磁路基本知识介绍

1.磁路

在变压器、电动机和其他各种电磁器件中，为了把磁力线集中起来，充分利用磁场，并且能用较小的励磁电流产生较强的磁场，人们常用导磁能力很强的铁磁材料做成一定形状的铁心，使磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合的通路。这种磁通所集中通过的闭合路径称为磁路。常见电气设备磁路如图5-31所示。磁路中的磁通可以由励磁线圈中的励磁电流产生，如图5-31a、b、d所示；也可由永久磁铁产生，如图5-31c所示；磁路中可以有气隙，如图5-31b、c、d所示；也可以没有气隙，如图5-31a所示。若励磁电流为直流，磁路中的磁通是恒定的，不随时间而变化，这种磁路称为直流磁路，直流电动机的磁路就属于这一类。若励磁电流为交流，磁路中的磁通随时间交变变化，这种磁路称为交流磁路。交流铁心线圈、变压器和感应电动机的磁路都属于这一类。

图5-31 常见电气设备磁路

a）变压器 b）电磁铁 c）磁电式电表 d）直流电动机

2.磁场的基本物理量

（1）磁感应强度B

磁感应强度B是表示磁场中某一点磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量，其方向为该点磁力线的切线方向，用大写字母B来表示。它与电流之间的方向关系可由右手螺旋定则来判定。其大小为

式中，B为磁感应强度大小；I为流过导线的电流；l为垂直磁场方向导线的长度；F为导体在磁场中受到的作用力。

磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同的磁场称为均匀磁场，否则即为非均匀磁场。

（2）磁通Φ

在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ。即Φ=BS或

式中，Φ为磁通；S为面积。

由式（5-4）可以看出，磁感应强度B是垂直穿过单位面积的磁力线的条数，所以又称其为磁通密度。

（3）磁导率μ

磁导率μ是用来衡量物质导磁性能的物理量。真空的磁导率μ₀为一常数，即μ₀=4π×10^-7H/m。

各种非磁性材料（包括空气）的磁导率都接近于μ₀。为了便于比较各种物质的导磁能力，通常把任意一种物质的磁导率μ与真空磁导率μ₀的比值称为该物质的相对磁导率μ_r，即

（4）磁场强度H

磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，它与磁感应强度B的关系为

3.铁磁材料的磁性能

磁路主要由铁、镍、钴及其合金以及铁氧体等铁磁材料构成，具有高导磁性、磁饱和性和磁滞性等性能。

高导磁性是指铁磁材料在外磁场的作用下具有被强烈磁化的特性，其导磁能力远远超过非铁磁材料，相对磁导率μ_r高达几百、几千甚至上万。电动机、变压器等电气设备就是用铁磁材料制作铁心，从而用较小的励磁电流产生较强的磁场。

磁饱和性是指铁磁材料在磁化过程中，磁化磁场不随着外磁场增强无限制增强的特性，即磁场强度H与磁感应强度B的关系是非线性的，这种现象称为磁饱和现象。磁饱和现象的存在可能会使交流铁心线圈中的电压、电流、磁通等量的波形发生畸变。

图5-32 磁材料的磁滞回线

a）软磁材料 b）硬磁材料 c）矩磁材料(www.xing528.com)

磁滞性是指磁性材料反复磁化的过程中B的变化总是滞后于H变化，又称磁滞现象。当铁心线圈中通入交流电流时，B-H曲线称为磁滞回线，如图5-32所示。由图可见，H上升和下降时，B的变化不重合，当H减小到零时B并不减小到零，即铁心中仍存在剩磁B_r。若要去掉剩磁，应施加反向磁场强度H_c，称为矫顽力。磁滞现象使交流铁心线圈产生磁滞损耗。

根据磁滞特性，磁性材料可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。软磁材料的磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都较小，如图5-32a所示，一般用来制造变压器、电动机及电器的铁心，常用的软磁材料有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。硬磁材料的磁滞回线较宽，剩磁和矫顽力较大，如图5-32b所示，通常用来制造永久磁铁，常用的硬磁材料有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。矩磁材料的磁滞回线接近矩形，具有较小的矫顽力和较大的剩磁，稳定性良好，常用作计算机和控制系统中的记忆元件、开关元件和逻辑元件，常用的矩磁材料有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。

4.磁路的欧姆定律

与电路的欧姆定律相似，磁路的欧姆定律反映了一段磁路磁通Φ、磁动势F和磁阻R_m之间的关系。如果把磁路磁通Φ、磁动势F和磁阻R_m分别看成是电路的电流I、电动势E和电阻R，则磁路的欧姆定律为

式中，，为该段磁路的磁阻。

5.直流磁路与交流铁心线圈

（1）直流磁路的工作特点

直流电动机、直流电磁铁及其他各种直流电器的线圈都是直流铁心线圈，它们用直流电流励磁，铁心中的磁路也就是直流磁路。其特点如下。

1）励磁电流I=U/R，I由外加电压U及励磁线圈的电阻R决定，与磁路特性无关。

2）励磁电流I产生的磁通是恒定磁通，不会在线圈和铁心中产生感应电动势。

3）磁通Φ的大小由线圈电流I（即磁动势F=NI）和磁路中的磁阻R_m决定。R_m随磁路变化而变化。例如，在F=NI一定的条件下，图5-31b中电磁铁线圈得电，衔铁闭合，空气隙减小，磁阻R_m减小，磁通Φ增大；反之，线圈失电，衔铁打开，空气隙增大，磁阻R_m增加，磁通Φ减小。

图5-33 交流铁心线圈

4）磁路不影响电路。

5）功率损耗ΔP=I²R由励磁线圈的电流和电阻决定。

（2）交流铁心线圈

变压器、交流电动机以及其他各种交流电器的线圈都是交流铁心线圈，如图5-33所示，下面讨论其电磁关系和功率损耗。

1）电磁关系。当外加交流电压u时，在线圈中产生交流励磁电流i，磁动势Ni产生交变磁通的主磁通Φ和漏磁通Φσ，它们分别在线圈中产生主磁电动势e和漏磁电动势eσ，其参考方向符合右手螺旋法则，如图5-33所示。其电磁关系可表示为

根据基尔霍夫电压定律和电磁感应定律，在忽略线圈电阻与漏磁通的条件下，可推导出交流铁心线圈的电磁关系为

U=4.44fNΦ_m （5-8）

式（5-8）是分析计算交流电路的重要公式，它表明，在忽略线圈电阻与漏磁通的条件下，当线圈匝数N与电源频率f一定时，主磁通的幅值Φ_m决定于励磁线圈外加电压的有效值，而与铁心的材料及尺寸无关。这是交流磁路的重要特点之一。

2）功率损耗。交流铁心线圈中的功率损耗包含铜损ΔP_Cu和铁损ΔP_Fe两部分。铜损ΔP_Cu=I²R，它是线圈导线电阻R消耗的功率。铁损ΔP_Fe=ΔP_n+ΔP_e，是铁心在交变磁通作用下产生的磁滞损耗ΔP_n和涡流损耗ΔP_e的总称。

磁滞损耗与铁心磁滞回线、磁感应强度B、励磁电流频率f有关，铁心磁滞回线所包围的面积越大，B越大，f越高，磁滞损耗越大。减小磁滞损耗的有效措施是选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。

当线圈中通入交流电流时，铁心中的交变磁通在铁心中产生感应电动势和感应电流，这种电流称为涡流。因铁心中有一定的电阻，故涡流将使铁心发热，即涡流损耗。涡流损耗与电源频率的二次方及铁心磁感应强度最大值的二次方成正比。减小涡流损耗的有效措施是采用彼此绝缘且顺着磁场方向的硅钢片叠成铁心，一般电动机和变压器的铁心常采用厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片叠成。

交流铁心线圈工作时的铜损和铁损都要从电源吸收能量，并转化为热能而使铁心发热，影响设备绝缘材料的使用寿命。因此大容量变压器和交流电动机需要采取各种相应的冷却措施。