《电机及拖动基础 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第01章－电磁感应原理与磁路分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机及拖动基础 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第01章－电磁感应原理与磁路分析（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-1-,第1章 电磁感应原理与磁路分析,电机及拖动基础,1.1 电磁感应原理,1.2 导磁材料及其特性,1.3 磁路与磁路分析,-2-,引 言 自1831年法拉第发现电磁感应定律的100多年来，各种类型的电机不断发明并广泛应用于我们生产和生活的方方面面，电磁感应原理奠定了电机的理论基础。本章将讨论电磁感应原理和磁路分析方法。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-3-,1.1 电磁感应原理 众所周知，电和磁是自然界的两种现象，近代通过物理学家的深入研究，发现了电和磁的一些基本规律以及它们之间的联系。本节将概要地介绍电磁感应的基本概念和定律，作为学习本课程的物理基础。 1.1.1 磁场 除了天然磁体
2、会产生磁场外，人们发现在导体中通过电流时会在其周围产生磁场，还进一步发现了由电产生磁场的一些基本规律。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-4-,1. 磁场强度和方向 由载流导体产生的磁场大小可用磁场强度H 来表示， 磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。如图1-1所示，假定在一根导体中通以电流i，则在导体周围空间的某一平面上产生的磁场强度H为,（1-1）,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-5-,如果载流导体是匝数为N的线圈（如图1-2），则上式可表示为,（1-2）,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-6-,2. 磁通密度 通常把穿过某一截面S 的磁力线根数被称为磁感应强度，用磁通 来表示。在
3、均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度B，且有,（1-3）,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-7-,第1章 电磁感应原理与磁路分析,1.1.2 电磁感应定律 1. 电磁感应定律 1831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律电磁感应定律，揭示了磁通与电动势之间存在如下关系： 1）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势； 2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即,（1-4）,法拉第电磁感应定律奠定了电机学的理论基础。,-8-,2. 导体在磁场中的感应电动势 电磁感应定律告诉我们，磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导
4、体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第定律，同样会在导体中产生感应电动势。这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出,（1-5）,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-9-,3. 载流导体在磁场中的电磁力 如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体， 则会在载流导体上产生一个电磁力， 又称洛仑慈力或安培力。 如图1-4所示，载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。 当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流强度i成正比，即,（1-6）,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-10-,当导体与磁力线平形时，F = 0，在其他位置，导体所受的力介于两者
5、之间。电磁力的方向可由左手定则确定，图1-5给出了F、B与i三者之间的方向关系。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,载流导体在磁场中产生电磁力的原理是电动机最重要的理论基础。,-11-,1.2 导磁材料及其特性 由电磁感应原理可知，通过磁场的作用可以产生电或力，因此各种电机的工作原理离不开磁场和磁性材料，磁性材料是构成各种电机的关键材料。人们发现自然界有的材料具有导磁的特性，称为导磁材料。而没有导磁特性的称为非导磁材料。 1.2.1 B-H 曲线 磁性材料的磁场强度H与磁通密度B存在一定的关系，其关系用图形表示称为B-H曲线，也称为磁化曲线， 是表示磁性材料最基本的特性。,第1章 电磁感应原理与
6、磁路分析,-12-,1. 真空磁导率 在真空中，磁场强度H与磁通密度B成正比关系，即,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-7）,真空磁导率 0 410-7 H/m,-13-,非导磁材料，比如铜、铝、橡胶和空气等，具有与真空相近的磁导率，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可用图1-6中的B-H曲线来表示。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-14-,2导磁材料的磁导率 在导磁材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可表示为,（1-8）,其中，r为导磁材料的相对磁导率。由于r 的值不是常数，因而B与H之间的关系不是线性关系。这样，式（1-8）并没有实用价值，而是用B-H曲线来表达它们之间的
7、关系。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-15-,1.2.2 铁磁材料 为了提高材料的导磁能力，人们在寻求自然材料的同时，通过人工合成的办法获得各种高导磁材料。铁磁材料（包括铁、钴、镍以及它们的合金）具有比真空大数百倍到数千倍的磁导率，因此常作为电机的磁性材料。铁磁材料的主要特性如下： 1. B-H曲线的饱和非线性 由于铁磁材料的磁化特性是非线性的， 通常用B-H曲线来表示。图1-7a给出了几种典型铁磁材料的B-H曲线， 由此可见其特性分为两段： 1）线性段。 如图1-7b中曲线2的O-a段，随着外磁场H的增加，磁通密度B成正比的增加。此时B-H曲线近似为直线，铁磁材料的磁导率基本不变，磁性材
8、料工作在线性区；,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-16-,2）饱和非线性段。如图1-7b中曲线2的b-c段，随着外磁场H的增加，磁通密度B增大缓慢甚至基本不再增大， 这种现象称为磁饱和。 通常，电机设计时应使其磁路的铁磁材料工作在线性区。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-17-,2磁滞特性及其损耗 以上讨论了铁磁材料的单向磁化过程，但是被磁化的铁磁材料在去除外磁场后仍然会保留一定的磁性，不能恢复到磁化前的初始状态。铁磁材料呈现的这种磁通密度 B变化滞后于外磁场H 的变化的现象被称为磁滞特性。如果铁磁材料处于周期性交变磁场中，其磁化特性如图1-8所示， B-H曲线呈现封闭性， 称为 磁滞回线
9、。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-18-,对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场Hm进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线，如图1-9所示。再将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来，所形成的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线可解决磁滞回线B-H的多值函数问题，在工程中得到广泛应用。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-19-,铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化的过程中要消耗一定的能量， 这种功率损耗称为磁滞损耗。假设有一铁磁材料制成的铁心，截面积为S，平均周长为l，在N匝线圈两端施加周期为T的交变电压u，线圈中通过的电流为i，在铁心中产生交变磁场H。 这样，由电源供给线圈的瞬时
10、功率为,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-9）,（1-10）,V = S l 铁心体积,-20-,由于现在P 就是为了建立交变磁场所需的功率，那么其在一个周期时间T 内的平均值也就是铁心的磁滞损耗，即有,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-11）,式（1-11）说明，铁磁材料的磁滞损耗与磁滞回线的面积 、电源频率f，以及铁心体积V成正比。由此，为了降低磁滞损耗应选用磁滞回线面积小的铁磁材料，并尽量减少铁心的体积。 比如：硅钢片的磁滞回线面积小， 且因磁导率高可减小铁心体积，常被选用作为电机和变压器的铁心材料。,-21-,3涡流特性及其损耗 对于硅钢片一类具有导电性的铁磁材料还有一个重要特
11、性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损耗。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,如图1-10所示，由于铁心是导电的，在交变磁通的作用下，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，这个电动势作用在导体上，就引起电流。这些电流在铁心内部围绕磁通形成旋涡状流动，故称为涡流。涡流在铁心中要产生一定的能量损耗，称为涡流损耗。,-22-,现假设铁心中一片硅钢片的长度为l，厚度为w，高度为h，且有h w，则硅钢片的体积为V = lwh。在频率为f的交变磁通Bm的作用下，由电磁感应定律， 硅钢片中某一涡流回路的感应电动势为,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-12）,电动势 比例系数,涡流
12、回路与硅钢片厚度w 对称轴之间的距离,-23-,如果忽略两短边的影响，该涡流回路的等效电阻为,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-13）,硅钢片 电阻系数,涡流之间的距离,由电路中电功率的计算公式，该涡流回路中的功率损耗为,（1-14）,-24-,由此可得这一硅钢片中的涡流损耗为,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-15）,上述分析表明， 涡流损耗与磁场频率f、磁通密度Bm和硅钢片的厚度成正比；与铁心的电阻率成反比。因此，为了降低涡流损耗，电机和变压器的铁心通常采用含硅量较高的薄硅钢片（厚度为0.350.5mm）叠成。,-25-,1.2.3 永磁材料 由软磁材料制造的铁心 需要由外部通电线
13、圈的作用才能产生磁场，而硬磁材料由于其剩磁Br大，可用来制成永久磁体，故又称为永磁材料。近年来，采用永磁材料制造的永磁电机得到广泛的应用。 永磁材料的磁性能常用剩磁Br，矫顽力Hc，和最大磁能面积BHmax 等指标来衡量。一般来说，这三项指标越大，该永磁材料的磁性能就越好。此外还须考虑其工作温度、稳定性以及价格等因素。目前，永磁材料的种类繁多，常用的有以下4种： （1）永磁铁氧体 用粉末冶金或粉末压制而成。其优点是矫顽力Hc大， 抗去磁能力强，比重小，价格低，工作稳定；缺点是剩磁Br不大，且易受温度影响。 因此，不适用于温度变化大且温度稳定性要求高的场合。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-2
14、6-,（2）稀土钴 具有综合磁性能好、抗去磁能力强和温度稳定性高的特点，其允许工作温度可达200250C； 但缺点是价格高、不易加工，因而制造成本高。 （3）钕铁硼 于上世纪80年代后期合成的一种永磁材料。其磁性能优于稀土钴，且价格较低；不足之处是工作温度较低，约为100C，使其应用范围受到一定限制。 （4）铝镍钴 有两种制造方法：一种是用浇铸法制成的铸造型铝镍钴，其优点是磁性能较高，稳定性好，价格较低；缺点是材料硬而脆，不宜加工。另一种是由粉末冶金（烧结）或粉末压制（粘结）制成的粉末型铝镍钴，其优点是可以直接成型，按所需的形状和尺寸制作，特别适应批量生产； 缺点是磁性不及前者，且价格较高。,
15、第1章 电磁感应原理与磁路分析,-27-,1.3 磁路与磁路分析 为简单起见，工程上常用磁路方法来描述和分析磁场及电磁关系。磁路的主要部分是由高导磁材料构成，使得磁通被限制在磁路内部，这就像电流被限制在电路中一样，可以用类似于电路分析方法来建立磁路分析方法。由于变压器和电机的铁心多是由高导磁材料构成的，因此磁路方法可用作分析变压器和电机的重要工具。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-28-,1.3.1 磁路与气隙磁场 1. 简单磁路,第1章 电磁感应原理与磁路分析,-29-,现定义一个新的变量磁动势Fm，则上式可写成,（1-16）,再由式（1-3）和式（1-8）可得,令 为磁阻，可将上式表示为,由上式可见，磁动势Fm、磁通 和磁阻Rm的关系与电路中的电动势E、电流i 和电阻R 的关系相似（见图1-11b）。 这样，可以用类似电路的等效磁路来分析和研究基本电磁关系。,第1章 电磁感应原理与磁路分析,（1-17）,（1-18）,-30-,2. 气隙磁场 假如在磁路中有一段气隙，如图1-12所示，只要气隙的长度lg与相邻铁心表面的尺寸相比足够小，那么由通电线圈产生的磁通 仍主要分布在铁心和气隙中，这时磁路的磁动
