1、第三章 电磁机构理论n电磁机构由磁系统和励磁线圈组成，它广泛用于电器中作为电器的感测元件(接受输入信号)、驱动机构(实行能量转换)以及灭弧装置的磁吹源。它既可以单独成为一类电器，诸如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁和电磁离合器等;也可作为电器的部件，如各种电磁开关电器和电磁脱扣器的感测部件、电磁操动机构的执行部件。n电磁机构的磁系统包含由磁性材料制成的磁导体和各种气隙。当励磁线圈从电源吸取能量后，其周围空间内就建立了磁场，使磁导体磁化，产生电磁吸力，吸引磁导体中的衔铁，借其运动输出机械功，以达到某些预定目的。因此，电磁机构兼具能量转换和控制两方面的作用n本章主要讨论各种电磁机构的计算方法计算
2、方法、特性以及它们的简单设简单设计方法计方法。第一节 电磁机构的种类和特性电磁机构分类：按励磁电流种类直流交流按励磁方式并励串励内衔铁按结构形式外衔铁线圈与控制电源并联线圈与负载串联衔铁可伸入线圈内腔衔铁只能在线圈外运动n静态吸引特性:作为借电磁力吸引衔铁使之运动作功的电磁机构，电磁力F与衔铁位移x或工作气隙的关系F=f()，或如果衔铁是绕某个固定轴转动，则电磁机构的基本特性是使街铁转动的电磁力矩M与衔铁的角位移之间的关系M=f()。这类特性称为吸引特性或吸力特性。即静态吸引特性。n机械特性：电磁机构的衔铁在运动过程中是克服机械负载的阻力而作功的，习惯上把这种阻力称为反作用力，并以Fr表示。反
3、作用力与工作气隙的关系Fr=f()称为机械特性或反力特性。一、静态吸引特性和动态特性n各种内衔铁式电磁机构的结构和吸引特性：n各种外衔铁式电磁机构的结构和吸引特性：n动态特性：电磁机构的动态特性是指其励磁电流i、磁通、磁链、电磁吸力F，、衔铁运动速度v等参数在衔铁吸合(向铁心运动)或释放(离开铁心)过程中，与衔铁位移x或时间t之间的关系，以及衔铁位移与时间的关系。二、机械特性n电磁机构的机械特性因其控制对象而异。n图3-4所示就是几种典型的机械特性。机械特性是电磁机构的负载特性，但电磁机构的设计是以此为依据依据的，所以将它作为电磁机构的一种特性来处理。第二节 磁性材料及其基本特性n磁性材料是具
4、有铁磁性质的材料，它包含铁、镍、钴、钆等元素以及它们的合金，其最大特点是具有比其他材料高数百至数万倍的磁导率，同时其磁感应强度与磁场强度之间存在着非常复杂的非线性关系。一、磁畴、各向异性和居里点n磁性材料内部有许多小区域一磁畴，它们能自发地磁化到饱和状态。无外界磁场时，磁畴的磁场因排列杂乱无章而对外不显磁性。一旦有了外界磁场，它们便整个地转向，使磁性材料强烈磁化。n铁磁物质单晶的磁化呈各向异性性质。以铁的单晶体为例，它沿侧面100方向甚易磁化，沿平面对角线110方向磁化就困难些，沿立体对角线111方向则很难磁化(图3-5)。n各种磁性材料都各有一临界温度值一居里点。若温度超过此值，磁性材料便会
5、因磁畴消失而变成顺磁性材料。居里点之值因材料不同而异，例如，铁的居里点为770度、钴的为1120度，镍的为358度。磁性材料的工作温度不允许接近其居里点磁性材料的工作温度不允许接近其居里点。二、磁化曲线与磁滞回线若将磁性材料去磁后，置于外磁场的作用下，使磁场强度H由零逐渐增大，磁感应强度B也自零开始增大。在oa段，磁化是通过磁畴界壁转移而进行，使顺外磁场方向者增多，逆此方向者减少。由于此阶段磁化不消耗能量，故过程是可逆的，而且B与H成正比，也即u=const并与H无关。在ab段，磁化是通过磁畴的磁化方向突然作90度的转变而进行，所以要消耗一定的能量，过程为不可逆。由于此刻磁畴方向变化突然，磁磁
6、化让线上升不平滑，呈阶梯现象。到bc段，磁畴均已从容易磁化的方向转向较难的方向，所以需要消耗更多的能量和很强的外磁场，而u值却在减小。在c点以后，所有磁畴的磁化方向已转到与外磁场一致，也即到了饱和状态。这时，B随H的变化已与真空中相近，而过程又是可逆的。以去磁的磁性材料磁化所得的B=f(H)曲线称为起始磁化曲线。自此曲线开始饱和的c点开始退磁、即减小磁场强度，由于过程是不可逆的，B值将沿ce段变化。对应c点的B值以Bs表示，称为饱和磁感应饱和磁感应;对应e点(H值已减小到零)的B值以Br表示，称为剩余感应剩余感应。欲使B值减小到零，就需要施加反向磁场，而B值将沿ef段变化。对应于B=0这一点f
7、的磁磁场强度称为场强度称为矫顽力矫顽力-Hc。Bs值、Br值以及-Hc值是磁性材料的主要特征参数。继续增大反向磁场，B将沿fg段变化，并在g点达到反向饱和。从这一点起逐渐减小反向磁场到它等于零，B就沿km段变化到-Br、再加正向磁场，B还会沿km段变化到等于零，这时的磁场强度从亦称为矫顽力。进一步增大正向磁场，B值又从零开始增大，并在c点达到饱和。原则上说，c、c，两点并不重合，而且Br一Br，-HcHc。但多次重复上述过程即可得到一个基本上闭合的曲线，它称为磁滞回线。n在实际工作时，磁导体并非自去磁状态开始磁化，所以起始磁化曲线不能用于实际计算。在计算中所用的磁化曲线是由许多不饱和对称磁滞回
8、线顶点连接而成的基本磁化曲线(图3-7)。不同的磁性材料有不同的起始和基本磁化曲线。基本磁化曲线忽略了不可逆性而保留了饱和非线性特征，具有平均意义，故又称平均磁化曲线。根据励磁电流种类不同，基本磁化曲线有直流磁化曲线与交流磁化曲线之分，它们分别适用于直流磁路计算和交流磁路计算.三、铁损和损耗曲线n交流励磁时，磁导体中有因磁滞和涡流现象导致的功率损耗，它们统称为铁损。此损耗与励磁电流的频率有关。当频率增大时，磁滞回线变宽，象征着磁滞损耗增大;同时，由于感应电动势增大，涡流损耗也将增大。铁损还与磁感应强度有关，磁感应强度越大，铁损也越大，其关系也是非线性的。n尽管铁损可用各种公式计算，但因其准确度
9、不尽如人意，也有欠便利，故工程上多用损耗曲线(图3-8)进行计算。此曲线将铁损表示为磁感应强度和频率的函数，而且是单位质量材料的铁损。由于曲线得自实验，故其准确度较高。四、磁性材料n磁性材料按其特征参数可分为两类，硬磁材料和软磁材料。前者的矫顽力大，可达数十万A/m，而且磁滞回线很宽;后者矫顽力小，可小到百分之几A/m，同时磁滞回线很窄。(一一)软磁材料软磁材料 软磁材料矫顽力小(Hc0，即i=const时电磁吸力的瞬时值。若衔铁移动非常迅速，以致反电动势与电源电压相当，则可认为电磁机构是工作于另一种特殊状态，即=const的状态。在这种场合，励磁电流i由I1减至I2。衔铁在移动过程中完成的机
10、械功Wm正比于电磁机构所贮磁能的增量(负值)-面积A2=(AI+A2)-AI。显然，在=const的条件下，衔铁所受电磁力的瞬时值上式中的负号说明在=const时，电磁机构来自电源取得能量，衔铁作机械功必然要以其磁能之减少为代价。则：若考虑铁心磁阻上的磁压降，上式中的iN就应代之以气隙磁压降故有：二、麦克斯韦电磁力计算公式二、麦克斯韦电磁力计算公式麦克斯韦电磁力计算公式麦克斯韦电磁力计算公式上式就是麦克斯韦电磁力计算公式，它是一个普遍适用的公式。如果电磁机构铁心的磁导率非常大，以致磁感应强度处处都垂直于铁心表面，n电磁力的计算可以借助专业的电磁场有限元分析软件，如ansys、ansoft等，可以较为精确的得到，软件中所采用的方法一般也就是上面介绍的虚功法或maxwell应力方法。
