电机学-第一章磁路

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1、1电机学电机学 Electric Machinery电气工程教研室电气工程教研室2第一章第一章 磁路磁路电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律铁磁材料特性铁磁材料特性全电流定律 电磁感应定律 电磁力定律全电流定律 电磁感应定律 电磁力定律 磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律及其计算方法 磁路基本定律 磁路计算方法 自感和互感磁路基本定律 磁路计算方法 自感和互感铁磁材料的磁导率 磁化曲线 磁滞与磁滞损耗 涡流与涡流损耗 铁耗铁磁材料的磁导率 磁化曲线 磁滞与磁滞损耗 涡流与涡流损耗 铁耗电抗与磁导的关系电抗与磁导的关系 磁阻串联 磁阻并联 磁阻联磁阻串联 磁阻并联 磁阻联3一、铁磁材料特性

2、1. 铁磁物质的概念 磁导率：表征物质导磁能力的物理量，用符号磁导率：表征物质导磁能力的物理量，用符号 表示 ，表示 ， = B/H 真空的磁导率真空的磁导率 0= 410-7H/m 为常数为常数 相对磁导率：任何一种物质的磁导率与真空磁导率 的比称为该物质的相对磁导率，用相对磁导率：任何一种物质的磁导率与真空磁导率 的比称为该物质的相对磁导率，用 r表示，即表示，即0r41.铁磁物质的概念 磁介质的分类：磁介质的分类： 按磁导率分类：非铁磁物质、铁磁物质按磁导率分类：非铁磁物质、铁磁物质 非铁磁物质：如空气、铜、铝和绝缘材料等，磁 导率近似等于真空磁导率，即相对磁导率非铁磁物质：如空气、铜、

3、铝和绝缘材料等，磁 导率近似等于真空磁导率，即相对磁导率 r 1 铁磁物质：如铁、钴、镍及它们的合金等，磁导 率铁磁物质：如铁、钴、镍及它们的合金等，磁导 率 Fe远大于真空磁导率远大于真空磁导率0达数千甚至上万倍， 即达数千甚至上万倍， 即 Fe0，或者说，铁磁物质相对磁导率：，或者说，铁磁物质相对磁导率： r1 。另外，铁磁物质磁导率。另外，铁磁物质磁导率 Fe为非常数，随为非常数，随B的变 化而变化的变 化而变化52.铁磁物质的磁化 概念：概念： 将铁磁物质放入磁场后，磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，这一现象称为铁磁物质的磁化。将铁磁物质放入磁场后，磁场会显著增强。铁磁

4、材料在外磁场中呈现很强的磁性，这一现象称为铁磁物质的磁化。 磁化机理：磁化机理： 铁磁物质内部有许多称为磁畴的天然磁化区，在未放入磁场时，磁畴的排列杂乱无章，其磁效应相互抵消对外不呈现磁 性。当放入磁场后，各磁畴沿外磁场方向转动而趋向一致铁磁物质内部有许多称为磁畴的天然磁化区，在未放入磁场时，磁畴的排列杂乱无章，其磁效应相互抵消对外不呈现磁 性。当放入磁场后，各磁畴沿外磁场方向转动而趋向一致,形成一附加磁场叠加在外磁场上。形成一附加磁场叠加在外磁场上。磁畴（未磁化）磁畴（未磁化）磁畴（磁化）磁畴（磁化）63.磁化曲线 在外磁场在外磁场H（激励）作用下，磁感应强度（激励）作用下，磁感应强度B （

5、响应）将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线， 记为（响应）将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线， 记为B=f(H)。磁饱和现象磁饱和现象：对铁 磁材料进行磁化时 ，当外磁场强度增 加到一定程度后， 随：对铁 磁材料进行磁化时 ，当外磁场强度增 加到一定程度后， 随H的增加，的增加，B的 增加逐渐变慢的现 象。因此铁磁材料 磁导率的 增加逐渐变慢的现 象。因此铁磁材料 磁导率 Fe随着随着H的 增加而减小。的 增加而减小。74.磁滞与磁滞损耗 磁滞概念磁滞概念 剩磁剩磁Br 矫顽力矫顽力Hc 磁滞回线磁滞回线 不同铁磁材料有 不同的磁滞回线 ，且同一铁磁材 料，不同铁磁材料有 不同的

6、磁滞回线 ，且同一铁磁材 料，Bm愈大，磁 滞回线所包围的 面积也愈大。愈大，磁 滞回线所包围的 面积也愈大。8 软磁材料软磁材料：磁滞回线很窄，剩磁：磁滞回线很窄，剩磁Br和矫顽力和矫顽力Hc小，硅钢片 、铸铁、铸钢等等。磁导率较高小，硅钢片 、铸铁、铸钢等等。磁导率较高, 用于制造电机和变压器的 铁心。用于制造电机和变压器的 铁心。 硬磁材料硬磁材料：磁滞回线很宽，剩磁：磁滞回线很宽，剩磁Br和矫顽力和矫顽力Hc大，或叫永 磁材料。铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。剩磁大，或叫永 磁材料。铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。剩磁Br大，可以用 于制造永久磁铁。大，可以用 于制造永久磁铁。9 基本磁化曲线基本

7、磁化曲线：对 同一铁磁材料，选 择不同的：对 同一铁磁材料，选 择不同的H进行反 复磁化，可得一系 列大小不同的磁滞 回线，将各磁滞回 线在第一象限内的 顶点联接起来得到 的曲线称为基本磁 化曲线。进行反 复磁化，可得一系 列大小不同的磁滞 回线，将各磁滞回 线在第一象限内的 顶点联接起来得到 的曲线称为基本磁 化曲线。10 磁滞损耗磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁 化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩 擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。 这种损耗称为磁滞损耗。：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁 化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩 擦，因而就要消耗一定的能量，产

8、生功率损耗。 这种损耗称为磁滞损耗。 磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率f 和铁心体积和铁心体积V 成正比。磁滞回线包围的面积与成正比。磁滞回线包围的面积与Bm 的的n次方成正比，故有：次方成正比，故有：式中，式中，Ch磁滞损耗系数，取决于材料性质；对一般电工 硅钢片，磁滞损耗系数，取决于材料性质；对一般电工 硅钢片，n=1.62.3 由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能 好。因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁 心都采用硅钢片制成。由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能 好。因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁 心都采用硅钢片制成。

9、hpfVHdB n hhmpC fB V115.涡流与涡流损耗 涡流涡流：铁磁材料在交变磁场将 有围绕磁通呈涡旋状的感应电 动势和电流产生，简称涡流。：铁磁材料在交变磁场将 有围绕磁通呈涡旋状的感应电 动势和电流产生，简称涡流。 涡流损耗涡流损耗：涡流在其流通路径 上的等效电阻中产生的：涡流在其流通路径 上的等效电阻中产生的I2R损耗 称为涡流损耗。损耗 称为涡流损耗。 涡流损耗与磁场交变频率涡流损耗与磁场交变频率f2、厚 度、厚 度d2和最大磁感应强度和最大磁感应强度Bm2成正 比，与材料的电阻率成正 比，与材料的电阻率 成反比。成反比。 要减少涡流损耗，首先应减小 厚度，其次是增加涡流回路

10、中 的电阻。电工钢片中加入适量 的硅，制成硅钢片，显著提高 电阻率。要减少涡流损耗，首先应减小 厚度，其次是增加涡流回路中 的电阻。电工钢片中加入适量 的硅，制成硅钢片，显著提高 电阻率。126. 铁耗 铁耗铁耗：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和 涡流损耗是同时发生的。因此，在电机和变压器 的计算中，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将 磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为 铁心损耗，简称铁耗。：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和 涡流损耗是同时发生的。因此，在电机和变压器 的计算中，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将 磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为 铁心损耗，简称铁耗。 铁

11、耗铁耗 pFe fBm2。其中。其中12，与材料性质 有关。对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通 密度范围内与材料性质 有关。对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通 密度范围内(1TBm1.8T)， 有， 有式中，式中，CFe铁心的损耗系数；铁心的损耗系数；G铁心重量。铁心重量。1.32 FeFempCfB G13二、电机中的基本电磁定律1.电路定律 基尔霍夫电流定律： 在电路中，对任意一个节点，电流的代数和恒等于 零。对于正弦交流电路，有基尔霍夫电流定律： 在电路中，对任意一个节点，电流的代数和恒等于 零。对于正弦交流电路，有0i 0I 14 基尔霍夫电压定律： 在电路中，对任何一个回路，若沿

12、某一方向环绕一 周，则回路内各段电压的代数和恒等于零。或任何 一个回路内所有电动势的代数和恒等于所有电压降 的代数和。对于正弦交流电路，有基尔霍夫电压定律： 在电路中，对任何一个回路，若沿某一方向环绕一 周，则回路内各段电压的代数和恒等于零。或任何 一个回路内所有电动势的代数和恒等于所有电压降 的代数和。对于正弦交流电路，有0 u eu 或或0 UEU 或或152. 磁场基本知识 磁通密度（简称磁密 或磁感应强度磁通密度（简称磁密 或磁感应强度)B SdSB若对于均匀磁场，若B与S垂直，则BS磁场强度磁场强度H HB磁势磁势： NiF N磁链磁链：磁通量磁通量163.电生磁-全电流定律 全电流

13、定律（安 培环路定律）： 磁场强度沿任意 的闭合路径的线 积分等于闭合路 径包围的导体电 流的代数和。全电流定律（安 培环路定律）： 磁场强度沿任意 的闭合路径的线 积分等于闭合路 径包围的导体电 流的代数和。 电流是产生磁场 的源。电流是产生磁场 的源。H dlNi 17 123ll dlHdlIII183.电生磁-全电流定律 当磁路由不同材料构成时，可以将整个磁路按材料 及截面积的不同分成当磁路由不同材料构成时，可以将整个磁路按材料 及截面积的不同分成n段，每段内磁通密度和磁场 强度处处相等，全电流定律可写成段，每段内磁通密度和磁场 强度处处相等，全电流定律可写成 对于右图，有对于右图，有

14、1nkk kHlNi 31 12 2 1k k kNiH lH lH lH194. 磁生电法拉第电磁感应定律 只要与线圈交链的磁链只要与线圈交链的磁链 发生了变化，线圈内 就会感应出电动势。发生了变化，线圈内 就会感应出电动势。 感应电动势倾向于在线 圈内产生电流，以阻止感应电动势倾向于在线 圈内产生电流，以阻止 的变化。的变化。 当电动势的正方向与磁 通方向符合右手螺旋法 则，则当电动势的正方向与磁 通方向符合右手螺旋法 则，则dtdNdtde20 感应电动势的分类：感应电动势的分类： 变压器电动势：线圈和磁场相对 静止，由于和线圈交链的磁通本 身随时间变化而产生的感应电动 势。变压器电动势

15、：线圈和磁场相对 静止，由于和线圈交链的磁通本 身随时间变化而产生的感应电动 势。 运动电动势：由于线圈和磁场之 间存在相对运动导致线圈中磁链 发生变化而产生的感应电动势， 也称为切割电动势。运动电动势 的方向用右手定则确定。运动电动势：由于线圈和磁场之 间存在相对运动导致线圈中磁链 发生变化而产生的感应电动势， 也称为切割电动势。运动电动势 的方向用右手定则确定。dtdNdtdeeBlv215. 电磁力定律 磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。对于 长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力 大小的公式为磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。对于 长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力 大小的公式为 F=B l i 。这就是通常所说的电磁力 定律，也叫毕奥。这就是通常所说的电磁力 定律，也叫毕奥-萨伐电磁力定律。式中电磁力萨伐电磁力定律。式中电磁力F 、磁场、磁场B和载流导体和载流导体 l 的关系由左手定则确定。普 通电机中，的关系由左手定则确定。普 通电机中，l 通常沿轴线方向，而通常沿轴线方向，而B沿径向方向。沿径向方向。22三、磁路基本定律及其计算方法 1. 磁路基本定律 磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁 通行经的路径。 磁动势磁