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1、第7章 机电能量转换原理,7.2 磁路及其分析方法,7.5 电能与机械能的转换,7.6 工程应用,7.1 电与磁,7.3 交流铁心线圈电路,7.4 变压器,2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；,4.了解三相电压的变换方法；,本章要求：,第7章 磁路与铁心线圈电路,5. 了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。,1. 理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；,7.1 电与磁,电磁学发展的过程：,电学的发展：库仑定律,电磁感应现象的发现：法拉第电磁感
2、应定律,电产生磁的发现：安培定律,电磁关系的准确阐述：麦克斯韦方程,7.2 磁路及其分析方法,7.2.1 磁路,7.2.1 磁路：,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,1 磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀
3、强磁场。,7.2.2 磁场的基本物理量,2 磁场强度H,磁场强度H ：计算磁场时引出的物理量。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),磁场强度的计算：介质中某点的磁感应强度 B 与介质磁导率 之比。,3 磁通,磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中 = B S 或 B= /S,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,磁通 的计算:,注：磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁感应强度为磁通密度。,真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,4 磁导率,磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡
4、量物质 的导磁能力。,相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有：,所以磁通 与产生此磁通的电流 I 成正比，呈线性关系。,当磁场媒质是非磁性材料时，有：,即 B与 H 成正比，呈线性关系。,由于, 0 r 1,B = 0 H,( ),( I ),7.2.3 磁性材料的磁性能,磁性物质,磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在外
5、磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,磁 畴,外 磁 场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁 畴,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,磁性材料主要指铁、
6、镍、钴及其合金等。,磁性材料的磁性能,1 磁滞性,几种常见磁性物质的磁化曲线,2 高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,3 磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁
7、场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成 正比
8、。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B和与H的关系,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。 (2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 (3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,7.2.4 磁路计算的基本原理与方法,1 磁通连续性原理
9、与磁路基尔霍夫第一定律,各磁支路的磁通分别为1、2和3，方向如图，取封闭面S 如图中虚线球面，,由磁通连续性原理：Bds=0 得： 1+2-3=0 即：穿入（穿出记为负）任一封闭面的总磁通量等于0，可以记为： =0 （7.2.3） 称为磁路基尔霍夫第一定律。,显然，磁路基尔霍夫第一定律也可叙述为：穿入任一封闭面的磁通等于穿出封闭面的磁通，即：1+2=3,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。,安培环路定律电流正负的
10、规定：,安培环路定律（全电流定律）,2 全电流定律与磁路基尔霍夫第二定律,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,磁路基尔霍夫第二定律： 在磁路中沿任何闭合磁路径上，磁动势的代 数和等于磁压降的代数和， F=HL,线圈匝数与电流的乘积NI ，称为磁动势，用字母 F 表示，则有 F = NI 磁通由磁动势产生，磁动势的单位是安培。,例: 环形线圈如图，其中媒质是均匀的， 试计算 线 圈内部各点的磁场强度。,解: 取磁通作为闭合回线，以 其 方向作为回线的围绕方向，则有：,式中：N 线圈匝数； lx=2x是半径为x的圆周长； Hx 半径x处的磁场强度； NI 为线圈匝
11、数与电流的乘积。,故得：,例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感应强度。,解：半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性() 无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,3磁路的欧姆定律,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律,环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率 为， 试计算线圈内部 的磁通 。,解：根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为 l，则有,1） 引例,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；
12、l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,2） 磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则,即有：,此即磁路的欧姆定律。,4电磁感应定律,电磁感应定律在磁路计算中可决定电动势与磁通量或磁通密度的关系，或计算磁路的磁导与电路的电抗的关系。,（1）线圈感应电动势,设交变磁通量与线圈N 匝完全交链，磁链数为 =N 当磁通量的正方向与感应电动势正方向符合右螺旋定则时，电磁感应定律为： e =-d/dt=-Nd/dt 即线圈感应电动势与线圈匝数和磁通变化率成正比，负号是楞次定律的反映。,楞认定律表明：感应电动势的实际方向是：它总是企图产生感应电流，使感应电流产生的磁通量总是企图阻
13、碍引起感应电动势的磁通量的改变。,电机中常见的磁通量随时间按正弦规律变化，设,=msint,式中=2f 磁通变化的角颇率，单位为rad/s,式中Em=Nm感应电动势的最大值,即磁通随时间正弦变化时，线圈的感应电动势也随时间正弦变化，但相位上滞后磁通90度。,e =-Nd/dt=-Nmcost=Emsin (t-900),（2）运动电势,当导体在磁场中运动而切割磁力线时，导体将感应电动势，称为运动电势(或者切割电动势)。,若磁力线、导体和运动方向三者互相垂直，则导体的感应电动势为,式中B磁感应强度，单位为T , l 长直导体的长度，单位为m , v 直导体切割磁力线的线速度，单位为m /s,沿直
14、导体l上感应电动势e的方向由右手定则决定。应当指出，上式中的v，既可以是直导体切割磁力线，也可以是磁力线切割直导线的相对线速度。,E=Blv,5电磁力定律,载流导体在磁场中受到电磁力的作用，当磁场与导体互相垂直时，作用在导体上的电磁力为：,F=BlI,式中B 磁感应强度，单位为T , l 长直导体的长度，单位为m , I 导线中的电流，单位为A， F作用在导体上与磁场垂直方向的电磁力，单位为N,力的方向与磁场和导体相垂直，按左手定则决定。上式称安培力公式或电磁力公式。,磁路与电路的比较,6 磁路计算方法,磁路分析的特点,(2)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,(4)在
15、处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,(1)在电路中，电动势的方向与电流方向一致（或者相反），但在磁路中，产生磁动势的电流与磁动势的正方向之间符合右手螺旋法则。,磁路分析的特点,(5)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,(6)在线性电路中，计算时可以用叠加原理，但在磁路计算中，只有不考虑饱和效应时才能用叠加原理，而随着磁密的增高，具有铁心的磁路必然越来越趋近于饱和。,(7)电路中电流要引起 的功率损耗，而磁路中只有当磁通交变时才引起铁耗。,磁路的分析计算,主要任务: 预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI ， 确定线圈匝数和励磁电流。,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为：,即,基本步骤: （由磁通 求磁势F=NI ）,(2) 求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：,(3) 求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B相对应的H,(4) 由各段磁场强度和磁路平均长度计算各段磁路的磁压降
