磁、磁路、磁兼容(EMC)基本知识(经典)

磁、磁路、磁兼容（EMC）基本知识（经典）

一、磁的基本知识

磁的范围比较广，讨论起来太泛！而磁场是电机实现能量交换的媒介（磁场和电流是电机工作两个基本条件），所以在下面我们以讨论磁场开始，首先介绍必要的一些概念。为了易懂，我们采用了较为狭义的表述方法（所谓狭义是指在大多数情况下是对的或者说有条件的正确），请大家注意！

1、磁通及磁感应强度

一条通电导体或一块永久磁铁，它的周围是充满磁场的,在每一点它既有大小也有方向，通常形象地用磁力线表磁场的分布（如图1），借助磁力线，我们介绍两个物理量。

a.磁通：用磁力线的数量来表示。如通电导体周围磁力线的总和，我们就叫总磁通，其单位不是我们想象用“根数、条数”表示，而是用麦克斯韦尔Mx或韦伯(Wb)作为其单位，且有1Wb＝108 Mx

b.磁感应强度B：也称磁通密度即单位面积的磁力线数量。如图1中通过阴影面积S′的磁力线（磁通）为Φ，则B＝Φ/S 单位是高斯(GS)或特斯拉(T)，且有T ＝104 GS

2、 磁场及磁场强度

图2是一个类似于我们常用的充磁实验装

置。环形均质永磁体的上端被切下一段，

形成一个长为Lδ的气隙，下端装匝数为W

的一个线圈，当线圈通以电流时，便会在

圆环磁体内部以及空气隙Lδ中产生磁通。

我们定义“I•W”为磁动势F，简称磁势，

单位是吉伯(Gb)或安(A)，且有

1A＝0.4π Gb

我们知道安培环频定律可表示为：

F=∮H•dL＝∑(Hi•△Li)＝H1△L1＋ H2△L2

＋•••＋Hn △Ln＋•••

H即为磁场强度，其物理意义可在以下分析中体现。如在图2磁路中将切割的小截磁体放回，则

可视为一个特制磁路并设总长为L1，在均质磁路中可认为H处处相等，

则 F＝∑(Hi•△Li)＝H•L 即H＝F/L（安/ 米）

因此，可以狭义地理解为：磁场强度H是磁路中单位长度上的磁动势。

3、 剩磁、矫顽力、磁化曲线及磁导率

如图2，我们将切割下来的小截磁体放回即变成一个均匀的磁路，然后将电流从“0”开始，不断加大，

这时候磁路的磁通中不断上升见图3”og”段。在达到膝点g之前，磁通Φ随着磁势F(W•I)的增长而线性同步增长，“o-g”基本是一条直线；过g点后磁路渐饱和，Φ的增加速度减缓至a点几乎不再增加；此时若减少流即减小F，Φ不沿“a-g-o”返回，而是沿“a-b”下降；当F=0时，磁通中不为0 （如b点），

对应b点的磁通，我们记为Φr并称为“剩磁通”；当线圈改变电流方向即F为负值时，Φ值逐步下降，达到C点，此时磁通Φ为“零”值，对应此时的F值记为Fc我们称为“矫顽力”，余类推，曲线由“c→d→e→f→a”返回。

图3曲线，我们称为磁化曲线，用函数Φ＝f(x)表示；由于Φ，F与几何尺寸有关，不便于工程学中对磁性材料的认识和比较，为此将图3中的纵坐标磁通Φ除以磁路的截面积S即变为磁通密度B，将横座标磁势F除以磁路的长度L即变为磁场强度H，经过这种方式的坐标变换后图3磁化曲线Φ＝f(x)即变换为图4所示的B＝f(H)磁化曲线。它的物理意义在于对于均质磁路，它反映了单位磁势产生单位磁通的能力，也就是这种材料的磁化能力，与尺寸无关。故磁化曲线B＝f(H)在工程学上获得了广泛的应用。通常在手册中见到剩磁Br及矫顽力Hc就出自B＝f(H)曲线。这里还要引入一个参数μ我们称为磁导率，

即 μ＝B/H ， B=μ•H

这是一个很重要的公式，在铁磁物质中，由于存在饱和现象，μ是一个变化值；在真空（空气可近似）中，μ是个常数，记为μ0，真空磁导率它的值为：μ0 ＝4π•10-7（享/米）

4、 磁滞现象，硬磁材料和软磁材料

上面所述的磁化曲线中，当H＝0时，B＝Br≠0，也就是说磁通密度B落后于磁

场强度H的变化，这种“B滞后H”的现象我们称为“磁滞现象”，在图3、图4中，a→b→c→d→e→f这条磁化曲线也称为磁滞曲线。

当一种材料的磁滞曲线很宽很肥时，即Br、Hc值较大时，对应的这种材料我们称为硬磁材料。通常我们使用的永磁材料属于这一类。

当一种材料的磁滞曲线很窄很瘦时，即Br、Hc值较小时，对应这种材料我们称为软磁材料。通常我们使用的导磁材料如硅钢片，电解板，冷扎板都归这一类。

二、最简单的磁路

电机工作离不开两个基本条件即电流和磁场，也意味着在电机的结构中必须分别有引导电流和磁场的“路”，我们也分别称之为“电路”和“磁路”。电路大家比较熟悉，但磁路也要了解。在图2中，环形磁铁充磁后将充磁线圈拆开，仅形成一个最简单的磁路（如图5）

由于存在剩磁，环形磁铁的N极发出磁通经过空气隙→S极→经过磁铁内部回到N极而闭合，如不考虑漏磁现象及认为气隙截面与磁铁截面相等则有：

BFe＝Bδ 即 μFe• HFe＝μ0•H δ

另外，根据安培环路定律有

∮H•dL＝F＝I•W＝0 （环形磁铁中没有电流流过I＝0）

于是∮H•dL ＝H Fe•LFe+ Hδ•Lδ＝0 (1)

HFe→磁铁内部磁场强度

HFe•LFe→磁铁内部磁势（内部磁势）

Hδ→空气隙中的磁场强度

Hδ•Lδ→空气隙中的磁势（外部磁压降）

由(1)式可知 HFe 与Hδ方向相反，变换(1)式得：

HFe＝－Hδ•Lδ /LFe＝－(Bδ/μ0)• Lδ /LFe ＝ －[Lδ/(μ0•LFe)] •BFe

变换得： BFe＝－[μ0•LFe/Lδ] •HFe (2)

式(2)是根据磁路的的规律得出的关系式，但HFe、BFe之间还必须同时满足环形磁铁材料本身的磁化特性；由于永磁材料作为磁源时，其内部的磁势为负值，故其工作于第二象限的磁化曲线（见图6）。以铁氧体为例，即求得该简单路工作点的HFeN 和 HFeN值

从而得出BδN和HδN 值。

直线(2)BFe＝－[μ0•LFe/L δ] •H Fe

磁化曲线BFe＝(Br/Hc)•HFe＋Br

为了便于理解，比拟电路我们引入磁阻Rm

的概念：

Rm＝L/(μ•S) 式中

L 是磁路的长度，S 是磁路的截面积， μ 是磁路介质的磁导率。

那么图5的气隙磁势

Fδ＝HδLδ＝(B/μδ）•Lδ＝[Bδ S/(μδ•S)]•Lδ＝Φδ•[Lδ/(μδ•S)]

即 Fδ＝Φδ•Rmδ (3) 式中Φδ 称为气隙磁通，Rmδ＝Lδ/(μδ•S) 称为气隙磁阻

上式称为“磁路欧姆定律”，对比电路：磁通中相

当于电路中的电流I；磁势F相当于电路中的电势E

（或电压U）；磁阻RM相当于电路中的电阻R。

在电机学中我们总希望提高电机的气隙磁通，从而

达到提高电机单位体积的出力水平，由(3)式变换成

Φδ＝Fδ／Rmδ知，要达到这一目的，有以下措施提