电机学第1章磁路课件

第一章第一章 磁路磁路 电力拖动中广泛应用的电机、变压器及部分控制电机都是依靠电与磁相互作用而运行的，它们的工作原理既涉及电路又涉及磁路。1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量1.2 磁性材料磁性材料1.3 磁路的计算磁路的计算1.4 交流铁心线圈交流铁心线圈1.5 电磁铁电磁铁1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量n磁感应强度磁感应强度B 描描述磁场强弱与方向的物理量述磁场强弱与方向的物理量定义定义：单位正电荷以单位速度向垂直于磁场方向的方：单位正电荷以单位速度向垂直于磁场方向的方 向上运动时所受的机械力。向上运动时所受的机械力。方向方向：B与产生磁场的电流方向符合右手螺旋定则。与产生磁场的电流方向符合右手螺旋定则。单位单位：磁感应强度的：磁感应强度的单位单位:T（特斯拉）特斯拉）（高斯）（高斯）I直线电流的直线电流的磁力线分布磁力线分布圆电流的圆电流的磁磁力线分布力线分布I通电螺线管的通电螺线管的磁力线分布磁力线分布n n磁通：穿穿过任意曲面的磁感应强度通量过任意曲面的磁感应强度通量 （单位：韦伯单位：韦伯）n n磁场强度磁场强度H H和磁导率和磁导率 计算导磁物质（磁介质）中某点的磁场时引入计算导磁物质（磁介质）中某点的磁场时引入一个辅助性的物理量一个辅助性的物理量H H，它与，它与B B的关系为：的关系为：H H的国际单位为安培每米（的国际单位为安培每米（A/mA/m），），为导磁为导磁率，表明物质的导磁能力。率，表明物质的导磁能力。H H的大小只与电流大小、的大小只与电流大小、线圈匝数、及几何位置有关，而与介质的磁性无关但线圈匝数、及几何位置有关，而与介质的磁性无关但磁感应强度与磁场媒介的磁性有关。磁感应强度与磁场媒介的磁性有关。真空的导磁率为：真空的导磁率为：（H/mH/m）铁磁材料的导磁率铁磁材料的导磁率 0，例如铸钢的导磁，例如铸钢的导磁率大约真空的率大约真空的10001000倍，各种硅钢片约为真空的倍，各种硅钢片约为真空的6000-6000-70007000倍。倍。相对磁导率：相对磁导率：磁性材料：磁性材料：非磁性材料：非磁性材料：磁场的物理量见表磁场的物理量见表1.1.11.1.1B0 传导电流的磁场传导电流的磁场B 介质中的合磁场介质中的合磁场介质磁化所产生的附加磁场介质磁化所产生的附加磁场 1.2.1 介质的磁化介质的磁化 物质从不表现磁性变为具有一定的磁性叫磁化。物质从不表现磁性变为具有一定的磁性叫磁化。1.2 磁性材料磁性材料一、磁介质的分类一、磁介质的分类顺磁质顺磁质顺磁质顺磁质:与与与与B B0 0 同向，同向，同向，同向，B B B B0 0 ，r 1抗磁质：抗磁质：抗磁质：抗磁质：与与B B0 0反向反向，B B B0 0 ，rB B0 0 ，r 1弱磁质弱磁质弱磁质弱磁质强磁质强磁质强磁质强磁质 铁磁材料在外磁场的作用下会引起强烈的磁铁磁材料在外磁场的作用下会引起强烈的磁性反应，表现出极小的磁阻，很容易被磁化而使性反应，表现出极小的磁阻，很容易被磁化而使磁场显著增强，这类材料有磁场显著增强，这类材料有铸钢、硅钢片、铁及铸钢、硅钢片、铁及其合金等其合金等，应用铁磁材料制成的磁路可以把绝大，应用铁磁材料制成的磁路可以把绝大部分磁力线集中在所需要的路径和方向上。部分磁力线集中在所需要的路径和方向上。二、铁磁材料的磁化二、铁磁材料的磁化三三、磁化的原因、磁化的原因 强磁性材料的原子磁矩不为零。在无外磁场作强磁性材料的原子磁矩不为零。在无外磁场作用时，在一个个小区域内按照某种方向排列好用时，在一个个小区域内按照某种方向排列好了，即已达到一定程度的磁化。这样的磁化称为了，即已达到一定程度的磁化。这样的磁化称为自发磁化自发磁化，这些自发磁化的小区域称为，这些自发磁化的小区域称为磁畴磁畴。无外磁场作用时：无外磁场作用时：磁畴的磁矩方向不同，磁性相互磁畴的磁矩方向不同，磁性相互抵消，介质不显磁性。抵消，介质不显磁性。有外磁场作用时有外磁场作用时：磁畴的磁矩方向与外磁场接近或：磁畴的磁矩方向与外磁场接近或一致，呈现很强磁性。一致，呈现很强磁性。B0B四、强磁化性的作用 在具有铁心的线圈中通入不大的励磁电流，就可以产生足够大的磁通和磁感应强度，解决了既要磁通大，又要励磁电流小的矛盾。非磁性材料没有磁畴结构，所以不具有磁化的特性。1.2.2磁化曲线磁化曲线一、定义一、定义 磁性材料在磁化过程中，磁感应强度磁性材料在磁化过程中，磁感应强度B B随外界磁场的磁场强度随外界磁场的磁场强度H H变化的曲线。变化的曲线。H H的大小只与电流大小、线圈匝数、及几何位的大小只与电流大小、线圈匝数、及几何位置有关，而与介质的磁性无关但磁感应强度与置有关，而与介质的磁性无关但磁感应强度与磁场媒介的磁性有关。当线圈内的介质不同时，磁场媒介的磁性有关。当线圈内的介质不同时，H H不变，但磁感应强度和磁通都变化。不变，但磁感应强度和磁通都变化。注意：注意：H H的大小、非线性、的大小、非线性、不是常数不是常数a.bBHo初始磁化曲线初始磁化曲线c.Bs二、磁化规律二、磁化规律.BHabcoBsBs饱和磁感应强度饱和磁感应强度sHBs.rBBs.BHabcdo剩余磁感应强度剩余磁感应强度BrHc矫顽力矫顽力s.cHrBB.BHabcdeocH矫顽力矫顽力剩余磁感应强度剩余磁感应强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度sBrB磁滞现象：磁滞现象：B滞后于滞后于H的变化的变化csrHB.cHrBB.BH磁磁 滞滞 回回 线线abcdefgo磁性材料的磁化规律磁性材料的磁化规律3.磁滞磁滞 有剩磁、磁饱和及磁滞现象。有剩磁、磁饱和及磁滞现象。三、磁性材料的特性三、磁性材料的特性1.非线性非线性 B 和和H 不是线性关系。不是线性关系。磁导率磁导率 不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中不是一个常量，它的值不仅决定于原线圈中的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。的电流，还决定于铁磁质样品磁化的历史。2.高高 值值 有很大的磁导率。放入线圈中时可以有很大的磁导率。放入线圈中时可以 使磁场增强使磁场增强 102104倍。倍。1.2.3 磁性材料的分类特点：磁导率大，矫顽力小，特点：磁导率大，矫顽力小，磁滞回线窄。磁滞回线窄。特点：剩余磁感应强度大，接近特点：剩余磁感应强度大，接近 饱和磁感应强度，矫顽力饱和磁感应强度，矫顽力 小，磁滞回线接近于矩形。小，磁滞回线接近于矩形。软软磁磁材材料料硬硬磁磁材材料料矩矩磁磁材材料料特点：剩余磁感应强度大，矫特点：剩余磁感应强度大，矫 顽力大，磁滞回线宽。顽力大，磁滞回线宽。应用：硅钢片，作变压器的铁应用：硅钢片，作变压器的铁 芯。铁氧体（非金属）芯。铁氧体（非金属）作高频线圈的磁芯材料。作高频线圈的磁芯材料。应用：作永久磁铁，永磁喇叭应用：作永久磁铁，永磁喇叭应用：作计算机中的记忆元件。应用：作计算机中的记忆元件。研究目的：如何用较少的材料建立较强的符合要求研究目的：如何用较少的材料建立较强的符合要求的磁场。的磁场。磁力线穿过的路径称为磁路。空气可以作为磁路但磁力线穿过的路径称为磁路。空气可以作为磁路但阻力大，实际上工程中磁路大部分由铁磁材料加上极短阻力大，实际上工程中磁路大部分由铁磁材料加上极短的空气隙组成迫使磁力线尽可能多地集中在一定形状的的空气隙组成迫使磁力线尽可能多地集中在一定形状的磁路内，形成一个闭合通路，称为磁路。磁路内，形成一个闭合通路，称为磁路。1.3 磁路的计算磁路的计算1.3.1 磁路计算的基本定律磁路计算的基本定律1、安培环路定律 在磁场中沿任何闭合路径的磁场强度矢量线积分等于通过该闭合线内各个电流的代数和。2、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律 其中，其中，N N为线圈匝数，将为线圈匝数，将NINI定义为定义为磁动势磁动势，F F，单，单位为安匝，位为安匝，R Rmm为为磁阻磁阻。意义：上式建立起意义：上式建立起 磁路物理量与电流磁路物理量与电流I I电路物理量电路物理量之间的关系式。因而，是综合分析磁路与电路问题的之间的关系式。因而，是综合分析磁路与电路问题的桥梁。桥梁。3、磁路克希荷夫定律(1)磁路克希荷夫第一定律1=2+3 或k=0(2)磁路克希荷夫第二定律NI=H1l1+H3l3 或 NI=H lNI称为磁动势，H l称为磁压降。应用：磁路克希荷夫两大定律相当于电路中的克希荷夫定律，是计算带有分支的磁路的重要工具。磁路磁路电路电路磁动势F电动势E磁通电流I磁感应强度B电流密度J磁阻Rml/S 电阻Rl/rS欧姆定律NI/Rm欧姆定律I=E/R克希荷夫磁通定律k=0克希荷夫定律电流定律I=0克希荷夫定律磁压定律 IN=(H l)克希荷夫定律电压定律 E=(IR)1.3.2磁路的计算n n计算类型：给定磁通量计算类型：给定磁通量，计算所需磁动势，计算所需磁动势F Fn n计算步骤计算步骤 （1 1）分段（材料相同，截面积相等）分段（材料相同，截面积相等）（2 2）计算各段有效截面积和平均长度）计算各段有效截面积和平均长度 （3 3）求各段磁感应强度）求各段磁感应强度 （4 4）查磁化曲线，求各段磁场强度）查磁化曲线，求各段磁场强度 （5 5）计算各段磁路的磁压降）计算各段磁路的磁压降 （6 6）求总磁动势）求总磁动势 （7 7）求所需电流或线圈匝数）求所需电流或线圈匝数例例1：铸钢磁路铸钢磁路l=6.9cm,d=0.46cm,s=4.5*10-4m2,N=500匝略去气隙的边缘效应，求在匝略去气隙的边缘效应，求在空气中产生空气中产生6x10-4wb磁通所需的电流。磁通所需的电流。ldSI（2 2）铸钢：由）铸钢：由B=1.33TB=1.33T查磁化曲线数据表，得查磁化曲线数据表，得H=1720A/mH=1720A/m 铁心部分的磁压为：铁心部分的磁压为：例例2：磁路磁路l=0.3m,s=5cm2,N=400匝，铁磁材匝，铁磁材料的磁化曲线可作线性处理，料的磁化曲线可作线性处理，r=1200r=1200，求求（1）I=0.6A时，时，为多少？为多少？（2）若磁路中开一气）若磁路中开一气隙隙d=0.002m,求求？铁芯、气隙部分的磁压分别为？铁芯、气隙部分的磁压分别为多少？多少？ldSI例例3：如图，：如图，1=10-3wb,2通过的铁心截面通过的铁心截面积为积为S2=6cm2,B2=1T,S3=5cm2,求求B3。112 2S2S2B2B2S3S3B3B33 3例例4：如图是一个对称磁路，中间柱截面积：如图是一个对称磁路，中间柱截面积S3是是两边柱截面积两边柱截面积S1或或S2的两倍，假使的两倍，假使N1I1=N2I2，求求1，2，3的大小关系和的大小关系和B1，B2，B3的大小的大小关系。关系。113 3S2S2B3B3S3S3B2B22 2S1S1I I1 1I I2 2N1N1N2N2例1.3.2 已知：l1=l3=60cm，l2=20cm，S2=S3=10cm2，S1=20cm2，3=5*10-4wb，材料为铸钢，求磁动势。1.4交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路直流励磁：产生的磁通恒定，不会产生感生电动 势，线圈内的电流只与电压、导线电阻 有关。交流励磁：正弦交流电压产生的磁通也是交变的，交变的磁通会在线圈中产生感应电动势。eeuu i Niu i Nii常数设主磁通设主磁通线圈的电阻和漏磁感抗较小，可忽略线圈的电阻和漏磁感抗较小，可忽略漏磁感抗漏磁感抗漏磁感应电动势漏磁感应电动势交流铁心线圈的功率损耗交流铁心线圈的功率损耗n n铜损：线圈导线上的损耗铜损：线圈导线上的损耗I I2 2R Rn n铁心损耗：铁心损耗：磁滞损耗：磁畴之间产生摩磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的，擦而产生的，涡流损耗：涡流与铁心电阻涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗，相作用产生的损耗，铁损：磁滞损耗铁损：磁滞损耗+涡流损耗，涡流损耗，有功功率有功功率铜损铜损1.5 电磁铁电磁铁电磁铁：通电线圈在铁芯中产生磁场，磁场对磁性材料产生吸力的原理制造的机构称为电磁铁。通过衔铁的运动将电磁能转化为机械能。由励磁线圈、铁心、衔铁三部分组成(见P17)。吸力的基本公式：吸力的基本公式：吸力的最大值：吸力的最大值：吸力的平均值：吸力的平均值：指空气隙中指空气隙中例1：有一电磁铁用于50Hz，380v电源，N=500，今改用220v电源，为使吸力保持不变，线圈匝数应为多少？例例2 2：（：（1 1）若）若abab两端加的是正弦电压，当把图中画有影两端加的是正弦电压，当把图中画有影阴部分取走后，铁芯中的磁通和线圈中的电流大小将发阴部分取走后，铁芯中的磁通和线圈中的电流大小将发生怎样的变化（忽略线圈电阻和漏磁）？生怎样的变化（忽略线圈电阻和漏磁）？（2 2）若在）若在abab两两端加的是直流电压（假定与线圈相串联一限流电阻），端加的是直流电压（假定与线圈相串联一限流电阻），当把图中画有影阴部分取走后，铁芯中的磁通和线圈中当把图中画有影阴部分取走后，铁芯中的磁通和线圈中的电流大小将发生怎样的变化？的电流大小将发生怎样的变化？abul1=30cmS1=8cm20.2cml2=10cm S2=8cm2例例1.5.2 已知已知C=4cm，l=7cm。铁心由硅钢片叠成。铁心由硅钢片叠成。S=1cm2，U=220v。d=1cm时吸力为时吸力为50N，试计，试计算线圈匝数和电流值。忽略漏磁通，并认为铁心算线圈匝数和电流值。忽略漏磁通，并认为铁心和衔铁的磁阻与空气隙相比可以忽略不计。和衔铁的磁阻与空气隙相比可以忽略不计。SCld作业：1、2、3（公式推导，说明原因）、4、5（忽略磁通边缘效应）