第1講電磁學(xué)基本知識(shí)1

第1講電磁學(xué)基本知識(shí)1課程成績(jī)分配比例總成績(jī)平時(shí)成績(jī)（30%）期末成績(jī)（60%）緒論實(shí)驗(yàn)成績(jī)（10%）運(yùn)動(dòng)控制方向：電機(jī)學(xué)電力拖動(dòng)技術(shù)電力電子技術(shù)直流調(diào)速技術(shù)交流調(diào)速技術(shù)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論單片機(jī)技術(shù)PLC技術(shù)過(guò)程控制方向：自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)智能儀表過(guò)程控制經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論單片機(jī)技術(shù)PLC技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)電力系統(tǒng)方向：電力電子技術(shù)及器件電氣控制與PLC技術(shù)電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置電力系統(tǒng)繼電保護(hù)電機(jī)學(xué)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)暫態(tài)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)電磁測(cè)量第1章電機(jī)中的電磁學(xué)基本知識(shí)1.1電機(jī)的發(fā)展歷史磁路的基本知識(shí)磁場(chǎng)的基本知識(shí)電磁學(xué)的基本定律鐵磁材料小結(jié)1.1電機(jī)和電力拖動(dòng)的發(fā)展簡(jiǎn)況1．電機(jī)制造的理論基礎(chǔ)：電磁力和電磁感應(yīng)定律2．電能的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、便宜、容易4．電機(jī)：電機(jī)是一種其工作原理基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律之上，實(shí)現(xiàn)電能特性轉(zhuǎn)換或機(jī)電能量變換的機(jī)械。1.1電機(jī)和電力拖動(dòng)的發(fā)展簡(jiǎn)況什么是特性變換？3．電力拖動(dòng)：人力、畜力、風(fēng)力蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)電機(jī)分類電動(dòng)機(jī)變壓器控制電機(jī)5．電機(jī)的應(yīng)用和分類:(1)電機(jī)按其功能來(lái)看直流電機(jī)電機(jī)分類交流電機(jī)靜止電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)電機(jī)分類(2)對(duì)于電機(jī)的分類框圖：各組成部分及相互關(guān)系如下：電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)負(fù)載控制設(shè)備電源6．電力拖動(dòng)系統(tǒng)：課程性質(zhì)：具有基礎(chǔ)性和專業(yè)性，是學(xué)好后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)專業(yè)課。主要內(nèi)容：各種電機(jī)的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性及分析法。二、課程學(xué)習(xí)特點(diǎn)：前程后續(xù)關(guān)系：前導(dǎo)課：大學(xué)物理、電路、電子技術(shù)，后續(xù)課程：電力電子技術(shù)、控制電機(jī)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、交流調(diào)速等。課程學(xué)習(xí)主線：直流電機(jī)拖動(dòng)電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)交流電機(jī)異步電機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)變壓器注意抓住課程學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征：一、對(duì)于電機(jī)學(xué)部分1、電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理2、電機(jī)的工作特性（空載特性、外特性）二、對(duì)于電力拖動(dòng)部分1、牢牢抓住電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2、注意電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)三種情況的特性三、注意直流電機(jī)---變壓器---交流電機(jī)的過(guò)渡電路與磁路

對(duì)于電路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在電動(dòng)勢(shì)E的作用下，電流I從E的正極通過(guò)導(dǎo)體流向負(fù)極。可見(jiàn)，構(gòu)成一個(gè)完整的電路系統(tǒng)需要電動(dòng)勢(shì)、電導(dǎo)體，并應(yīng)可以形成電流。磁路的基本知識(shí)在磁路系統(tǒng)中，也有一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)F（類似于電路中的電動(dòng)勢(shì)），在F的作用下產(chǎn)生一個(gè)磁通Φ（類似于電路中的電流），Φ從磁動(dòng)勢(shì)的N極到S極（南極），經(jīng)過(guò)的通路稱為磁路。由于空氣磁阻比鐵磁材料磁阻大幾千倍，因此由鐵磁材料構(gòu)成的磁路中的磁通Φ稱為主磁通，而非鐵磁物質(zhì)中的磁通Φδ常被稱為漏磁通。圖1-1幾種常用電器的典型磁路（a）普通變壓器磁路；（b）電磁繼電器常用磁路；（c）電機(jī)磁路電機(jī)中的磁路

磁路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電器設(shè)備之中，如變壓器、電機(jī)、繼電器等。圖1-2磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生和磁路歐姆定律磁路主磁通漏磁通勵(lì)磁電流勵(lì)磁線圈電氣設(shè)備中磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

磁場(chǎng)的基本知識(shí)

磁感應(yīng)強(qiáng)度B(單位T，特，1T=1Wb/m2)

描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B。圖1-3電流磁場(chǎng)中的磁力線（a）直線電流；（b）螺線管電流

磁通Φ（Wb）

穿過(guò)某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量，即穿過(guò)截面S的磁力線根數(shù)稱為磁感應(yīng)通量，用Φ表示。

均勻磁場(chǎng)（1-2）（1-1）圖1-4均勻磁場(chǎng)中的磁通磁場(chǎng)強(qiáng)度H（A/m）

計(jì)算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場(chǎng)時(shí)，引入輔助物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H，它與磁密B的關(guān)系為

B=μH （1-3）

μ為磁導(dǎo)率

電磁學(xué)的基本定律

安培環(huán)路定律（全電流定律）

在磁場(chǎng)中，沿任意一個(gè)閉合磁回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度線積分等于該回路所交鏈的所有電流的代數(shù)和，該定律稱為全電流定律，表示為（1-4）圖1-5安培環(huán)路定律與磁力線（閉合回線）符合右手螺旋關(guān)系的電流取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。電磁感應(yīng)定律

當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場(chǎng)（磁通）中時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電（動(dòng)）勢(shì)，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電勢(shì)與磁通符合右手螺旋關(guān)系時(shí)，這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)的大小與磁通隨時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比，這就是電磁感應(yīng)定律。例如，匝數(shù)為N的線圈所交鏈的磁通為Φ，當(dāng)該磁通隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為（1-5）在電機(jī)學(xué)中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象包括變壓器電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）和切割電動(dòng)勢(shì)。圖1-6變壓器電動(dòng)勢(shì)1.變壓器電動(dòng)勢(shì)（1-6）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)其表達(dá)式如下：（1-7）2.切割電動(dòng)勢(shì)

切割電動(dòng)勢(shì)是由于線圈（或?qū)w）和磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使線圈中的磁通發(fā)生變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，因此稱之為切割電動(dòng)勢(shì)。如果線圈（或?qū)w）所處的磁通密度B為均勻磁密，則導(dǎo)體中電動(dòng)勢(shì)值的計(jì)算公式為

e=B×v×l

（1-8）

切割電動(dòng)勢(shì)方向的判定依據(jù)（右手定則）：圖1-7確定切割電動(dòng)勢(shì)方向的右手定則電磁力定律

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，這種力是磁場(chǎng)與電流相互作用所產(chǎn)生的，故稱為電磁力。若磁場(chǎng)與導(dǎo)體相互垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力為

f=B×i×l （1-9）圖1-8確定載流導(dǎo)體受力方向的左手定則

電磁力方向的確定的依據(jù)（左手定則）：磁路歐姆定律

假設(shè)磁通全部通過(guò)鐵芯，并且認(rèn)為磁路上的磁場(chǎng)強(qiáng)度H處處相等。于是，根據(jù)全電流定律有（1-10）由于可得（1-11）式中，F(xiàn)=Ni為磁動(dòng)勢(shì)，為磁阻，為磁導(dǎo)。磁路基爾霍夫第一定律

在磁路任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，磁通的代數(shù)和恒等于零，即

∑Φ=0 （1-12）圖1-9磁路基爾霍夫第一定律磁路基爾霍夫第一定律表明，進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。磁路基爾霍夫第二定律

沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁位降的總和，稱為磁路基爾霍夫第二定律，即（1-13）上式也可以理解為：消耗在任一閉合磁回路上的磁動(dòng)勢(shì)，等于該磁路所交鏈的全部電流。

鐵磁材料

鐵磁材料一般是由鐵或鐵與鈷、鎢、鎳、鋁及其他金屬的合金構(gòu)成的。圖1-11鐵磁材料的磁化（a）未磁化；（b）磁化

鐵磁材料的磁化

鐵磁材料是由許許多多的磁疇構(gòu)成的。在未磁化時(shí)，所有磁疇擺列雜亂，因此材料對(duì)外不顯磁性。當(dāng)外部磁場(chǎng)施加到這一材料上時(shí)，磁疇就會(huì)沿施加的磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，所有的磁疇平行，鐵磁材料對(duì)外表現(xiàn)出磁性。當(dāng)磁疇不再能使磁通密度B增加，材料完全飽和。起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線

將鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由零逐漸增大時(shí)，磁通密度將隨之增大，用B=f（H）描述的曲線稱為鐵磁材料的起始磁化曲線，如圖1-12所示。圖1-12起始磁化曲線通常把鐵芯內(nèi)的工作點(diǎn)磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。跗點(diǎn)膝點(diǎn)飽和點(diǎn)圖1-13鐵磁材料的磁化特性磁滯現(xiàn)象的B-H閉合回線稱為磁滯回線。矯頑力剩磁鐵磁材料具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象叫做磁滯。對(duì)于同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度可得出不同的磁滯回線，將各條磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得的曲線稱為基本磁化曲線（或平均磁化曲線）。圖1-14基本磁化曲線軟磁材料和硬磁材料

磁滯回線較窄，屬于軟磁材料，多用來(lái)制作電機(jī)、變壓器的鐵芯。

磁滯回線較寬，屬于硬磁材料，主要用來(lái)制作永久磁鐵。鐵磁材料在交變磁場(chǎng)的作用下反復(fù)磁化的過(guò)程中，磁疇之間不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯回線面積越大，則損耗越大。磁滯損耗和渦流損耗

1.磁滯損耗

磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于鐵磁材料中的磁疇在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生移動(dòng)和倒轉(zhuǎn)，彼此之間產(chǎn)生“摩擦”，由于這種“摩擦”的存在，當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用后，磁疇與外磁場(chǎng)方向一致，不能恢復(fù)原狀，從而形成了磁滯現(xiàn)象和剩磁。2.渦流損耗

當(dāng)通過(guò)鐵芯的磁通發(fā)生交變時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通呈旋渦狀流動(dòng)，稱為渦流。渦流在鐵芯中引起的損耗稱為渦流損耗。圖1-16一片硅鋼片中的渦流

在電機(jī)和變壓器中，通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起，稱為鐵芯損耗，簡(jiǎn)稱鐵耗。用表示。 小結(jié)

1、電機(jī)學(xué)中遇到的電磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律；3、鐵磁材料的損耗指磁滯損耗和渦流損耗，與磁通量、工作頻率、材料成分和所采用的制造工藝有關(guān)。2、鐵磁材料的基本知識(shí)。一般而言，鐵磁材料的特性為非線性，而其B-H特性常常以磁滯回線的形式表示。需要重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)：

1.起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線的特點(diǎn)

鐵磁材料磁