊运钢板、货柜、废铁等。把电磁铁安装在吊车上，通电后吸起大量钢铁，移动到另一位置后切断电流，把钢铁放下。大型电磁起重机一次可以吊起几吨钢材。

（2）电磁继电器。电磁继电器是由电磁铁控制的自动开关。使用电磁继电器可用低电压和弱电流来控制高电压和强电流，实现远距离操作，如图6-27所示。

（3）电磁选矿机。如图6-28所示，电磁选矿机是根据磁体对铁矿石有吸引力的原理制成的。当电磁选矿机工作时，铁砂将落入B箱。矿石在下落过程中，经过电磁铁时，非铁矿石不能被电磁铁吸引，由于重力作用直接落入A箱；而铁矿石能被电磁铁吸引，吸附在滚筒上并随滚筒一起转动，到B箱上方时电磁铁对矿石的吸引力已非常微小，所以矿石由于重力的作用而落入B箱。

图6-26　电磁起重机

图6-27　低压控制高压工作电路

图6-28　电磁选矿机

2.交通车辆中的应用

（1）磁悬浮列车。磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时速可达到500 km，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低、运行时噪声小、安全舒适、不燃油及污染少等优点。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。

（2）磁储氢汽车。目前尚处于研究和试验中的磁储氢汽车是另一类具有优势的磁交通设备。因为目前使用的汽车所用的燃料汽油在燃烧时产生的废气会造成环境污染，而且汽油的来源——石油在地球上是有限的，因此研究和应用在汽车上既无污染、来源又丰富的新的汽车燃料便成为当前的一个重要课题。利用磁储氢材料作汽车燃料就是一个重要的解决途径。从科学研究知道，氢是一种无污染或严格说污染极微小的燃料，可供燃烧的单位质量的能量密度很高。但是要在汽车中使用氢的化学能，却不能简单地使用纯气态氢或纯液态氢作燃料。这是因为纯气态氢的体积太大，而且纯气态氢和纯液态氢都有易燃烧易爆炸的安全问题。如果使用固态储氢材料，即将氢以固态化合物的组元形态存储在固态材料中，然后在一定的条件下释放出气态氢用作汽车燃料。在固态储氢材料中，磁性材料和含强磁性元素的化合物的磁储氢材料占有重要的地位。例如，常用的储氢材料就有镍-镁-氢化物（NiMgH4）、铁-钛-氢化物（FeTiH1.95）和镧—镍—氢化物（LaNi5H7）等。目前已经进行过在汽车中应用磁储氢器的许多试验。这些磁储氢器在使用一段时间后，又需要在一定条件下进行再充氢气。这就像蓄电池在使用一定时间后需要进行再充电一样。不过目前的磁储氢器的不足之处是磁储氢材料的重量还较大，需要进一步减轻磁储氢材料的重量。

3.日常生活中的应用

家里的一些电器，如电冰箱、吸尘器上都有电磁铁，全自动洗衣机的进水、排水阀门也都是由电磁铁控制的。

（1）扬声器。扬声器是把电信号转换成声信号的一种装置。主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。当声音以音频电流的形式通过扬声器中的线圈时，扬声器上的磁铁产生的磁场对线圈将产生力的作用，线圈便会因电流强弱的变化产生不同频率的振动，进而带动纸盆发出不同频率和强弱的声音。纸盆将振动通过空气传播出去，于是就产生了人耳听到的声音。

（2）电视机。磁在电视机中的应用也是相当多的。电视机的音像及色彩是通过应用数量多、种类和功能繁多的磁性材料和磁性器件来实现的。具体说来，电视机除了也使用收音机所使用的多种磁变压器和永磁电声喇叭外，还要使用磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。

（3）电铃如图6-29所示。电铃开关闭合，电路接通，电磁铁产生磁性，将衔铁吸下，带动小锤敲击铃碗发出声音，同时，电路从触点处断开，电路中无电流通过，电磁铁失去磁性，衔铁在弹簧片的作用下恢复原来位置，又将电路接通，如此往复，电铃就不断地发出响声。

图6-29　电铃

4.农业上的应用

说来很有趣，磁铁还有一种用途，能在农业上帮助农民除掉作物种子里的杂草种子。杂草种子上有绒毛，能够粘在旁边走过的动物毛上，因此它们就能散布到离母本植物很远的地方。杂草的这种在几百万年的生存斗争中获得的特点，却被农业技术利用来除掉它的种子。农业技术人员利用磁铁，把杂草的粗糙种子从作物的种子里挑选出来。如果在混有杂草种子的作物种子里撒上一些铁屑，铁屑就会紧紧地粘在杂草种子上，而不会粘在光滑的作物种子上。然后拿一个吸力足够大的电磁铁去吸它们，于是混合着的种子就会自动分开，分成作物种子和杂草种子两部分，电磁铁从混合物里把所有粘有铁屑的种子都捞了出来。此外，电磁铁还广泛应用在医疗器械、仪器仪表、军工、航天等领域。