電機(jī)學(xué)緒論磁路

1、電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)吳峰吳峰河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院2013.21.1 1.1 概述概述一、電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用什么是電機(jī)什么是電機(jī) 電機(jī)是利用電磁原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或信號傳遞的電氣設(shè)備，或把與電能有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，是實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、日常生活、國防、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域。第一章第一章 緒論緒論電機(jī)應(yīng)用電機(jī)應(yīng)用（1）發(fā)電機(jī)：發(fā)電設(shè)備（2）變壓器：輸電設(shè)備（3）電動機(jī)：用電設(shè)備二、電機(jī)的分類電機(jī)的分類形式很多，分類方式多樣：1按功能分類按功能分類q電動機(jī) 電機(jī)q發(fā)電機(jī) 機(jī)電q變壓器 電

2、電2按速度分類按速度分類q變壓器 n=0q 同步電機(jī) n=同步速度n0 q 異步電機(jī) nn0 , 但接近同步速n0 q 直流電機(jī) n不定其中：n03000轉(zhuǎn)/分3按電流性質(zhì)分類按電流性質(zhì)分類q直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī) 直流電動機(jī)q交流電機(jī) 交流電動機(jī)交流發(fā)電機(jī)變壓器4按運行情況分類按運行情況分類q旋轉(zhuǎn)電機(jī)q直線電機(jī)q靜止電機(jī)（變壓器）1.31.3電機(jī)的電磁基本理論電機(jī)的電磁基本理論電機(jī)中的三大物理量電機(jī)中的三大物理量:電、磁、機(jī)械 （機(jī)電能量轉(zhuǎn)換）* 電：以“路”的形式出現(xiàn)，線圈（繞組）構(gòu)成電路，較熟；* 磁：以“場”的形式出現(xiàn)，本科階段一般以磁路進(jìn)行分析；* 機(jī)：機(jī)械能，電機(jī)中與之相關(guān)的有轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)

3、速等。1.3.11.3.1描述磁場的物理量描述磁場的物理量一、磁通（ ）主磁通漏磁通磁通所通過的路徑稱為磁路激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁繞組或激磁繞組，勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流；直流勵磁 恒定磁通 直流磁路交流勵磁 交變磁通 交流磁路二、磁壓磁壓是磁路中兩點間的磁位降落，即磁位降。在路徑上1、2間的磁位降為212112dlUmmmH H式中：Um為磁壓，單位為A（安培）；H為磁場強(qiáng)度矢量； 為標(biāo)量磁位函數(shù)。mmH H三、磁阻磁阻類似于電路的電阻，但與電阻不同的是他不是一個能量損耗元件。與電路歐姆定律類似，磁阻的定義為：mmRU式中：Rm為磁阻，單位為H-1此式為磁路歐姆定律。做以下兩點

4、假定磁路所在區(qū)域的磁性材料是均質(zhì)和各向同性的在垂直于磁通密度B的橫截面Am上，B均勻不變mBA再假定沿B方向的磁路長度lm上，磁場強(qiáng)度H不變mmmmmmAlBAHlUR式中： 為磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)， 。HB四、磁導(dǎo)磁導(dǎo)等于磁阻的倒數(shù)。mmR1磁導(dǎo)和磁阻描述磁場的特性，主要用來計算電感。1.3.21.3.2磁路基本定律磁路基本定律一、安培環(huán)路定律（全電流定律）v在磁場中，磁場強(qiáng)度矢量H沿任何一閉合路徑的線積分等于穿過該閉合路徑所包圍面積中流過電流的代數(shù)和。nKkIdlH1式中：電流方向與閉合回路繞行方向符合右手螺旋定則為正，反之為負(fù)磁動勢（F）：磁場由電流所激發(fā)，磁場回路中所匝鏈的電流的總和稱為

5、磁動勢。沿磁場中任一閉合回路，總磁動勢等于總磁壓磁動勢和磁壓的單位均為：AnKkIdlHF1二、電磁感應(yīng)定律磁鏈：穿過線圈的磁通形成磁鏈。設(shè)，線圈有N匝，通過的電流產(chǎn)生匝鏈在線圈中的磁通為 ，那么磁鏈 為Nv當(dāng)線圈中的磁鏈發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢dtdNdtde產(chǎn)生感應(yīng)電動勢通常有以下兩種不同的方式：磁鏈本生是由交流電流產(chǎn)生的，也就是說磁鏈本身隨時間變化，這樣產(chǎn)生的電動勢被稱為變壓器電動勢磁場不變，由于線圈所包圍的面積改變，使得線圈中磁鏈的變化，這樣產(chǎn)生的電動勢稱為運動電動勢或速度電動勢， e=Blv三、電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩通電導(dǎo)體在磁場中所受的力稱為電磁力BliFe發(fā)電機(jī)的本質(zhì)：外力作

6、用于導(dǎo)體，使其以v運動，則輸入機(jī)械功率Fev；產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，與外電路形成電流i, 則輸出電功率ei。對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，導(dǎo)體上所受的電磁力乘以導(dǎo)體導(dǎo)旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，得到電磁轉(zhuǎn)矩T。rFTe四、磁路定律1. 磁路的歐姆定律在閉合的磁路中，磁通等于作用于磁路上的磁動勢F與磁導(dǎo)的乘積，或者磁動勢等于磁通與磁阻的乘積；mmFRF關(guān)系與電路中的歐姆電路相類似。2. 磁路的基爾霍夫第一定律v穿出（或進(jìn)入）任一閉合曲面的總磁通的代數(shù)和恒等于零，或穿出任一曲面的磁通量等于進(jìn)入該曲面的磁通量。 003213. 磁路的基爾霍夫第二定律v任一閉合磁路上磁動勢的代數(shù)和恒等于該閉合磁路各段磁壓的代數(shù)和。ikUIF實質(zhì)上是

7、安培環(huán)路定律的另一種表達(dá)形式。mmmRRRF3331114. 磁路和電路的關(guān)系eIRFRm4. 磁路和電路的關(guān)系例： 圖(a)為硅鋼片疊成的磁路（尺寸的單位：mm），圖(b)所示為硅鋼片的磁化曲線，勵磁線圈有1000匝。求當(dāng)鐵芯中磁通為1103Wb時，勵磁線圈中的電流為多少？設(shè)鐵芯的疊片因數(shù)(疊片凈厚度與總厚度之比)為0.94.解1.鐵芯部分：鐵芯部分：鐵芯的凈面積為 Ai =2010-3401030.94=0.752103(m2)鐵芯磁路的平均長度為 Li=2(100+80)-6=354(mm)=0.354(m)鐵芯中的平均磁通密度為 由磁化曲線查得相應(yīng)的鐵芯磁場強(qiáng)度為Hi=560Am。鐵芯

8、段磁路所需的磁動勢為 (A) TABii33. 1198iiiLHF 2氣隙部分氣隙部分不計氣隙處磁通的擴(kuò)散現(xiàn)象，則氣隙磁通與鐵芯中的磁通相同，因為氣隙部分的面積為Ag =2010-340103=0.8103(m2)所以氣隙部分的感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和氣隙部分所需的磁勢為 3 3總體總體所需的總磁勢為FFI + Fg = 6162(A)線圈所需的勵磁電流為IFiN6.162 (A)要點：氣隙雖小，但所需的磁勢卻很大。甚至可忽略鐵芯的磁壓降。25. 1ggAB6010994. 0ggBH5964gggLHFH/m104701.3.31.3.3鐵磁材料的磁化曲線鐵磁材料的磁化曲線非鐵磁材料空氣、銅、

9、鋁和絕緣材料磁導(dǎo)率等于真空的磁導(dǎo)率，鐵磁材料鐵、鎳、鈷及其合金磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空的磁導(dǎo)率，甚至上萬倍H/m10470v磁化曲線磁化曲線描述磁場兩個基本物理量磁通密度B和磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系；B-H曲線是磁性材料最基本的特性； 起始段：較小； 線性區(qū)：（較大）近似為直線 飽和區(qū)：很小，H增大，B基本不變v磁滯回線磁滯回線 磁滯現(xiàn)象：磁場強(qiáng)度從某一數(shù)值減小，曲線不沿原來的曲線變化，當(dāng)H減小到0，B不為0 ； 磁滯回線：磁場強(qiáng)度緩慢循環(huán)變化，B-H曲線是一條封閉的曲線；圖中：Hc為矯頑磁力，Br為剩磁Hc較小軟磁材料容易被磁化，較小的外磁場產(chǎn)生較高的磁通密度外磁場消失，磁性基本消失Hc較大硬磁材料不容

10、易被磁化外磁場消失后，能保持相當(dāng)強(qiáng)且穩(wěn)定的磁性鐵心損耗導(dǎo)磁材料在交變的磁場中反復(fù)被磁化，將產(chǎn)生能量損耗，損耗被稱為鐵心損耗；鐵心損耗包括： 磁滯損耗：正比于頻率 渦流損耗：正比于頻率的平方，正比于疊片厚度的平方，所以用很薄的硅鋼片（0.30.5mm）而不用整塊鐵：恒定磁場中的靜止導(dǎo)磁體不會產(chǎn)生損耗。1.41.4電機(jī)的制造材料電機(jī)的制造材料q導(dǎo)電材料q鐵磁材料q絕緣材料q結(jié)構(gòu)材料一、導(dǎo)電材料銅電機(jī)的繞組鋁鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子輸電線路炭、石墨電刷二、鐵磁材料軟磁材料電機(jī)和變壓器的鐵心鑄鋼、鑄鐵、電工鋼片硬磁材料永磁材料鑄造型鋁鎳鈷、粉末型鋁鎳鈷、鐵氧體等三、絕緣材料導(dǎo)體與導(dǎo)體間、導(dǎo)體和機(jī)殼或鐵心間必須用絕緣材料隔開；天然的、人工的、有機(jī)的和無機(jī)的；絕緣的壽命受溫度影響較大，在熱的作用下，絕緣材料會逐漸老化，即機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能逐漸喪失；變壓器油是一