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第三章磁路和电感计算
不管是一个空心螺管线圈,还是带气隙的磁芯线圈,通电流后磁力线分布在它周围的整个空间。对于静止或低频电磁场问题,可以根据电磁理论应用有限元分析软件进行求解,获得精确的结果,但是不能提供简单的、指导性的和直观的物理概念。在开关电源中,为了用较小的磁化电流产生足够大的磁通(或磁通密度),或在较小的体积中存储较多的能量,经常采用一定形状规格的软磁材料磁芯作为磁通的通路。因磁芯的磁导率比周围空气或其他非磁性物质磁导率大得多,把磁场限制在结构磁系统之内,即磁结构内磁场很强,外面很弱,磁通的绝大部分经过磁芯而形成一个固定的通路。在这种情况下,工程上常常忽略次要因素,只考虑导磁体内磁场或同时考虑较强的外部磁场,使得分析计算简化。通常引入磁路的概念,就可以将复杂的场的分析简化为我们熟知的路的计算。
3.1磁路的概念
从磁场基本原理知道,磁力线或磁通总是闭合的。磁通和电路中电流一样,总是在低磁阻的通路流通,高磁阻通路磁通较少。
所谓磁路指凡是磁通(或磁力线)经过的闭合路径称为磁路。
3.2磁路的欧姆定律
以图3.1(a)为例,在一环形磁芯磁导率为以的磁芯上,环的截面积A,平均磁路长度为1,绕有^匝线圈。在线圈中通入电澈,在磁芯建立磁通,同时假定环的内径与外径相差很小,环的截面上磁通是均匀的。根据式(1.7),考虑到式(1.1)和(1.3)有
磁路
电路
磁动势F
电动势E
磁通。
电流I
磁通密度B
电流密度J
磁阻Rm=1/pA
电阻R=l/yA
磁导G=pA/Z
m
电导G=yA/1
磁压降Um=H1
电压U=IR
(3.1)(3.2)
(3.1)
(3.2)
表3.1磁电模拟对应关系
F=NI=H1=—= 1=巾R
或
O=F/Rm
(3.3)式中死N/是磁动势;而
(3.3)
R〃一称为磁路的磁阻,与电阻的表达式相似,正比于路的勺长度1,反比于截面积A和材料的磁导率口;其倒数称为磁导
(3.3a)1 .A
(3.3a)
G= =
mR1
式(3.1)即为磁路的欧姆定律。在形式上与电路欧姆定律相似,两者对应关系如表3.1所示。
磁阻的单位在SI制中为安/韦,或1/亨;在CGS制中为安/麦。磁导的单位是磁阻单位的倒数。同理,在磁阻两端的磁位差称为磁压降um,即
(3.4)Um=ORm=BAX工=H1(安匝)mm
(3.4)
引入磁路以后,磁路的计算服从于电路的克希荷夫两个基本定律。根据磁路克希荷夫第一定律,磁路中任意节点的磁通之和等于零,即
Ze=0 (3.5)
根据安培环路定律得到磁路克希荷夫第二定律,沿某一方向的任意闭合回路的磁势的代数和等于磁压降的代数和
Zin=Zer
或
ZIN=ZHl (3.6a)
式(3.5)对应磁场的高斯定理,即穿过任何闭合曲面的磁通之和为零。而式(3.6)则为磁路的欧姆定律。
应当指出的是磁路仅在形式上将场的问题等效成路来考虑,它与电路根本不同:
电路中,在电动势的驱动下,确实存在着电荷在电路中流动,并因此引起电阻的发热。而磁路中磁通是伴随电流存在的,对于恒定电流,在磁导体中,并没有物质或能量在流动,因此不会在磁导体中产生损耗。
(3.6)(a)图3.1环形磁芯线圈和等效磁路即使在交变磁场下,磁导体中的损耗也不是磁通‘流动’产生的。
(3.6)
(a)
图3.1环形磁芯线圈和等效磁路
即使在交变磁场下,磁导体中的损耗也不是
电路中电流限定在铜导线和其它导电元件内,这些元件的电导率高,比电路的周围材料的电导率一般要高1012倍以上(例如空气或环氧板)。因为没有磁“绝缘”材料,周围介质(例如空气)磁导率只比组成磁路的材料的磁导率低几个数量级。实际上,磁导体周围空气形成磁路的一部分,有相当部分磁通从磁芯材料路径中发散出来,并通过外部空气路径闭合,称为散磁通。对于磁路中具有空气隙的磁路,没有磁芯的空心线圈更是如此。一般情况下,在磁路中各个截面上的磁通是不等的。
附带说明:这里所谓“散磁通”是指所有不经过整个磁芯磁路的磁通。因为在上一章我们定义了漏磁通只在耦合磁路中存在。散磁通也可能是互感的一部分,如果采用电磁电器中不经过主气隙的磁通(不产生力)就是漏磁,对应的电感称为漏感,就会在变压器中造成混淆,故引出散磁通。
在电路中,导体的电导率与导体流过的电流无关。而在磁路中,磁路中磁导率是与磁路中磁通密度有关的非线性参数。即使磁通路径铁磁结构保证各处截面积相等,但由于有散磁通存在,在磁芯中各截面的磁通密度仍不相等。磁芯材料非线性使得口不同,导致相同磁路长度,不同的磁压降。需要由磁通求磁阻,又由磁阻求磁通反复试探,作出系统的磁化曲线,这样工作量很大。虽然空气的磁导
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