电力拖动电机知识

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1、电力拖动电机知识电力拖动电机知识第 1 章 电磁学的基本知识 与基本定律电机是实现电能与机械能转换的装置，这种转换是通过电磁场来完 成的，只有深入分析电机内部的电磁过程，才能了解电机的各种特性。 电磁场的抽象性，增加了该课程的难度第 1 章 预备知识-电磁学的基本知识与基本定律本章内容: ?电磁学的基本知识与基本定律； ?常用磁性材料（铁磁材料与永磁材料）及其特 性。1.1 电路的基本定律? 基尔霍夫电流定律(KCL)：在电路节点上 基尔霍夫电压定律（KVL）：在闭合回路中ik =1n k =1nk=0=0Vk1.2 磁场的基本知识通电导体周围会产生磁场，磁场是一个矢量。 用磁通密度（简称磁密

2、）或磁感应强度)B 描述磁场的强弱。 为形象描绘磁场的空间分布情况，通常使用磁感应线 磁力线 磁力线。 为形象描绘磁场的空间分布情况，通常使用磁感应线磁力线。 用带有方向的闭合曲线表示磁力线，曲线上任意点的切线方向表示磁感 应强度 B 的方向。通过该点垂直于 B 的单位面积的磁感应线数目等于 该点 B 的大小。 磁力线方向：NSB 的单位为 T，特斯拉 电流与所产生的磁场方向用 右手螺旋法则确定。磁感应强度 B 表示了单位面 积上的磁通，故又被称为 磁通密度。图 1.1 磁力线与电流之间的右螺旋关系磁通量磁感应强度的通量。 即穿过某一截面积 S 的磁力 线总量。 单位为：Wb，韦伯 = B ?

3、 dSS(1-1)对于均匀磁场，若 B 与 S 垂直，则上式变为 = BSB =/S21 T = 1Wb / m若 B 与 S 不垂直，S 的法线与 B 的夹角为 ，则上式变为 = BS cos 载流导体会在周围介质中产生磁场形成磁路，同样大小的 电流在周围介质中所产生的磁感应强度 B 的大小会因为介质的磁 导率不同而有很大的不同！在磁路计算中，为了计算上的方便， 还引入磁场强度 H 这一辅助物理量。磁场强度 H介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比。H = B/B = H(1-2)它表示在磁场中，若充满不同的介质，不同质点处的 H 是相同的，与介质无 关；但 B 会因为介质的不同而不

4、同。H 的单位：安/米(A/m)；磁导率的单位: 亨/米(H/m) 真空的磁导率 为一常数0 = 4 10 H / m7铁磁材料的 磁导率不是常数， 一般为= r 0铸钢材料的相对磁导率为 矽钢材料的相对磁导率为 r = 6000 7000 r = 1000在同样大小的电流下，铁心线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多，这就是 电机和变压器通常都用铁磁材料来制造的原因。在电路中，电流 I 是由电动势 E 产生的； 在磁路中，磁通 是由磁动势 F 产生的。 磁动势： 磁动势 流过线圈电流 i 与线圈匝数 N 的乘积。F = Ni磁阻： 和电路中的电阻一样，磁路中也定义磁阻 Rm，它对 磁阻 磁通起阻碍

5、作用 l 其中 l 为磁路平均长 Rm = 度，s 为磁路截面积 s磁路的欧姆定律： 磁路的欧姆定律F = Rm 磁链： 磁链 表示 N 匝线圈所匝链的总磁通(单位：Wb 韦伯)。 = NF = Ni = N电生磁， 磁变生电1.3 基本电磁定律电生磁的基本定律安培环路定律（磁动势、磁 电生磁的基本定律 安培环路定律（磁动势、 安培环路定律 压降） 压降） 磁变生电的基本定律法拉第电磁感应定律 磁变生电的基本定律 法拉第电磁感应定律 电磁生力基本定律电磁力定律 电磁生力基本定律 电磁力定律 磁路的欧姆定律1.3.1 电生磁的基本定律安培环路定律 电生磁的基本定律 的基本定律 安培环路定律安培环

6、路定律也称全电流定律。是表示电流与所产生的磁场之间关系的定律。设空间有多根载流导体，流过的电流分别为： I 1 , I 2 , L , I n 则沿任何闭合路径 l 对磁场强度 H 的线积分， 等于该闭合回路所包围的电流的代数和。 电流的正负由右手螺旋定则确定。 对于例图有：HLdl =I1I2IklI6 H ?dl = ILk= I1 ? I 2 + I 3 + I 4 ? I 5dlI3I4把磁路分成若干段，几何形状相同的为一 段。如此，H 沿整个磁路的线积分就等于每 段磁路磁场强度与磁路长度乘积之和，即：I5 H ?dl = HL k =1nk kl = I = NI=F若闭合磁力线上

7、H处处相等,则上式变为:Hl = Ni(1-3)电生磁的基本定律 安培环路定律 电生磁的基本定律安培环路定律（续） 的基本定律 安培环路定律（HLdl =Hk =1nk kl =I= NI = FH k lk 称为第 k 段磁路的磁压降，F=NI 为作用在整个磁路上的磁动势(磁动势的单位：安匝)。k H k lk = lk = lk = k Rmk k k Sk BkH = B/ = BSm对于无分支磁路，由于各段磁路的磁通是相 R 等的，则全电流定理可以写成：F = NI =lsHk =1nk kl =k =1nkR mk = R mk = R mk =1n注意：在铁磁材料构成的磁路中，由于

8、磁路有饱和非线性现象，Rm 不为恒值。故磁路欧姆定律常用作定性分析，不用于定量计算。1.3.2 磁变生电的基本定律法拉第电磁感应定律 磁变生电的基本定律 法拉第电磁感应定律 的基本定律能在线圈中产生感应电动势只有两种情况： 一、绕组和磁场无相对位置运动，与绕组相交链的磁链 = N 发生 变化而在绕组中产生感应电动势变压器电动势； 二、绕组和磁场间有相对位置运动，绕组中的导线切割磁场而产生感应 电动势切割电动势。 变压器电势： 大小与磁链的变化率成正比，方向由楞次定律确定：d d e=? = ?N dt dt(1-4)图 1.2 磁通与其感应电势的正方向假定 电动机惯例设定的参考方向楞次定律：

9、楞次定律：闭合线圈中感应电流的方向总是使得它 自己所产生的磁场反抗原来磁通量 的变化。参考正方向：一般先选定 的参考 参考方向，再用右手螺旋定则确定 e 的参考 参考 参考方向。 参考 分析： 分析：当d/dt0 时,e 产生的 应该与原来的 方向相反（指向下） ，对应的感应 电流由 X 流向 A，对应 e 与参考方向相反，为负；当d/dt0 时,e 产生的 应该与原来 的 方向相同（指向上） ，所以 e 和 d/dt 总是有相反的符号。d d = ?N 变压器电势： e = ? dt dt当磁通按正弦规律变化时，即:则式（1-4）变为:磁变生电的基本定律 法拉第电磁感应定律 磁变生电的基本定

10、律法拉第电磁感应定律 续) 的基本定律 法拉第电磁感应定律(续(1-4) = m sin t=2fe(t ) = 2fN m sin(t ? 90 0 ) = 2 E sin(t ? 90 0 )若取& m = m 0 o 为参考相量，则：& & E = ? j 4.44 fN m(1-5)2fN m = 2 E E= 2 fN m 2图 1.3 磁通 (t)超前感应电势 e(t) 90?的相量图速度（切割、电机）电势：设磁场的磁感应强度（磁密）为 B，切割磁力线的导体长度 设磁场的磁感应强度（磁密） 切割速度为 v 三者之间互相垂直， 为l，切割速度为 v，三者之间互相垂直，则导线中感应电势

11、大小 为：(1-13) e = Blve 的方向用右手定则确定。 的方向用右手定则确定。图 1.4 感应电势与磁场、导体运动速度之间的右手定则1.3.3 电磁力定律通电导体在磁场中受到磁场对它的 作用力称为电磁力。也称安培力。 作用力称为电磁力。也称安培力。设直 导线 l 与磁感应强度 B 的方向垂直， 导线 l 与磁感应强度 B 的方向垂直，受力 方向用左手定则确定。 方向用左手定则确定。f em = Bil(1-15)图 1.5 通电导体产生的电磁力与电流、磁场之间的左手定则1.3.4 磁路的欧姆定律电流所经过的路径称为电 磁通 路，磁通 所经过的路径称为 磁路。 磁路。通常用高磁导率材料

12、组 成磁路，通过磁路将磁通约束 成磁路， 在特定的路径中。 在特定的路径中。对于均匀磁 路： Bl lF = Ni = Hl =S= Rm(1-15)图 1.6 变压器的简单磁路1.3.4 磁路的欧姆定律l F = Ni = Hl = = = Rm S Bl(1-15) 其中，l Rm = S1 m = Rm定义为磁路的磁阻 磁阻。 磁阻 定义为磁导，反映 磁导， 磁导 材料的导磁能力。由于式(1-15)与电路的欧姆定律相似,故又称为磁路的欧姆定律。磁路的欧姆定律。 磁路的欧姆定律1.3.5 线圈电感 线圈电感在有线圈的电路中， 在有线圈的电路中，通常把单位电流所产生的磁链定义为线 圈的电感

13、L 单位为 H 于是有： 圈的电感 L，单位为 H，亨利。于是有： l 根据 = N 和式： F = Ni = L = = Rm S i N N Ni N 2 S L= = = = = N2 i i i Rm Rm l(1-19)电感与励磁线圈匝数的平方、 磁导率及铁心截面积成正比， 与磁路长度成反比。1.4 常用磁性材料及其特性1.4.1 铁磁材料的磁化及磁滞回线在非铁磁材料中，磁感应强度与磁场强度成正比， 在非铁磁材料中，磁感应强度与磁场强度成正比， B = 0 H 即： 在铁磁材料中， 是非线性关系， 在铁磁材料中，B 与 H 是非线性关系，即B=f(H) 是一条曲线，称为磁化曲线。 B

14、 = r 0 H 是一条曲线，称为磁化曲线。 Bl F = Ni = Hl = 图 1.12 铁磁材料与非铁磁材料的磁化曲线图 1.11 磁性材料的磁滞回线图 1.10 铁磁材料的磁化1.4.2 磁化曲线与饱和现象改变磁动势 F 的大小和方向， 改变磁动势 F 的大小和方向，使 磁场强度 H=F/l=Ni/l 在 HmHm 之间 磁场强度 H=F/l=Ni/l 在-HmHm 之间 反复周期变化，所得 B=f(H)关系曲 反复周期变化，所得 B=f(H)关系曲 称为铁磁材料的磁滞回线。 线，称为铁磁材料的磁滞回线。 B 的变化总是滞后于 H 的变化， 的变化总是滞后于 H的变化， 这种现象称为磁

15、滞现象。 这种现象称为磁滞现象。Br：称为剩余磁感应强度； Br：称为剩余磁感应强度； Hc：矫顽力（转折磁场强度） 。 Hc：矫顽力（转折磁场强度） 。图 1.12 铁磁材料与非铁磁材料的磁化曲线B = r 0 H同一铁磁材料在不同的 Hm 下有 同一铁磁材料在不同的 Hm 下有不同的 下有不同的 磁滞回线，把这些回线的顶点（Bm） 磁滞回线，把这些回线的顶点（Bm）连接 起来就是该铁磁材料的基本磁化曲线 基本磁化曲线。 起来就是该铁磁材料的基本磁化曲线。1.4.3 软磁材料与硬磁材料软磁材料：容易被磁化，但剩磁较小； 如矽钢片、铸钢、铸铁和铁氧体等，常用作磁路材料 硬磁材料：不容易被磁化，

16、也不容易去磁； 如铷铁硼、铁钴钐等稀土永磁材料，制成永磁体 图 1.13 铁磁材料的磁滞回线1.4.4 铁磁材料中的铁耗磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场 交变磁场 磁滞损耗：铁磁材料在交变作用下，内部磁畴周期倒转方向， 作用下，内部磁畴周期倒转方向， 磁畴间会相互摩擦发热而耗能； 磁畴间会相互摩擦发热而耗能； 磁滞回线面积越大(硬磁材料) 磁滞回线面积越大(硬磁材料)，磁滞损耗越大。 磁滞损耗越大。磁滞损耗: 磁滞损耗 Hysteresis (1-9)2 p h = K h f HdB = C h fBmV与材料有关的常数磁滞损耗系数铁心体积反 抗 磁 通 涡流损耗：通过铁心的磁通发生交变时， 交变时 涡流损耗：通过铁心的磁通发