緒論及第一章磁路

1、電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué) 孫克軍 主編 緒緒 論論0.1 電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用 電能在國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的作用，可以說，在現(xiàn)社會沒有電能，各行各業(yè)就處于癱瘓狀態(tài)。而電機(jī)是生產(chǎn)、傳輸、分配、和應(yīng)用電能的主要設(shè)備。 1）電能的生產(chǎn)：各種發(fā)電廠均離不開發(fā)電機(jī)，如：水力發(fā)電，火力發(fā)電，核能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等。 2）電能的傳輸、分配：為了將發(fā)出的電能輸送到用電中心，就必須要用電變壓器進(jìn)行升壓，同時(shí)完成電腦的分配，到達(dá)用電中心后，必須要降壓才能使用。 3）在應(yīng)用方面; 在廠礦（機(jī)械、冶金、煤炭、化工、石油等）廣泛使用電動機(jī)作為各種（機(jī)床、吊車、運(yùn)料、風(fēng)機(jī)、水泵、紡織、造紙）動力設(shè)備，一個(gè)現(xiàn)

2、河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 代化工廠需要上萬臺電機(jī)，若沒有這些電機(jī)，單靠人力作為動力將是一事無成的。 在農(nóng)業(yè)方面，排灌、脫粒、粉碎、農(nóng)業(yè)機(jī)械等都離不開電機(jī)。 在軍事方面：雷達(dá)、戰(zhàn)車、航天、軍艦、導(dǎo)彈也需要大量的電機(jī)和檢測元件、執(zhí)行元件等。 在文教、醫(yī)療方面：多媒體、文藝演出、體育、x射線機(jī)、各種醫(yī)療設(shè)備 也離不開電機(jī)。 在人們生活中：冰箱、風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電腦、錄音機(jī)等也離不開電機(jī)。 可見沒有電機(jī)，就沒有電能；沒有電能，社會就沒有發(fā)展。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院02、電機(jī)的定義及分類、電機(jī)的定義及分類1）定義：是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞

3、的一種電磁裝置。2）分類： 按運(yùn)動方式分類 靜止電機(jī)-變壓器 電機(jī) 直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 交流電機(jī) 異步電機(jī) 同步電機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)電動機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)電動機(jī)電動機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)電動機(jī)電動機(jī) 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院03 03 電機(jī)學(xué)的性質(zhì)及學(xué)習(xí)方法電機(jī)學(xué)的性質(zhì)及學(xué)習(xí)方法（1）性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課（2）本門課學(xué)習(xí)方法： 電機(jī)學(xué)中既有理論問題，又有實(shí)際問題，既有分析又有計(jì)算，既有電路問題，又有磁路問題，而且類型較多，因此既要注意他們之間的共性問題，找到他們之間的內(nèi)在聯(lián)系，又要注意個(gè)性問題。 1 1）分析和研究電機(jī)的一般步驟）分析和研究電機(jī)的一般步驟 分析電機(jī)在空載和負(fù)載時(shí)內(nèi)部的

4、物理變化情況。 列出電動勢、磁動勢、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。 求解基本方程，進(jìn)而分析各種運(yùn)行性能。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院2 2）分析和研究電機(jī)內(nèi)部磁場和基本方程的一般方法）分析和研究電機(jī)內(nèi)部磁場和基本方程的一般方法 不計(jì)飽和時(shí)，采用疊加原理對磁動勢、磁場、電動勢進(jìn)行分析； 考慮飽和時(shí)，對磁動勢、磁場、電動勢的分析則應(yīng)分開計(jì)算。 用等效電路來表示電機(jī)時(shí)，需采用歸算法（對變壓器需進(jìn)行繞組歸算，對電機(jī)需進(jìn)行繞組歸算和頻率歸算）。 對交流電機(jī)分析時(shí)，常采用等效電路和相量圖。 分析交流電機(jī)不對稱運(yùn)行時(shí)，常采用雙旋轉(zhuǎn)磁場理論和對稱分量法。 分析凸極電機(jī)時(shí)，常采用雙反應(yīng)理論。 河北

5、科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院第一章第一章 磁磁 路路1.11.1磁路的基本知識磁路的基本知識一、磁場一、磁場 1、磁場和磁力線 兩個(gè)互不接觸的磁體靠近時(shí)，在它們之間會發(fā)生吸引或排斥，這種作用力存在的空間稱為磁場。磁場可用磁力線來表示，如右圖。磁力線特點(diǎn)如下： 在磁體外部總是由N極指向S極，而在內(nèi)部則相反。 磁力線上任意一點(diǎn)的方向就是小磁針N極的方向。 磁力線疏密的程度反映了磁場的強(qiáng)弱。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 磁鐵的N極與S極總是成對出現(xiàn)。 磁力線均勻分布且相互平行的區(qū)域稱為勻強(qiáng)磁場，反之稱為非勻強(qiáng)磁場。如右圖。2、通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場 電流與磁場的方

6、向可用右手螺旋定則來判斷。如右圖。3、通電螺旋管產(chǎn)生的磁場 電流與磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷。如右圖。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院二、磁路常用的物理量二、磁路常用的物理量 1、磁通 通過與磁場方向垂直的某一面積的磁力線的總數(shù)稱為磁通量，簡稱磁通。用表示，單位Wb。 2、磁路 磁力線所經(jīng)過的路徑稱為磁路。 主磁路-對我們有用的磁力線所經(jīng)過的回路稱。 漏磁路-對我們無用的磁力線所經(jīng)過的回路稱。 3、磁感應(yīng)強(qiáng)度 又稱磁通密度，是用來表示磁場中各點(diǎn)強(qiáng)弱和方向的物理量，用B表示，單位：T。 在勻強(qiáng)磁場中： AB 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院4、磁導(dǎo)率 磁場

7、中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小不但與電流的大小與線圈的形狀有關(guān)，還與磁場中的介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，磁導(dǎo)率就是用來描述介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，用表示，單位：H/m。 真空中的磁導(dǎo)率為一個(gè)常數(shù)，用0表示，0 =410-7H/m.一般把某一介質(zhì)的磁導(dǎo)率用相對磁導(dǎo)率r來表示，即該介質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空中的磁導(dǎo)率0的比值。5、磁場強(qiáng)度 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，這就是磁場的計(jì)算變得復(fù)雜，為此引入了磁場強(qiáng)度這一物理量。它只與電流的大小和通電導(dǎo)體的形狀有關(guān)。 0rBH 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2 1.2 常用鐵磁材料及其特性常用鐵磁材料及其特性 1.2.1鐵磁物質(zhì)的磁化曲線鐵磁物質(zhì)的磁化曲線

8、（1）鐵磁物質(zhì)的磁化）鐵磁物質(zhì)的磁化 在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。整齊，顯示出磁性。河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院(2) 初始磁化曲線初始磁化曲線 將一塊未磁化的鐵磁材料將一塊未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度H由零由零逐漸增加時(shí)，磁通密度逐漸增加時(shí)，磁通密度B將隨將隨之增加。用之增加。用B=f (H)描述的曲線描述的曲線就稱為初始磁化曲線。就稱為初始磁化曲線。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院可分為四段：可分為四段：1）起始段：）起始段：oa段：段： 2）

9、線性段：）線性段：ab段：段： 3）飽和段：）飽和段：bc段：段： 4）高度飽和段：）高度飽和段：cd段：段： 磁化曲線的拐點(diǎn)（磁化曲線的拐點(diǎn)（b點(diǎn)）稱為點(diǎn)）稱為“膝點(diǎn)膝點(diǎn)”(3) 磁滯回線磁滯回線剩磁剩磁當(dāng)當(dāng)H從零增加到從零增加到Hm時(shí)，時(shí)，B相應(yīng)地從零增加到相應(yīng)地從零增加到Bm；然后；然后再逐漸減小再逐漸減小H，B值將沿曲線值將沿曲線ab下降。當(dāng)下降。當(dāng)H=0 時(shí)，時(shí)，B值并不等值并不等于零，而是于零，而是Br。這就是剩磁。這就是剩磁。磁滯回線磁滯回線當(dāng)當(dāng)H在在Hm和和- Hm之之間反復(fù)變化間反復(fù)變化時(shí)，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的時(shí)，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的B-H閉合曲線，稱為磁滯回線。閉合曲線，稱為磁滯回線。

10、 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院(4) 基本磁化曲線基本磁化曲線 對同一鐵磁材料，選擇不同的對同一鐵磁材料，選擇不同的Hm反復(fù)磁化，得到不同的磁反復(fù)磁化，得到不同的磁滯回線。將各條回線的頂點(diǎn)連接起來，所得曲線稱為基本磁化滯回線。將各條回線的頂點(diǎn)連接起來，所得曲線稱為基本磁化曲線。曲線。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2.2 鐵磁材料的損耗鐵磁材料的損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗（1）磁滯損耗）磁滯損耗 鐵磁材料被交流磁場反復(fù)磁化，磁疇相互鐵磁材料被交流磁場反復(fù)磁化，磁疇相互 摩擦摩擦 而消耗的能量。而消耗的能量。 河北科技大學(xué)電

11、氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院nhhmpC fB V（2 2）渦流損耗）渦流損耗鐵心內(nèi)部由于渦流在鐵心電阻上產(chǎn)生鐵心內(nèi)部由于渦流在鐵心電阻上產(chǎn)生的熱能損耗。的熱能損耗。222eempCf B V（3）鐵心損耗）鐵心損耗磁滯損耗和渦流損耗之和。磁滯損耗和渦流損耗之和。1.32FeFempCfB G 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.2.3 鐵磁材料的分類（1）軟磁材料適用于制造變壓器，電機(jī)，電器等。如：鑄鋼，硅鋼片，坡莫合金（2）硬磁材料適用于制造永久磁鐵如：鎳鈷合金，鐵氧體，鎢鋼，釹鐵硼等。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3 磁路的基本定律磁路的基本

12、定律1.3.11.3.1、全電流定律（安培環(huán)路定律）、全電流定律（安培環(huán)路定律） 沿任何一條閉合回線沿任何一條閉合回線L，磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度H的線積分等于該閉合回線所包的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數(shù)和圍的電流的代數(shù)和 如果在均勻磁場中，沿著回線如果在均勻磁場中，沿著回線 L 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H 處處相等，則處處相等，則NiHL 1.3.2 1.3.2 磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律 作用在磁路上的磁動勢作用在磁路上的磁動勢 F 等于磁路內(nèi)的磁通量等于磁路內(nèi)的磁通量 乘以磁阻乘以磁阻 RmLilH d河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院FRm 證明如下：證明如下： 磁通量磁通

13、量等于磁通密度乘以面積等于磁通密度乘以面積 ，即，即BAABd磁場強(qiáng)度等于磁場強(qiáng)度等于磁通密度除以磁導(dǎo)率磁通密度除以磁導(dǎo)率 /BH 于是于是/ ()N iH llBlA m/ ()FRRmlA 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3.3 磁路的基爾霍夫第一定律（電流定律）磁路的基爾霍夫第一定律（電流定律）根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：0321 0或或河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3.4 磁路的基爾霍夫第二定律（電壓定律）磁路的基爾霍夫第二定律（電壓定律）3kkk11 1221m 12m 2mFN iH lH lH lHRRR 河北科技大學(xué)電氣

14、工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3.5 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律（1）電磁感應(yīng)現(xiàn)象 大家知道，導(dǎo)體通電時(shí)能產(chǎn)生磁場，這就是電流的磁效應(yīng)。相反導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而切割磁力線時(shí)，也會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象就成為電磁感應(yīng)。（2）直導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢 1）感應(yīng)電動勢的大小 當(dāng)直導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中垂直切割磁力線時(shí)： 當(dāng)直導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場中成某一角度切割磁力線時(shí)：如右圖：Blve sinBlve 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院2）感應(yīng)電動勢的方向 可用右手定則判定，如右圖。（3）線圈中的感應(yīng)電動勢 當(dāng)一個(gè)線圈放在磁場中，無論什么原因，只要二者發(fā)生相對變化，在線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。1）大小2

15、）方向 若電動勢的參考方向與磁通的方向符合右手螺旋定則，則上式為： dtdNedtdNe河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.3.6 電磁力定律（1）電磁力定律 將一通電導(dǎo)體放在均勻磁場中，該導(dǎo)體就會產(chǎn)生力。1）大小 導(dǎo)體與磁場垂直時(shí)： 導(dǎo)體與磁場有夾角時(shí)：2）方向 用左手定則判定BliF sinBliF 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4 1.4 磁路的計(jì)算磁路的計(jì)算1.4.1 1.4.1 磁路計(jì)算的方法步驟磁路計(jì)算的方法步驟（1 1）磁路計(jì)算正問題磁路計(jì)算正問題給定磁通量給定磁通量和尺寸，計(jì)算所需的勵(lì)磁磁動勢和尺寸，計(jì)算所需的勵(lì)磁磁動勢F。 （2）磁路計(jì)算

16、逆問題）磁路計(jì)算逆問題給定勵(lì)磁磁勢給定勵(lì)磁磁勢F和尺寸，計(jì)算磁路內(nèi)的磁通量和尺寸，計(jì)算磁路內(nèi)的磁通量。磁路計(jì)算正問題的步驟：磁路計(jì)算正問題的步驟：1）將磁路按材料性質(zhì)和不同截面尺寸分段；）將磁路按材料性質(zhì)和不同截面尺寸分段；2）計(jì)算各段磁路的有效截面積）計(jì)算各段磁路的有效截面積Ak和平均長度和平均長度lk；3）計(jì)算各段磁路的平均磁通密度）計(jì)算各段磁路的平均磁通密度Bk ，Bk=k/Ak；4）根據(jù)）根據(jù)Bk求出對應(yīng)的求出對應(yīng)的Hk；5）計(jì)算各段磁位降）計(jì)算各段磁位降Hklk，6）求出）求出 F= Hklk。7）根據(jù)根據(jù)F=NIF=NI，若，若N N已知，即可求出勵(lì)磁電流已知，即可求出勵(lì)磁電流I

17、I。磁路計(jì)算逆問題磁路計(jì)算逆問題因?yàn)榇怕窞榉蔷€性的，用試探法。因?yàn)榇怕窞榉蔷€性的，用試探法。河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院1.4.2 磁路計(jì)算實(shí)例磁路計(jì)算實(shí)例例1-4 鐵心由硅鋼片和空氣隙構(gòu)成，鐵芯材料為DR530，鐵芯寬度a=0.02m，厚度b=0.03m，磁路平均長度lFe=0.4m，氣隙長度=0.0005m，線圈匝數(shù)N=400匝，試求產(chǎn)生磁通=6.610-4Wb時(shí)所需的勵(lì)磁磁動勢F和勵(lì)磁電流I。 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院解解：（1 1）將磁路分成鐵芯和氣隙兩部）將磁路分成鐵芯和氣隙兩部分分（2 2）計(jì)算各段磁路的截面積）計(jì)算各段磁路的截面積 鐵芯部分：鐵芯部分：A AFeFe=a=ab=6b=61010- -4 4m m2 2 氣隙部分：氣隙部分：A A= =（a+a+） （b+b+）=6.2525=6.25251010-4-4m m2 2 （3）計(jì)算各段的磁密：）計(jì)算各段的磁密： 鐵心內(nèi)磁通密度為鐵心內(nèi)磁通密度為 氣隙的磁密為氣隙的磁密為（4）確定各段的磁場強(qiáng)度）確定各段的磁場強(qiáng)度HT1.1106106.644FeFeAB 查查DR530DR530磁化曲線查得：磁化曲線查得： 與與BFe=1.1T 對應(yīng)的對應(yīng)的 HFe=450A/m58.404510