电器学 教学课件 ppt 作者 夏天伟 丁明道 编 _电器学_第三章

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1、电器学 第三章 电磁机构理论,作者：欧阳森 EPC of SCUT,2019/5/19,2,概述,电磁机构 构成：磁系统励磁线圈 磁系统：磁导体气隙 作用 输入：电测量元件 驱动机构：能量转换 灭弧装置的磁吹源 独立设备或元件 自动储能机构、电磁离合器等 牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁等 能量过程 做功：电磁力功和机械能 控制：电磁力指令 磁性材料及其基本特性，设计方法,2019/5/19,3,1、电磁结构的种类和特性,分类 励磁电流 交流、直流（单相、三相）； 励磁方式 并励、串励、永久磁铁、交直流同时磁化； 结构形式 内衔铁 图31 动铁心在线圈中 外衔铁 图32 动铁心在线圈外 运动

2、方式 直动式、转动式,2019/5/19,4,1、电磁结构的种类和特性,基本特性 能量转变：电能力和机械功 (静态)吸力特性 Ff() 或者 Mf(a) 此时是假定衔铁运动无限缓慢得到的特性 动态吸力特性 考虑运动过程的时间轴 机械特性/反力特性 反作用力：衔铁运动时所克服的机械负载的阻力Fr Frf(),2019/5/19,5,1、电磁结构的种类和特性,一、各类（静态）吸引特性 图31 注意：止座结构对吸力特性的影响 图32 静态吸力特性的成立条件 电路参数始终保持不变 或者运动过程无限慢 吸力特性与能量特性 P70 衔铁的运动实质就是其做功的过程,2019/5/19,6,动态特性分析,电流

3、、磁通、磁链、吸力、速度等与气隙或时间之间的关系 电磁系统的工作循环 参考：图33 电流：Ic、Iw、Ib 动作过程对应tdtctx 触动阶段对应tc 尚未克服反作用力 吸合运动阶段对应tx 吸力大于反作用力 或者吸力总功大于反作用力总功 释放过程 开释阶段：吸力大于反作用力 返回运动阶段：吸力小于反作用力,2019/5/19,7,1、电磁结构的种类和特性,机械特性/反力特性 本质：负载特性 与吸力特性的统一 衔铁的吸合：电磁吸力为主 释放和复合：反作用力为主 参考图34,2019/5/19,8,2、磁性材料及其基本特性,常用(铁)磁性材料 铁、镍、钴、钇 合金 特点：磁导率为真空的几百甚至几

4、千倍 顺磁性材料 空气、铝等：磁导率比真空略大 逆磁性材料 氢、铜等：磁导率略小于真空 (铁)磁性材料特点：磁导率高或极高 非线性磁特性： 磁感应强度B和磁场强度H,2019/5/19,9,电磁学回顾,磁感应强度B（T） 因材料而异：磁导率单位H/m 与其垂直的单位电流元所受的力 毕奥沙伐尔定律 磁场强度H（A/m） 毕奥沙伐尔定律 磁场计算以H计算较为方便 磁压降(磁路的欧姆定律)： 安培(全电流)定律： 磁通计算： 磁场强度H的含义： 单位长度磁路上消耗的磁势 单位长度磁路上的磁压降,2019/5/19,10,2、磁性材料及其基本特性 P71,磁畴 铁磁物质内部磁场范围的相对独立的天然磁化

5、区 排列杂乱以致总体对外呈无磁性 外界磁场作用下形成一致对外磁性否则无磁性 可磁化至饱和状态 各向异性：图35 磁化的方向性 居里点 临界温度值 磁性材料在此温度或以上，磁畴消失，变为顺磁材料,2019/5/19,11,2）磁化曲线和磁滞回线,原始/起始磁化曲线 磁性材料去磁后，H逐步增大，B也逐步增大的曲线 图36中的oc段 膝点a和oa段 磁化通过磁畴界壁转移进行 不消耗能量，过程可逆 磁导率为常数，且与磁场强度H无关(B H) 膝部ab段 大部分磁畴趋向外磁场方向 消耗能量，过程不可逆 巴克豪森效应 磁化呈阶梯现象 磁畴突然转向产生感应电动势，出现响声 特别大：较小的外磁场变化可导致较大

6、的磁感应 某处出现磁导率的最大值max,2019/5/19,12,2）磁化曲线和磁滞回线,饱和段bc 未转向磁畴很少 需要消耗更多能量和更强的外磁场 磁导率减小 饱和状态c点及以后 所有磁畴方向与外磁场一致饱和 磁导率接近真空 过程可逆,2019/5/19,13,2）磁化曲线和磁滞回线,原始磁化曲线 去磁的磁性材料磁化过程 图36中的oc段（过程不可逆） 此时，逆向的H变化会使B沿ce曲线变动 磁滞回线 图36中的基本闭合的外围曲线、图37 多次重复后，达到稳定状态的磁化过程 磁滞：B的变化总迟于H 主要特征参数 饱和磁感应Bs（c点） 剩磁（e、k点）：H0时的磁感应强度B 矫顽力（f、m点

7、）：B0时的磁场强度H,2019/5/19,14,2）磁化曲线和磁滞回线,注意： 交流磁化曲线和直流磁化曲线不同 交流磁滞回线和直流磁滞回线不同 P73 实际使用的磁化曲线基本/平均磁化曲线 图37 若干不饱和对称磁滞回线顶点连接而成 原始/起始磁化曲线仅是实验室状态下的曲线 注意： 任一种磁性材料的磁化曲线均因工艺、结构、工作环境而不同，没有固定的函数关系,2019/5/19,15,3）铁损和损耗曲线,铁损 因磁滞和涡流现象导致的功率损耗 正比于：磁通密度的平方 正比于：磁通交变频率的1.21.3次方（磁滞回线变宽） 涡流：感应电流围绕磁通呈现的旋涡状流动 磁滞损耗 外加交变磁场作用造成 与

8、励磁电流的频率和磁滞回线的面积成正比 铜耗 焦耳热的反应，如铜等 损耗曲线 图38 铁损与磁感应强度和频率的函数 实验曲线,2019/5/19,16,4） (铁)磁性材料,软磁材料 矫顽力小，小到百分之几A/m 磁滞回线较窄 磁导率不高，剩磁也不大磁滞现象不明显 硬磁材料 矫顽力大，达数十万A/m 磁滞回线较宽 最大磁能积（BH ）大 可制作永磁铁 经适当充磁后，能长久保持较强的磁性,2019/5/19,17,软磁材料种类,电工纯铁 电解铁、羊炭基铁、工程纯铁 仅作为直流电磁机构的磁导体 硅钢 硅元素的作用：P73 适用于：交流电磁机构 高磁导率合金 铁镍合金（坡莫合金） 磁滞回线接近矩形Br

9、 .Bs 缺点：电阻率较小，不能承受机械应力 适用于： 自动及通信装置中的变压器、继电器 特高磁导率的电磁元件,2019/5/19,18,软磁材料种类,高频软磁材料 铁淦氧（铁氧体） 相对磁导率较小，仅数千 矫顽力很小，电阻率极大 适用于：高频弱电电磁元件 非晶态软磁合金 液体过渡态的合金 磁性能与坡莫合金相近 机械性能远大于坡莫合金,2019/5/19,19,硬磁材料,硬磁材料特点 磁滞回线宽 磁能积BH较大 常用于永久磁铁充磁后磁性能维持较长时间 常用种类 铸造铝镍钴系 粉末烧结铝镍钴系 钡、锶、铁的氧化物 烧结的铁氧体材料 稀土钴系材料：稀土钴族元素钴 钐钴、谱钴、谱钐钴等 稀土永磁材料

10、：铵铁硼,2019/5/19,20,3、电磁机构中的磁场及其路化,磁场 磁场是一种特殊的物质 磁场是电流所建立的一种空间 电流之间相互作用力的中介 磁场对电流的作用力微观上，是对运动电荷的作用力洛仑兹力 左手定律 图39 B与其垂直的单位电流元所受的力 注： 磁系统的吸力通常十分复杂，不能直接用安培公式计算 磁场对电流的作用与产生磁场的原因无关 电机中的并励、串励等,2019/5/19,21,磁场,磁感应强度的一个解释： 式33 相当于作用在载有单位电流的单位长度导体上的、可能的最大磁场力 磁力线/磁通线： 人为引入的曲线 曲线上每一点的切线方向与该点磁场的方向一致 密度与B值成正比 B的另一

11、解释：磁通密度 磁通管 通过磁场内任一闭合曲线所有磁力线 概念实质化：磁通在磁通管内的流动,2019/5/19,22,Review磁场的基本性质,磁场的叠加性 给定边界条件下磁场分布的唯一性 确定边界条件后，磁场解唯一 磁力线和等磁位线的互易性 两者是正交的,2019/5/19,23,2）磁场的基本性质,磁通连续性原理 磁力线是连续不间断的 数学形式 进入任一封闭曲面的磁通恒等于流出量 注：dA的方向 图310 微分形式（散度等于零） 磁场重要性质： 磁场的任一点上，磁感应强度B既无源，也无汇，磁力线是闭合曲线。那么，磁场是无源场。,2019/5/19,24,安培环路定律/全电流定律,磁场重要

12、性质：安培环路定律 注：I的方向 图310 磁场强度H沿任一闭合回路l的线积分等于穿越该回路界定面积所有电流代数和 微分形式 磁场是有旋场 反映：磁场与建立它的电流之间的关系 标量磁位和磁压降 标量磁位：无物理意义的纯计算量 磁压降/标量磁位差 注：该值与积分路径有关（图311）,2019/5/19,25,磁场的路化,磁通管 图312 管内处处与B平行 磁通沿着磁通管流动 等磁位面 磁场空间中磁位相等的所有点 等磁位线与磁力线相互正交 路化 将磁通管和等磁位面划分为一些集中块 简化： 集中化：磁通集中在磁性材料中 磁性材料作为主磁通管 剩余空间的磁通作为漏磁通 磁阻：磁通管对磁通的阻碍作用,2

13、019/5/19,26,磁场的路化,图313 大多数电磁机构的磁通分布很集中 磁导体磁导率为空气的数千倍 主磁通在磁导体中流动 漏磁通存在于磁导体外的路径 与电路类似 主磁通电流 漏磁通漏电流,2019/5/19,27,4、磁路的基本定律和计算任务,0、磁场基本定律 磁通连续性定理 安培环路定律 H沿任一闭合回路l的线积分等于穿越该回路所界定面积的全部电流的代数和 一、磁路基本定律 磁路的基尔霍夫第一定律 流进和流出节点的磁通代数和为零 磁路的基尔霍夫第二定律 磁路中沿任一闭合回路的磁压降的代数和等于回路中各磁动势的代数和 注：等效假定条件 P77,2019/5/19,28,二、磁路的参数与等

14、效磁路,当已知UM和 磁阻和磁导： 理想化（磁路等截面积）磁阻和磁导： 参考：图313 磁路的能源：NI（一般为激磁部分） 主磁通和各漏磁通,2019/5/19,29,三、磁路的特点,非线性 由于磁导率非常数，故B与H之间非线性 漏磁通不能忽略 磁场无所不在，而电流大多限定在导体通道中 漏电流：导体和电介质的电导率相差极大：2021个数量级 漏磁通：磁导体和磁介质的磁导率差值为35个数量级 实际分析可只考虑磁导体之间的漏磁通 分布性 磁动势性 磁通的分布性 磁通非实体，无能量交换，仅为计算手段 电流在导体流动会产生焦耳热 磁通的流动只不过是磁场存在的反映,2019/5/19,30,磁路和电路的

15、比较,相同点： 两者的基本物理量和基本定律之间存在对偶关系 基本量 磁势、磁通、磁压降、磁阻、磁阻抗等 电势、电流、电压降、电阻、阻抗等 基本定律 基尔霍夫定律 欧姆定律,2019/5/19,31,磁路和电路的比较,本质差异 分布性 磁场的性质决定其空间分布特性，即磁路存在不可忽略的漏磁通 磁导率差值不大(103104)，而电导率相差极大(10201021) 非线性 磁导体材料的性质决定：磁导率很大，而且是磁场强度的函数，则磁感应强度B和磁场强度H的关系为非线性 磁畴现象影响：B滞后于H的磁滞现象，使得非线性关系更复杂 物理意义 磁通非实体，不反应任何能量交换 电路则是带电粒子实际的定向运动路

16、径 严谨性 注意：磁路第一、第二定律成立的假设条件,2019/5/19,32,四、磁路计算的任务,设计任务 P78 根据要求设计尺寸、重量、静态和动态特性等参数 一般设计要求： 电磁力磁通激磁电流（磁动势）和磁体结构（几何参数和电磁参数，如磁动势、电磁力、吸力特性等） 正求任务：图314 磁路计算仅为其中的一部分 P79 验算任务 P78 根据各参数校核是否复合设计要求 反求任务 一般采用试探方式来逐步逼近，较正求任务复杂得多 核心：数学模型 高数、线数、复变、电磁场,2019/5/19,33,5、气隙磁导和磁导体磁阻的计算,主要的磁通阻碍 空气隙或者非磁性垫片等 气隙类型 主气隙/工作气隙：产生机械功 固有气隙：结构原因 防剩磁气隙：为防止剩磁过大妨碍正常释放而设置的气隙 相应作用 能量集中处吸力最大处做功 工作气隙或主气隙 如吸盘、电磁驱动等 防止剩磁