电机及其拖动基础 第一章 磁路

1、Department of Electrical Engineering ，HFUT 绪绪 论论 电机学中所说的电机，是指依靠电机学中所说的电机，是指依靠电磁感应电磁感应 作用而运行的电气设备，用于机械能和电作用而运行的电气设备，用于机械能和电 能之间的转换、不同形式电能之间的变换、能之间的转换、不同形式电能之间的变换、 或者信号的传递与转换。或者信号的传递与转换。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电机在国民经济中的运用电机在国民经济中的运用 电机是完成多种能量形式转换的有效工具，电机是完成多种能量形式转换的有效工具， 而电能又是最容易实现

2、传输、变换的能量形而电能又是最容易实现传输、变换的能量形 式，可以说，式，可以说，如果没有电机就没有现代工业，如果没有电机就没有现代工业， 下面就电能的产生、传输和利用等多个方面下面就电能的产生、传输和利用等多个方面 来说明电机在国民经济中的作用。来说明电机在国民经济中的作用。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 完整的发电、传输、用电系统完整的发电、传输、用电系统 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电能的产生 n若电机用于将其它形式的能量转换为电能，则若电机用于将其它形式的能量转换为电能，则

3、 被称为发电机（被称为发电机（Generator）,它主要实现以下它主要实现以下 三种能量的转换：三种能量的转换： n水能转化为电能水力发电机； n化学能转化为电能火力发电机； n风能转化为电能风力发电机。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 葛洲坝水利枢纽工程葛洲坝水利枢纽工程 Department of Electrical Engineering ，HFUT 三峡电站三峡电站 Department of Electrical Engineering ，HFUT 三峡水力发电机组 Department of Electrical Engin

4、eering ，HFUT n三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机 Department of Electrical Engineering ，HFUT 火力发电厂火力发电厂 Department of Electrical Engineering ，HFUT 火力发电机组火力发电机组 Department of Electrical Engineering ，HFUT 丹麦丹麦Vesta公司生产的风力发电机组公司生产的风力发电机组 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电能的传输、变换 n电能的传输和变

5、化离不开电机。要传输一定的电 能，为了减小传输线上的损耗，希望电压越高越 好，而用户用电则为低压电。因此在电能的传输 中必须使用变压器。 n电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形 式上的变换。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 大型电力变压器（保定天威生产）大型电力变压器（保定天威生产） Department of Electrical Engineering ，HFUT 配电变压器配电变压器 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电路板上所使用的低压高频变压器电路板上所使用的低压高频变压器

6、 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电能的利用 n电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量 形式，其中最为主要的就是将电能转换为机械形式，其中最为主要的就是将电能转换为机械 能。要求在转换过程中（能。要求在转换过程中（1）、转换效率高；）、转换效率高； （2）、可靠性高。）、可靠性高。 n往往在能量转换的同时也能对运动进行控制，往往在能量转换的同时也能对运动进行控制， 这就引入了一个新的研究分支这就引入了一个新的研究分支电力传动电力传动。 n相对而言，电机这一概念往往是指电动机。相对而言，电机这一概念往

7、往是指电动机。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 异步电动机异步电动机 Department of Electrical Engineering ，HFUT 交流变频异步电动机交流变频异步电动机 Department of Electrical Engineering ，HFUT 手机震动电机 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电动自行车所用的无刷直流电机 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电机分类(1)(1) n按电源分类：按电源分类：

8、直流电机、交流电机 n按使用、功能分：按使用、功能分： 直流电机：直流电机：直流电动机（普通直流电动机、直 流 伺服电动机、直流无刷电机）、直流发电机 交流电机：交流电机：同步电机、静止电机（变压器）、 异步电机 同步电机：同步电机：同步电动机（普通电励磁同步电动 机、永磁同步电动机、交流永磁伺服电机、自控 式同步电机、步进电机、磁阻电机）、同步发电 机（普通电励磁同步发电机、永磁同步发电机） Department of Electrical Engineering ，HFUT 电机分类(2)(2) 异步电机：异步电机：三相异步电动机（普通异步电动机、 变频异步电动机、步进电机）、三相异步发电

9、机 （主要用于风力发电机）、单相异步电动机 静止电机（变压器）：静止电机（变压器）：电力变压器（油浸式变压 器、干式变压器）、整流变压器、自藕调压器、 脉冲变压器、高频变压器 n按运行方式分：按运行方式分： 旋转电机、直线电机 还有各种特殊用途、特 殊机构的电机，如：自整角机、球形电机等 Department of Electrical Engineering ，HFUT 第一章第一章 磁路磁路 Magnetic Circuit 研究磁路的必要性：研究磁路的必要性： 电机是以 电机是以磁场为介质磁场为介质进行进行机电能量转换机电能量转换的装置。的装置。 两个简单的物理事实：两个简单的物理事实：

10、 1 1、变化的磁场会产生电场、变化的磁场会产生电场由磁生电由磁生电机械机械 能向电能转换能向电能转换； 2 2、通电导体会在磁场中受力、通电导体会在磁场中受力电能向机械能的电能向机械能的 转换转换。 在工程中，通常将在工程中，通常将磁场问题磁场问题简化为简化为磁路问题磁路问题。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 一一 磁场的基本常用量磁场的基本常用量 n磁感应强度（又称磁通密度）磁感应强度（又称磁通密度）B 表征磁场强弱表征磁场强弱 及方向的物理量。单位：及方向的物理量。单位：Wb/m2 n磁通量磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和。垂直穿

11、过某截面积的磁力线总和。 单位：单位：Wb n磁场强度磁场强度H 计算磁场时引用的物理量。计算磁场时引用的物理量。 B=H ，单位：单位：A/m 真实的物理量，反真实的物理量，反 映了该点处的磁特映了该点处的磁特 性性 磁感应强度的积分值，描磁感应强度的积分值，描 述了磁场的总体特性述了磁场的总体特性 磁感应强度与该点磁导率的乘磁感应强度与该点磁导率的乘 积，反映了建立该点磁场的源积，反映了建立该点磁场的源 第一节第一节 磁路的基本定律磁路的基本定律 Department of Electrical Engineering ，HFUT B B、H H、之间的关系之间的关系 产生磁场的电流建立产

12、生磁场的电流建立 磁势磁势F F 各点处产生磁场强度各点处产生磁场强度H H 各点处产生磁场感应强度各点处产生磁场感应强度B B 对磁感应强度积分获得对磁感应强度积分获得 B=HB=H S dSB Department of Electrical Engineering ，HFUT 与电流流过的路径称为电路一样，与电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称磁通所通过的路径称 为磁路为磁路。 电流只能从导体中通过，但是磁通可以在任意介质中通电流只能从导体中通过，但是磁通可以在任意介质中通 过，磁通可以分为两部分。过，磁通可以分为两部分。 主磁通：主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多（磁导

13、率由于铁心的导磁性能比空气要好得多（磁导率 大），所以绝大部分磁通将在铁心内通过大），所以绝大部分磁通将在铁心内通过, ,这部分磁通称这部分磁通称 为主磁通。为主磁通。 漏磁通：漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还 存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。 二二 磁路磁路 Department of Electrical Engineering ，HFUT Department of Electrical Engineering ，HFUT 三三 磁路的基本定律磁路的基本定律 1 1 安培环路定

14、律安培环路定律 磁场强度磁场强度H沿任何一条闭合回线沿任何一条闭合回线L的线积分的线积分，等于，等于L所包围的所包围的电流电流 的代数和的代数和 L iHdl 如果在均匀磁场中，沿着回线如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场磁场 强度强度H 处处相等，则处处相等，则 NiHL NiLHLH 2211 在分段均匀的磁场中，安培环路定律的在分段均匀的磁场中，安培环路定律的 表达式为表达式为 Department of Electrical Engineering ，HFUT 推导过程：以等截面无分支闭合铁心磁路为例：推导过程：以等截面无分支闭合铁心磁路为例： 线圈线圈N匝，电流匝，电流i，铁心截面为

15、，铁心截面为A，磁路平均长度为，磁路平均长度为l，磁导率为，磁导率为u 2 2、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律 磁通与磁密关系为磁通与磁密关系为 A BBABdA /BH 磁场强度与励磁磁势的关系为磁场强度与励磁磁势的关系为HlNiF m R A l F Department of Electrical Engineering ，HFUT 例例1-1:1-1:闭合铁心磁路，截面积A=910-4m2，磁路平均 长度l=0.3m，铁心磁导率FE=5000 0，励磁绕组匝 数N=500，求在铁心中产生1T的磁通密度时需要多少 励磁磁动势和励磁电流。 解：解： H=B/ FE=159A/m F=Hl=

16、47.7A i=F/N=9.5410-2A Department of Electrical Engineering ，HFUT 3、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律 （1）磁路的基尔霍夫电流定律（第一定律）磁路的基尔霍夫电流定律（第一定律） 0 321 0 或或 Department of Electrical Engineering ，HFUT 磁路的基尔霍夫电流定律磁路的基尔霍夫电流定律 2 1 3 A A N N i i 0: 321 规定磁通流出为正 Department of Electrical Engineering ，HFUT （2）磁路的基尔霍夫电压定律）磁路的基尔霍

17、夫电压定律 mmm k kk RRR HlHlHlHNi 2211 2211 3 1 Department of Electrical Engineering ，HFUT 磁路和电路的磁路和电路的几点差别几点差别： 1）（功率损耗问题）（功率损耗问题）电路中有电流电路中有电流I 时，就有功率损耗；时，就有功率损耗； 而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗没有功率损耗。 2）（磁路非理想）（磁路非理想）电路中的电流全部在导线中流动；而电路中的电流全部在导线中流动；而 在磁路中，总在磁路中，总 有一部分有一部分漏磁通漏磁通。 3）（磁路的饱和性）（

18、磁路的饱和性）电路中导体的电阻率在一定的温度电路中导体的电阻率在一定的温度 下是恒定的；而下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所 变化变化。 4 4）（磁路的非线性）（磁路的非线性）在线性电路中，计算时可以用叠加在线性电路中，计算时可以用叠加 原理；而在磁路中，原理；而在磁路中，B B和和H H之间的关系为非线性，因此计之间的关系为非线性，因此计 算时算时不可以用叠加原理不可以用叠加原理。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 磁畴及磁化磁畴及磁化 (A)(A)未磁化 未磁化 (B) (B)磁化 磁

19、化 外加磁场外加磁场 H 第二节第二节 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 一、铁磁物质的一、铁磁物质的 Department of Electrical Engineering ，HFUT 未磁化时，铁磁材料的未磁化时，铁磁材料的磁畴是无序排列磁畴是无序排列的，对外不表的，对外不表 现磁性。现磁性。 在外磁场的作用下，在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列磁畴顺着外磁场方向转向，排列 整齐，显示出磁性。整齐，显示出磁性。 （1 1）外磁场；（）外磁场；（2 2）磁畴；（）磁畴；（3 3）排列顺序）排列顺序 电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部电机中为什么选用铁磁材料作为磁路

20、的主要部 分？分？ 思考 从两个方面解释：从两个方面解释： （1 1）提高电机效率）提高电机效率 （2 2）减小电机体积）减小电机体积 Department of Electrical Engineering ，HFUT 二、磁化曲线和磁滞回线二、磁化曲线和磁滞回线 1、起始磁化曲线、起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由由 零逐渐增加时，磁通密度零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用将随之增加。用B=f (H)描述的描述的 曲线就称为曲线就称为起始磁化曲线起始磁化曲线。 Department of Electrical Engi

21、neering ，HFUT B B H H a a b b c c d d )(HfB H B u Fe HuB 0 铁磁材料的起始磁化曲线铁磁材料的起始磁化曲线 Department of Electrical Engineering ，HFUT 2、磁滞回线、磁滞回线 下面考虑两个问题，（下面考虑两个问题，（1）磁化后磁性材料去掉外磁场；）磁化后磁性材料去掉外磁场； （2）对磁化后的磁性材料进行反向磁化。）对磁化后的磁性材料进行反向磁化。 剩磁剩磁当当H从零增加从零增加 到到Hm时，时，B相应地从零相应地从零 增加到增加到Bm； 然后再逐渐减小然后再逐渐减小H，B 值将沿曲线值将沿曲线ab

22、下降。下降。 当当H=0 时，时，B值并不等值并不等 于零，而是于零，而是Br。这就是。这就是 剩磁。剩磁。 H H B B a b m B m H r B Department of Electrical Engineering ，HFUT H H B B a a b b c H m B m H r B c c 矫顽力矫顽力要使要使 B值为零，必须值为零，必须 加上相应的反向加上相应的反向 磁场，此反向磁磁场，此反向磁 场强度称为矫顽场强度称为矫顽 力力Hc。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线 H H

23、B B a a b b c c d d e e f f c H m B m B m H m H r B Department of Electrical Engineering ，HFUT 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线 H H B B a a b b c c d d e e f f c H m B m B m H m H r B 磁滞回线磁滞回线 当当H在在 Hm和和 Hm之之 间反复变化间反复变化 时，呈现磁时，呈现磁 滞现象的滞现象的B H闭合曲闭合曲 线，称为磁线，称为磁 滞回线。滞回线。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 电工

24、钢片实际测试的磁滞回线电工钢片实际测试的磁滞回线 Department of Electrical Engineering ，HFUT 3、基本磁化曲线、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选择不同的对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同反复磁化，得到不同 的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为 基本磁化曲线基本磁化曲线。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 基本磁化曲线基本磁化曲线 基本磁化曲线基本磁化曲线 H H B B Department of Electrical En

25、gineering ，HFUT 三、铁磁材料三、铁磁材料 1、软磁材料：磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都较小的材、软磁材料：磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都较小的材 料。料。 2、硬磁材料：剩磁和矫顽力都较大的材料。、硬磁材料：剩磁和矫顽力都较大的材料。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 永磁材料（钕铁硼）退磁曲线（第二象限）永磁材料（钕铁硼）退磁曲线（第二象限） Department of Electrical Engineering ，HFUT 硅钢片（硅钢片（WHYWHY5050，0.5mm0.5mm）磁滞回线）磁滞回线 Department

26、of Electrical Engineering ，HFUT 四、铁心损耗四、铁心损耗 1、磁滞损耗磁滞损耗材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。擦而消耗的能量。 2、涡流损耗涡流损耗铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的 热能损耗。热能损耗。 3、铁心损耗、铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗之和。磁滞损耗和涡流损耗之和。 VfBCHdBfVp n m h h VBfCp 2 m 22 ee GBfC V)BfCfBC(ppp 2 m 3 . 1 Fe 2 m 22 e n mhehFe Department of Ele

27、ctrical Engineering ，HFUT 硅钢片中的涡流 硅钢片中的涡流 B B 返回返回 Department of Electrical Engineering ，HFUT 变压器中的涡流分布情况（变压器中的涡流分布情况（Infolytica Infolytica 软件计算）软件计算） Department of Electrical Engineering ，HFUT 第三节第三节 直流磁路的计算直流磁路的计算 磁路计算正问题磁路计算正问题已知磁路中的量，求解磁路源已知磁路中的量，求解磁路源 的问题的问题 给定磁通量，计算所需的励磁磁动势给定磁通量，计算所需的励磁磁动势 磁路计

28、算逆问题磁路计算逆问题已知磁路的源，求解磁路中的已知磁路的源，求解磁路中的 量的问题量的问题 给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量 Department of Electrical Engineering ，HFUT 磁路计算正问题的步骤：磁路计算正问题的步骤： 1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段； 2）计算各段磁路的有效截面积）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度和平均长度lk； 3）计算各段磁路的平均磁通密度）计算各段磁路的平均磁通密度Bk ，Bk=k/Ak； 4）根据）根据Bk求出对应的求出对应的Hk； 5）计算各段

29、磁位降）计算各段磁位降Hklk，最后求出，最后求出 F= Hklk。 磁路计算逆问题磁路计算逆问题因为磁路为非线性的，用试探法因为磁路为非线性的，用试探法。 Department of Electrical Engineering ，HFUT 一、简单串联磁路一、简单串联磁路 例例1-2 铁心由铸钢和空气隙构成，截面积铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009 m2， 磁路平均长度磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度，气隙长度=510-4m，求该磁路求该磁路 获得磁通量获得磁通量=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。时所需的励磁磁动势。 Department of Electrica

30、l Engineering ，HFUT 解：解：（1）将磁路分为铁心和气隙两个部分；将磁路分为铁心和气隙两个部分； 0.967T0.967TT T 4 4 1010 2 2 3.053.05 0.00090.0009 A BTT A B Fe Fe ,1 0009. 0 0009. 0 24 7 0 109,/1077/ 104 967. 0 Fe HmAmA B H （5）计算各段内的磁位降，算出所需的励磁磁动势）计算各段内的磁位降，算出所需的励磁磁动势 （2）计算每一段磁路的面积与长度；）计算每一段磁路的面积与长度； 4 105, 3 . 0,0009. 0 ll AA FeFe 4 4 1 10 0 2 2 3 3. .0 05 5 （3）计算每一段磁路的平均磁密；）计算每一段磁路的平均磁密； （4）计算每一段磁路的磁场强度，铁磁材料通过查基本）计算每一段磁路的磁场强度，铁磁材料通过查基本 磁化曲线获得；磁化曲线获得； F=HFelFe+Hl=655A Department of Electrical Engineering ，HFUT 二、简单并联磁路二、简单并联磁路 例例1-3 1-3 铁心由铁心由DR530DR530硅钢片构成，铁心柱和铁轭截面积硅钢片构成，铁心柱和铁轭截面积 A AFe Fe=0.0004 =0.0004mm2 2，磁路平均