第四节 简单磁路的概念

在电器、电机中采用铁磁材料，不但可以用较小的励磁电流获得较多的磁通，而且还可使磁通集中地通过一定的闭合路径。所谓磁路，是指主要由铁磁材料构成而为磁通集中通过的闭合回路。磁路中的铁磁材料就称为铁心。

一、磁路欧姆定律

磁路中除铁心外往往还有一些小段的非铁磁性物质，例如空气隙等。由于磁力线是连续的，所以通过无分支磁路各处横截面的磁通是相等的。在如图3-10所示的无分支磁路中，穿过铁心和空气隙的磁通相等。

我们可将磁路与电路进行对比。磁路中的磁动势IN好比是电路中的电动势；磁通Φ好比是电流。在无分支电路中，电动势与电流的比值是全电路的电阻；类似地，我们把无分支磁路中磁动势IN与磁通Φ的比值称为全磁路的磁阻，记作R_m：

或写成

这就是无分支磁路的欧姆定律。就是说，无分支磁路中的磁通Φ跟磁动势IN成正比，而跟磁阻R_m成反比。

假设磁路由均匀的铁磁材料构成，它的平均长度为l，横截面积为A，磁导率为μ,可以证明，该磁路的磁阻为

因μ不是常数，所以铁磁材料构成的磁路的磁阻也不是常数。

如果磁路中有一小段长l₀的空气隙，其横截面积也是A，那么这段空气隙的磁阻为

于是，图3-11所示无分支磁路的总磁阻为

这时磁路的欧姆定律具有下列形式：

利用磁阻的概念来分析磁路是比较方便的。因为μ＞＞μ₀，所以R_mμ＜＜R_mμ0。可见磁路中有空气隙就会大大增加磁阻，若仍要求有足够的磁通，就必须增加励磁电流I或线圈的匝数N。

二、电磁力的应用

【专业指导】 磁钢在高温150℃以上，或特别振动作用下会发生消磁现象。

1．电磁力在工业生产中的应用

电磁铁由线圈、铁心和衔铁三部分构成。它的应用很广，如用于起重、机床上的电磁吸盘电路的控制与保护等。图3-11所示为用于起重的直流电磁铁结构原理图，当线圈通电时，磁力线通过铁心、空气隙和衔铁构成的闭合磁路，由于衔铁和铁心都沿着同一方向被磁化，衔铁与铁心互相靠近的部分具有相异的极性（或者说，磁力线具有力图缩短的趋势，以减小磁阻，增加磁通Φ），因此，铁心将把衔铁紧紧地吸合到一起。

当电磁铁已将衔铁吸合或接近于吸合（即气隙很小）时，作用于衔铁上的吸力为

式中，F为电磁吸力，单位为牛顿（N）；B₀为气隙出的磁感应强度，单位是特拉斯（T）；A为铁心于衔铁吸合处的横截面积，单位是平方米（m²），在图3-11中，A=2A′。

理论分析证明，交流电磁铁吸合时，作用于电磁吸力在一平均值F_av的上下波动，波动的频率是电源频率的二倍，振幅恰好等于平均F_av；也就是说，在外加交流电压的一个周期内，电磁吸力两次达到最大值F_m=2F_av，两次为零值。

交流电磁铁吸合时的平均电磁吸力为

式中，B_m、Φ_m分别为磁感应强度、磁通的最大值。

交流电磁铁是一个具有铁心线圈的交流电路，磁路中的某些变化将对电路的电抗产生明显的影响：一方面，由于磁饱和，使电抗减小；另一方面，磁路中空气隙的增大，也会使电抗减小。电抗减小的结果就使得励磁电流增大，这些现象是直流电磁铁所没有的。

交流电磁铁起动时，衔铁与铁心之间的气隙最大，电抗最小，这时线圈中的电流I_st称为起动电流；电磁铁吸合时，衔铁与铁心之间的气隙最小（近似为零），电抗最大，这时线圈中的电流I_w称为工作电流。

2．电磁力在汽车上的应用

【专业指导】 汽车上采用线圈通电生磁的应用非常多，比如电磁阀、继电器等。

继电器是用较小的电流去控制较大电流的一种“可控开关”，不通电时开关状态由弹簧决定，通电时继电器利用线圈通电产生电磁吸力，克服弹簧控制开关动作。

如图3-12a所示，继电器的85、86端子之间为线圈，有两种情况：一是未通电时开关端子30、87之间的开关处于断开状态时，称为“常开触点”继电器；二是线圈未通电时开关处于接通时称为“常闭触点”继电器。

继电器分为普通型和电子型，图3-12a和b分别为普通型继电器和电子型继电器。普通型是指继电器线圈只受外部的一个或两个开关控制，继电器内无控制用的电子电路，但常有一个给线圈续流的二极管或续流电阻。

电子型继电器是在电路板上使用电子元件做成电子电路（通常在壳体上标出），接收的开关信号经逻辑运算（信号间经“与”“或”），运算结果的输出进行控制线圈通电，或继电器内部有振荡电路或延时电路。例如刮水器间歇继电器和后风窗加热继电器等延时电路，转向闪光继电器内部的振荡电路等，振荡电路和延时电路网上有很多，因为继电器不值得修理，更换即可。

有的几个普通继电器控制一个元件工作，例如发动机散热器风扇，通常要用两个或三个继电器组合在一起，才能控制，如图3-13所示的捷达空调风扇采用双继电器控制。

近几年流行直接把微型继电器或微型开关放在所在开关的内部，也有几个开关都集成在一个印制电路板上，电路板上集成多个微动开关和多个继电器，对于电流大的可用两个微型继电器并联。例如，图3-14为捷达仪表板上的空调开关、内循环开关、双闪开关、后风窗加热开关和行李箱开启开关（出租车型，本图中无）。

对于电子型继电器，一般不做测量，多用换件法判断。无件可换时也可测量断路器上母插头的工作条件是否达到，有时需要两人协作，一人根据电路图，操作有故障电路相应开关，另一人测量母插头的电压信号是否正常，开关电路是否有供电。不正常时更换开关，正常时，同时利用已经测出的有电压的母插头与负极线为回路测量是否构成回路。这两步测量万用表用电压档。

【专业指导】 很多线路板中的微型继电器损坏后是可以更换的，这样几元钱可维修解决几十或几百元的故障部件。