磁路及磁路基本定律都是什么？
肖菲
发布于2020-04-10 11:42
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标签：电工基础
磁路及磁路基本定律
电路，简而言之，就是电流流过的回路，类似的，磁路又是指什么？它和电路有着怎样的区别？别急，这次的学习分享将会给大家提供答案。欢迎大家来到本次的学习：“磁路及磁路基本定律”。
这次的学习内容主要是和磁路有关的基本概念与它的一些基本定律，在学习之前，建议大家回顾一下之前所学的电路的一些基本定律以及磁场的那些基本物理量哟，例如电路的基尔霍夫定律、磁通、磁导率等相关知识。那么，我们正式进入这次的学习主题吧！
1、磁路
在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁芯。铁芯的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多，磁通的大部分经过铁芯形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。下图24-1为四极直流电机的磁路和交流接触器的磁路。如直流电机的磁路，通电导线绕制在定子铁芯上，根据右手螺旋定则，四极电机的N极与S极两两构成磁路。交流接触器的通电线圈产生的磁通也是沿着磁性材料构成通路。
▲图24-1
其实磁路很好理解，就好比电路，电路是指电流流过的回路，而磁路是指磁通的闭合路径，磁路中的磁通其实就类似于电路中的电流。还有，导体的电导率比绝缘体的电导率高得多，所以电流几乎全部沿着导体流通；类似的，磁性材料的磁导率比非磁性材料的磁导率高得多，显然，磁通的大部分也是沿着磁性材料流通。
在这里要强调的一点是，导电体和非导电体的导电率之比，数量级可达1016之大，所以电流一般沿着导体流通，其漏电流微乎其微，一般忽略不计；但是铁磁材料与非铁磁材料的磁导率之比，数量级一般在102～106倍之间，所以在磁路里面，漏磁通往往不能忽略不计。
举一反三，电路中有电流的前提是要有电动势，那么类似的，磁路中有磁通的前提又是什么呢？没错，是磁动势！但是，磁动势到底指的是什么？还有，电路中有电阻，且与导线相比，电压基本是加在电阻两端，那磁路中是否有磁阻使得磁压基本加在其两端呢？别急，这些问题接下来就让我给大家一一揭晓。现在我们要先把磁路的基本概念给掌握哟！
▲图24-2
如图24-2所示的两个磁路，它们之间的区别在哪？其实很显然，单相变压器的磁路只有一个通路，而四极电机的磁路有四个，像变压器这种只有一个路径的磁路称为无分支磁路，而电机的这种由几个磁路组成的磁路称为有分支磁路。这个也是有点类似于电路里的支路的。反之，关于磁路的概念，如果大家有哪里是难以明白的，都可以在电路里找到相似的物理量加以理解。
上文提到了一个概念：漏磁通，其实它就是指在线圈周围的空气及其他非铁磁材料中穿过的磁通，如上图24-2的单相变压器磁路中的φL。相对的，还有一个主磁通的概念，它是指在磁路中穿过的磁通，又称为工作磁通。漏磁通相对于主磁通很小，为了便于计算，一般不予考虑。但是在实际中，漏磁通很多时候是不能被忽略不计的。
磁阻，是指一段磁路的磁位差和磁通量的比值。磁阻由该磁路的几何形状、尺寸、材料的磁特性等因素决定，用符号Rm表示，在国际单位制中，磁阻的单位是每亨[利](1/H)。 磁阻是截面为S、长度为l、材料相同的均匀磁路段引进的类似于电阻的量。
▲图24-3
如图24-3所示为一段长方形均匀磁路段，该磁路有均匀长方形截面，磁感应线和截面垂直。此时磁阻的定义Rm为：截取一段长度为l、截面积为S、磁导率为μ的磁路，其磁阻为Rm=l/μS。或截面上的磁通量是φ，磁路两端的磁位差是Um，则这段磁路的磁阻Rm定义为Rm=Um/φ。把磁阻和电阻相比较，如图24-3所示，我们可以发现，它们两者很相似。
在电路中有直流电路和交流电路之分，类似的，在磁路中，也有直流磁路和交流磁路之分。直流磁路：由直流电流励磁的磁路中，磁通的方向不变，这样的磁路称为直流磁路，又称为恒定磁通的磁路。
▲图24-4
如图24-4所示为某无分支直流磁路，磁通沿磁性材料形成闭合路径，此时有无分支磁路的欧姆定律如图所示。其中磁动势F为电流I与线圈匝数N的乘积，单位为安培（A）或安培匝数（AT）。∑Rm为磁路的总磁阻，单位为每亨利(1/H)。磁动势类似于电路中的电动势，是磁通源（励磁电流）。由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，即磁性材料的磁阻不是常数，所以图24-4中的磁路欧姆定律只能对磁路进行定性分析。
直流磁路中的磁通不变，励磁线圈中没有感应电动势，励磁电流I仅由励磁线圈的外加电压U和线圈电阻R决定（I=U/R）。励磁线圈的电阻是不变的，外加电压一定时，若磁路状况（中心长度、截面、材料）不同，则总磁阻和磁通也不同。
交流磁路：在由交流电流励磁的磁路中，磁通随时间不断交变，这样的磁路称为交流磁路。其中交流磁路的励磁线圈称为交流铁芯线圈。交流磁路中由于磁场方向的不断改变，导致磁通不断变化，这会导致铁磁材料产生磁滞损耗和涡流损耗。关于磁滞损耗和涡流损耗，其实在之前的学习中我有提到过，就是不知道大家是否还记得。
涡流：当磁路中的磁通交变时，会在铁芯中感应出涡旋状的电流，称为涡流。涡流使铁芯发热并消耗能量，称为涡流损失（涡流损耗）。在交流磁路中，铁芯中产生磁滞损失和涡流损失的总和称为铁芯损失，简称铁损。
▲图24-5
如图24-5所示，我们以硅钢片制成的铁芯为例，硅钢叠片处于交变磁通中，根据电磁感应定律与右手螺旋定则，每一片硅钢片中都会产生感应电动势，该电动势会形成一圈一圈的涡流，又由于硅钢片有电阻的存在，所以有能量的损失，这就是涡流损失。
知道了磁路是怎么一回事后，我们继续学习磁路的基本定律。
1、安培环路定律（全电流定律）
我在之前的学习分享中也提到过安培环路定律，当时没有以此展开讲解，现在是时候让大家知道它到底指什么了。
▲图24-6
如图24-6所示，无限长直载流导线的磁感线是在垂直于导线的平面内以导线为中心的一组同心圆，电流方向不同的导线所产生的磁感应线环绕方向不同，这些方向不同的磁感应线在某一点会进行矢量叠加。任取一闭合磁感应线，沿磁感应线（磁通）绕行方向，把磁感应线进行微分，然后任取一线元dl，与该处的磁场强度H进行积分，所得的结果就是该闭合磁感应线所包围的电流的代数和。
安培环路定律电路正负方向的规定：任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右手螺旋定则的电流为正，反之为负。
安培环路定律把电流和磁场强度联系起来，另外，若是在均匀磁场中，根据安培环路定律，我们可以很快得出Hl=NI，（或H=NI/l）。
2、磁路的欧姆定律
若某磁路的磁通为φ，磁通势（磁动势）为F，磁阻为Rm，则φ=F/Rm，这就是磁路的欧姆定律。在上文就有提到，磁路里的磁通就好比电路里的电流，电路里的欧姆定律为I=U/R，显然和磁路里的欧姆定理极为相似。
虽然磁路和电路很相似，但是它们之间的区别也有很多，所以磁路分析的特点和电路分析并不相同。磁路分析的特点主要有以下几点：
（1）在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；
（2）在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；
（3）磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是形式上相似。由于μ不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；
（4）在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，φ不为0。
3、磁路基尔霍夫定律
（1）、基尔霍夫磁通定律：有分支磁路如图24-7所示，指任取一闭合面，根据磁通连续性原理，进入闭合面的磁通，必等于流出闭合面的磁通，即穿过闭合面的磁通的代数和为零（∑φ=0），此称为基尔霍夫磁通定律。
▲图24-7
回顾之前所学的电路基尔霍夫电流定律，即电路中任一个节点上，在任意时刻，流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和（∑I=0），我们可以发现，磁路基尔霍夫磁通定律与电路基尔霍夫电流定律极为相似。就如那句歌词“吃了我的给我吐出来”，不管是闭合平面或者是空间闭合曲面，进入该闭合面的磁通总是等于流出该闭合面的磁通。
（2）、基尔霍夫磁压定律：指磁路中沿任意闭合曲线磁位差的代数和等于沿该曲线磁动势的代数和，即∑NI ∑Hl ∑Um=0。
在上文中就提到过，磁路的磁动势F为电流I与线圈匝数N的乘积，即F=NI。类似于电路中的电动势，由于励磁电流是线圈产生磁通的来源，故称NI为磁路的磁动势F。类似于电路中的电压，磁路中也有磁压的概念，即磁场强度与磁路平均长度的乘积，称为磁压，用符号Um表示，Um=Hl。
如图24-8所示的磁路，磁路可能由多种尺寸、多种材料构成，有的还含有气隙。结合磁动势F的定义与上文的全电流定律Hl=NI，此时有NI=∑Hl，推广到任意磁路中，显然也有∑NI ∑Hl ∑Um=0，这就是基尔霍夫磁压定律。
▲图24-8
我们再次回顾之前所学的基尔霍夫电压定律，即任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和，或从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零（∑U=0）。显然磁路的基尔霍夫磁压定律与电路的基尔霍夫电压定律亦是极为相似的。
磁路的基本定律其实并不难理解，甚至可以说比电路的那些定律更容易理解。在《电工基础》中，曹老师花费了一个课时的时间为学员们讲解了磁路的分析计算，其中包括两道典型的习题。那那些习题比较简单，在这里我就不再赘述。
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