电机中的能量转换与磁路

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1、0.4 0.4 电机中的能量转换与磁路电机中的能量转换与磁路0.5 与磁路相关的基本物理定律 0.6 铁磁材料及其特性第二讲 电机中的能量转换与磁路0.7 0.7 磁路分析磁路分析0.4 0.4 电机中的能量转换与磁路电机中的能量转换与磁路0.4.1 0.4.1 电机中能量转换的两个实例电机中能量转换的两个实例心式变压器心式变压器 壳式变压器壳式变压器变压器变压器 心式变压器平面示意图心式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图同步发电机工作原理发电机发电机 同步电机机械能到电能转换过程机械端口转子定子绕组定子铁心 电端口ABCS N定子铁心定子绕组转子铁心转子绕组0.4.2

2、0.4.2 能量转换装置中的磁场与磁路能量转换装置中的磁场与磁路 一个重要物理量是磁场的一个重要物理量是磁场的磁通（磁通（fluxflux）。 而磁通所通过的路径就是而磁通所通过的路径就是磁磁 路路(magnetic circuit)(magnetic circuit)。从图可以看出，变压器和旋从图可以看出，变压器和旋 转电机中的磁路主要由铁磁转电机中的磁路主要由铁磁 材料构成，相应的磁路称为材料构成，相应的磁路称为 铁心磁路铁心磁路。 单相变压器单相变压器i1输入电能电能磁场输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。磁 场

3、机械能电能在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要 条件也是因为其中存在一个耦合磁场。条件也是因为其中存在一个耦合磁场。旋转电机旋转电机电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。磁通所通过的路径就是磁路。磁路主要由铁磁材 料构成，称为铁心磁路。 0.4.30.4.3变压器与发电机磁路的形成（动画）变压器与发电机磁路的形成（动画）发电机磁极单独存在时磁路发电机磁极与定子铁心构成的磁路有线圈有铁心时磁路有线圈没有铁心时磁路2 2）磁通密度）磁通密度 也叫磁感应强度。单位也叫磁感应强度。单位 特斯拉（特斯拉（T T）。）。1 1）磁通）磁通 可以直观

4、地理解为磁路中所包含地磁力线条数。单可以直观地理解为磁路中所包含地磁力线条数。单 位位 韦伯（韦伯（WbWb）0.5 与电机磁路相关的基本物理定律 0.5.10.5.1与磁路相关的几个重要物理量与磁路相关的几个重要物理量3 3）磁导率）磁导率 磁导率 表示物质导磁能力的大小。真空磁导率为真空磁导率为 ， H/mH/m。 空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁 导率都近似等于导率都近似等于 。称为。称为非铁磁物质非铁磁物质。 还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这 类材料称为类材料称为铁磁物质铁磁

5、物质，比如，铁、镍、钴及其合金，比如，铁、镍、钴及其合金 等。等。而磁通密度则分别为而磁通密度则分别为因为因为 是是 的数千倍，所以铁环中的数千倍，所以铁环中 的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r r的圆周上的圆周上 有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为 ，4 4）磁场强度）磁场强度 ，单位为，单位为A/mA/m。它与磁感应强度的关系。它与磁感应强度的关系 在一般的情况下可表示为在一般的情况下可表示为 。需要注意的是，。需要注意的是， 磁

6、场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之 积才能反映磁场的强弱。积才能反映磁场的强弱。 能量转换需要磁场-磁场由电流产生磁场强弱与产生该磁场的电流是什么关系?由全电流定律来描述H-i 之间关系0.5.20.5.2全电流定律（安培环路定律）全电流定律（安培环路定律）安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场 强度 的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数 和。注：若 与 符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为 的方向，四指为 方向。1 1）全电流定律一般形式）全电流定律一般形式螺管线圈线圈: :作用在磁路上的安匝数作用在磁路上的安匝

7、数称为磁称为磁 路路磁动势磁动势，用，用 表示，单位表示，单位 A A。2)2)电机分析中常用的简化形式的全电流定律电机分析中常用的简化形式的全电流定律下图为均匀密绕螺管线圈，有下图为均匀密绕螺管线圈，有对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路，所以也可得下式。单线圈铁心磁路单线圈铁心磁路带气隙的铁心磁路带气隙的铁心磁路 若磁回路中存在气隙（分段均 匀磁路）。 当气隙长度 远远小于两侧的 铁心截面的边长时，认为铁心 和气隙中为均匀磁场，则 式中，式中， 和和 分别为铁心和气隙上的磁压降，可见，分别为铁心和气隙上的磁压降，可见， 作用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。作

8、用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。 讨论讨论1 1 磁路包含气隙时的全电流定律磁路包含气隙时的全电流定律对于下图所示铁心上绕有匝数分别为对于下图所示铁心上绕有匝数分别为 与与 两个绕组，两个绕组， 分别通入电流分别通入电流 与与 的情况，作用于磁路上的总磁动势的情况，作用于磁路上的总磁动势 则为两个线圈安匝数的代数和，于是则为两个线圈安匝数的代数和，于是多线圈铁心磁路多线圈铁心磁路讨论讨论2 2 磁路包含两个线圈时的全电流定律磁路包含两个线圈时的全电流定律描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即， 作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。作

9、用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。 由于由于B=H 1 1）均匀磁路的欧姆定律）均匀磁路的欧姆定律0.5.3 磁路的欧姆定律与电感 得得: :磁路的磁阻，磁路的磁阻，A/A/WbWb: :磁路的磁导，磁路的磁导，WbWb/A/A思考：从磁路欧姆定律出发，磁路中磁通 的大小 受哪些因数的影响？其中: 铁心部分对应的磁阻: 气隙部分对应的磁阻 2）分段均匀磁路的欧姆定律: 铁心中消耗的磁动势 : 气隙中消耗的磁动势思考：思考：假设铁心长度假设铁心长度 与气隙长度与气隙长度 比为比为1000/11000/1；铁心磁；铁心磁导率导率 与气隙磁导率与气隙磁导率 比为比为6000/1,6000/1,那么

10、线圈电流那么线圈电流产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什么比值关系？么比值关系？两边同乘以线圈的匝数两边同乘以线圈的匝数 ，则等式左边得到的是线圈，则等式左边得到的是线圈 的磁链的磁链 ：3)3)线圈的电感线圈的电感由于：由于： 所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系可见，电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的可见，电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的 磁导成正比。磁导成正比。对于：对于：随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率 减减小，相应的磁导、电抗也要减小。小，相应

11、的磁导、电抗也要减小。电抗电抗 随着频率随着频率 、匝数匝数 、磁阻磁阻 的变化而变化。的变化而变化。4)4)交流线圈的电抗交流线圈的电抗0.5.4 电磁感应定律1)1)电磁感应定律电磁感应定律 线圈感应电动势线圈感应电动势 与磁通与磁通 的正方向之间符合右手的正方向之间符合右手 螺旋关系。电磁感应定律可表示为：螺旋关系。电磁感应定律可表示为： 电感为常数，对于只有一个电感为常数，对于只有一个 线圈的情况，得到我们所熟线圈的情况，得到我们所熟 悉的公式悉的公式 感应电势的正方向感应电势的正方向2)2)关于公式关于公式 如上图所示，利用右手定则，可如上图所示，利用右手定则，可 得到得到注意点：注

12、意点： a.a.该式要求导体该式要求导体 及其运动方向均及其运动方向均 与磁密与磁密 方向垂直，而且在导体长方向垂直，而且在导体长 度上各点处的磁密相等。度上各点处的磁密相等。 b.b.该公式经常用于旋转电机绕组感该公式经常用于旋转电机绕组感 应电动势的求解，但在运用时，也应电动势的求解，但在运用时，也 要注意（要注意（a a）中的适用条件。）中的适用条件。0.5.5 0.5.5 电机分析中常用其它物理定律电机分析中常用其它物理定律1)1)磁通连续性定理磁通连续性定理磁通连续性原理示意图磁通连续性原理示意图2)2)电磁力定律电磁力定律载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中载流导体在磁场中要受到

13、电磁力，若导体中电流为电流为 ，导体长度为导体长度为 ，导体所在处的磁通密导体所在处的磁通密度为度为 ，则电磁力为：则电磁力为：当电流当电流 的方向与磁密的方向与磁密 的方向垂直时电磁力大的方向垂直时电磁力大小可写为：小可写为：注：电磁力方向由注：电磁力方向由左左手定则手定则决定决定0.6 铁磁材料及其特性铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金（其它材料 称之为非铁磁材料）。将这些材料放入磁场后，材料 内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强 的磁性，此想象称为铁磁材料的磁化。未磁化 磁化后0.6.1. 铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）上图为同步电机转子线圈电 流）产生的磁场很弱（磁

14、力线 稀少）且分布在无限广阔的空 间。一旦转子插入定子，定转子磁 路中的磁场大大增强，且磁通 基本被约束在定子外圆以内的 范围。思考：为什么？因为铁磁材料的磁导率 要远远高于非铁磁材料 的磁导率 （非铁磁材料的磁导率一般都可近似认 为等于真空的磁导率 ， ）。通常 。 那么，一定的线圈电流在铁心磁路中激发的磁通比 空气磁路中磁通大得多。结论：铁心具有增磁功能结论：铁心具有增磁功能 。0.6.2 铁磁材料具有磁饱和特性铁磁材料的磁化曲线不 是一条直线， 会随铁磁材料内磁密 的变化而变化，当磁密 达到点后，铁磁材料内 磁密 呈现饱和想象， 也就是说，此时磁场强度继续增加，铁磁材 料的磁导率 会迅速

15、变 小，磁密 增加会越来 越慢。举例：饱和对铁磁材料磁化的影响举例：饱和对铁磁材料磁化的影响DW450-50DW450-50的实际磁化曲线的实际磁化曲线H H（A/mA/m）B B (T(T) )代号说明：代号说明：D-D-电工钢片，电工钢片，W-W-冷轧无取向，即各个方向冷轧无取向，即各个方向 磁导率相等，磁导率相等，450-50450-50在在5050HzHz下铁心损耗下铁心损耗4.54.5W/kg,W/kg,厚厚 度为度为0.50.5mmmm。0.6.3 铁磁材料具有磁滞特性铁磁材料进行周期性磁化所反映的：铁磁材料进行周期性磁化所反映的：磁密变化落后于磁场强度磁密变化落后于磁场强度变化，通常在电机内也可变化，通常在电机内也可理解为磁通落后于激磁电理解为磁通落后于激磁电流的现象，称为流的现象，称为磁滞现象。磁滞现象。 不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线图中黄色的曲线为该铁图中黄色的曲线为该铁 磁材料的基本磁化曲线磁材料的基本磁化曲线1 1）磁滞损耗）磁滞损耗铁磁材料的磁滞效