磁路的基本定律和铁磁性材料的特性

1、电机与控制电机与控制系系 统统电力工程教研室电力工程教研室1、本课主要内容、本课主要内容: 变压器变压器 电电 机机2、本课意义、本课意义:本课程为专业基础课，为熟悉后续专业本课程为专业基础课，为熟悉后续专业课程打好理论基础。课程打好理论基础。直流电机直流电机交流电机交流电机感应电机感应电机同步电机同步电机励磁系统分析励磁系统分析电机学电机学励磁功率单元励磁功率单元励磁调节器励磁调节器3 3、本课程的性质、任务和学习方法、本课程的性质、任务和学习方法 一、性质一、性质专业技术基础课专业技术基础课 二、任务二、任务为学习专业课打下良好的基础，为分析和排除变压器、为学习专业课打下良好的基础，为分析

2、和排除变压器、电机和励磁系统故障提供理论论据，为适应部队未来的工电机和励磁系统故障提供理论论据，为适应部队未来的工作创造条件。作创造条件。 三、学习方法三、学习方法1 1、理论联系实际、理论联系实际2 2、注意各类电机和励磁控制电路的共性、注意各类电机和励磁控制电路的共性 3 3、重视学习能力的培养、重视学习能力的培养 ，理解为主，理解为主电电 机机 学学电力工程教研室电力工程教研室第第 1 讲讲水轮机水轮机 机械能机械能发电机（发电机（10.520kV）电能）电能升压升压变压器变压器汽轮机汽轮机（110,220,330,500kV）输电线路输电线路变压器变压器( (降压降压)()(380V,

3、220V) ) 用户用户绪绪 论论0.1 0.1 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用一、产生、输送和分配电能一、产生、输送和分配电能内燃机机械能内燃机机械能同步发电机（电能）同步发电机（电能）用电装备，包括（雷达用电装备，包括（雷达, ,高炮高炮, ,指挥系统指挥系统, ,导弹等）导弹等）绪绪 论论 血管疏通机血管疏通机 车床车床 医疗医疗 办公设备办公设备 工业工业 吊车吊车 医疗设备医疗设备 采矿采矿 空调空调 我们我们 水力排灌水力排灌 冰箱冰箱 家电家电 周围周围 农业农业 风扇风扇 的电的电 农副产品加工农副产品加工 火控系统火控系统 机机 电车电车 导弹系统导弹系统 国防

4、国防 交通交通 指挥系统指挥系统 电力机车电力机车 雷达系统雷达系统自控系统自控系统二、我们周围的电机二、我们周围的电机绪绪 论论0.2 0.2 电机工业发展概况电机工业发展概况一、一、直流电机的产生和形成直流电机的产生和形成 18211821年年二、二、交流电机的产生和形成交流电机的产生和形成 18321832年年三、三、电机理论和设计、制造技术的逐步完善电机理论和设计、制造技术的逐步完善 2020世纪世纪四、四、电机的发展新趋势电机的发展新趋势 新材料电机，电子电机，超导电机。新材料电机，电子电机，超导电机。五、五、我国电机工业发展概况我国电机工业发展概况 产量较低产量较低 产量较高产量较

5、高 工艺技术落后工艺技术落后 工艺技术先进工艺技术先进 品种单一品种单一 规格齐全规格齐全 单机容量较小单机容量较小 单机容量较大单机容量较大 绪绪 论论0.3 0.3 电机所用材料电机所用材料 一、导电材料一、导电材料 二、导磁材料二、导磁材料 三、绝缘材料三、绝缘材料 四、其它结构材料四、其它结构材料绝缘等级按耐热强度分绝缘等级按耐热强度分A级级 E级级B级级F级级H级级C级级最高允许工作温度最高允许工作温度105120130155180180最高允许温升最高允许温升607580100135第一章第一章 磁磁 路路电机、变压器的工作原理：电机、变压器的工作原理：电磁感应原理电磁感应原理电机

6、：电机：实现实现机电机电能量或能量或电电信号相互转换的信号相互转换的电磁电磁装置；装置；第一章第一章 磁磁 路路变压器：变压器：实现实现电电能量或能量或电电信号转换的信号转换的电磁电磁装置。装置。第一章第一章 磁磁 路路1.1 1.1 磁路的基本定律磁路的基本定律 一、磁路的概念：一、磁路的概念：磁通磁通( (磁力线磁力线) )所经过的路径。所经过的路径。铁磁性铁磁性材料材料Fe 第一章第一章 磁磁 路路1 1、铁磁性材料存在的两个现象：、铁磁性材料存在的两个现象： （1 1）磁饱和现象：）磁饱和现象： 磁感应强度（磁场密度）磁感应强度（磁场密度）B和外加磁场强度和外加磁场强度H的变化不成正的

7、变化不成正比；比； （2 2）磁滞损耗和涡流损耗现象：）磁滞损耗和涡流损耗现象： 磁滞：磁滞：当当H=0时，时，B0 ; ;交流反复磁化，分子摩擦，存在磁滞交流反复磁化，分子摩擦，存在磁滞损耗；损耗； 涡流：涡流：交流反复磁化交流反复磁化形成涡流损耗。形成涡流损耗。2 2、磁路的两种形式：、磁路的两种形式： （1 1）直流）直流直流磁路直流磁路 （2 2）交流）交流交流磁路交流磁路铁磁性铁磁性材料材料Fe 第一章第一章 磁磁 路路二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律 1 1、安培环路定律：、安培环路定律： 在磁场中沿任一闭合回路，磁场强度在磁场中沿任一闭合回路，磁场强度H的线积分等于穿过该回的

8、线积分等于穿过该回路所有电流的代数和。路所有电流的代数和。 LLHdliHdlHLNiF 第一章第一章 磁磁 路路 2 2、磁路的欧姆定律：、磁路的欧姆定律：mFR B dABA BlFNiHll(BH )ANi ANAikill NAkl 令令 i （磁路不饱和）（磁路不饱和）ml1RA第一章第一章 磁磁 路路3 3、磁路的基尔霍夫第一定律：、磁路的基尔霍夫第一定律：01230 （以穿入为负，穿出为正）（以穿入为负，穿出为正） 表明：表明： 穿出（或进入）任一闭合面的穿出（或进入）任一闭合面的总磁通量恒等于零。总磁通量恒等于零。第一章第一章 磁磁 路路4 4、磁路的基尔霍夫第二定律：、磁路的

9、基尔霍夫第二定律：mmFR磁动势磁压降mFNiHLR iimmmFFNiH LH LH LHRRR11221122 5 5、电磁感应定律：、电磁感应定律： 当穿过导电回路所限定面积中的磁通发生变化时，在该导当穿过导电回路所限定面积中的磁通发生变化时，在该导电回路中就产生感应电势及感应电流。感应电势的大小正比于电回路中就产生感应电势及感应电流。感应电势的大小正比于磁通对时间的变化率，其真实方向可由楞次定律决定。磁通对时间的变化率，其真实方向可由楞次定律决定。 （1 1）楞次定律：）楞次定律： 变压器电动势变压器电动势（2 2）右手定则：）右手定则： 运动电动势（切割电动势）运动电动势（切割电动势

10、）6 6、电磁力定律（左手定则）：、电磁力定律（左手定则）：ddeNdtdt Blve fBli 第一章第一章 磁磁 路路 基本定律及公式基本定律及公式磁路磁路电路电路磁路磁路电路电路FE=F/RmI=U/RI(KCL)=0(KCL) I=0RmR(KVL)Ni= Rm(KVL) e= iRG=1/RmG=1/R第一章第一章 磁磁 路路三、磁路与电路的对比三、磁路与电路的对比电电 路路磁磁 路路电路有电路有I时就有功率损耗时就有功率损耗磁路中有磁路中有就有磁路损耗就有磁路损耗I在导体中流过在导体中流过, ,导体外无电流导体外无电流在铁心中和空气中流过在铁心中和空气中流过在一定温度下不变在一定温

11、度下不变 随随B非线性变化非线性变化线性电路计算时可叠加线性电路计算时可叠加线性时可叠加，非线性时不可线性时可叠加，非线性时不可由上可知：由上可知：磁路和电路形似而非本似。磁路和电路形似而非本似。物理量物理量第一章第一章 磁磁 路路1.2 1.2 常用的铁磁材料及特性常用的铁磁材料及特性 一、铁磁物质的磁化一、铁磁物质的磁化 一般认为非铁磁性材料的磁导率一般认为非铁磁性材料的磁导率=0 =410-7H/m，而，而Fe 50000体积约为体积约为10-15m3 第一章第一章 磁磁 路路二、磁化曲线（起始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线）二、磁化曲线（起始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线） 1 1

12、、起始磁化曲线、起始磁化曲线 定义：定义：对尚未磁化的铁磁材料进行磁化，其对应的对尚未磁化的铁磁材料进行磁化，其对应的B=f（H）叫起始磁化曲线。叫起始磁化曲线。 特点：特点： 单向磁化：单向磁化： 四段：四段： 膝点：膝点：b 非线性：非线性：FeBH FeBH BH 0铁铁磁磁性性物物质质非非铁铁磁磁性性物物质质第一章第一章 磁磁 路路2 2、磁滞回线、磁滞回线 对铁磁性材料进行反对铁磁性材料进行反复周期性磁化：复周期性磁化： 特点：特点： 剩磁剩磁Br ： 磁滞现象：磁滞现象： 矫顽力矫顽力Hc ： 磁滞回线：磁滞回线：退磁曲线退磁曲线第一章第一章 磁磁 路路3 3、基本磁化曲线、基本磁

13、化曲线( (平均平均磁化曲线磁化曲线) ) 基本磁化曲线基本磁化曲线不是不是起始磁化曲线起始磁化曲线，但差别，但差别不大，可近似认为两者不大，可近似认为两者相同。相同。 第一章第一章 磁磁 路路三、铁磁材料的分类三、铁磁材料的分类 1 1、软磁材料、软磁材料 磁滞回线形状：磁滞回线形状：细长条形，细长条形，狭窄，面积小，狭窄，面积小， (BH)max较小较小。 特点：特点：Br小，小，高，易磁化；高，易磁化；Hc小，容易退磁。小，容易退磁。 材料：材料：电工钢片、硅钢片、电工钢片、硅钢片、铁镍合金、铁合金氧磁体、纯铁、铁镍合金、铁合金氧磁体、纯铁、铸铁、铸钢等。铸铁、铸钢等。 适用场所：适用场

14、所：用于电机、变压用于电机、变压器、电磁铁等易于被反复磁化的器、电磁铁等易于被反复磁化的场所。场所。第一章第一章 磁磁 路路2 2、硬磁材料、硬磁材料（永磁材料）（永磁材料） 磁滞回线磁滞回线形状：形状：阔叶形，较宽阔叶形，较宽。 特点：特点：Br较大较大，Hc较大较大，磁滞回磁滞回线较宽线较宽，(BH)max较大较大。 材料：材料：钨钢、钴钢、铝镍钴、铁钨钢、钴钢、铝镍钴、铁氧体、稀土永磁（稀土钴、钕铁硼）氧体、稀土永磁（稀土钴、钕铁硼）等。等。 适用场所：适用场所：用于永久磁铁。用于永久磁铁。 第一章第一章 磁磁 路路四、铁心损耗四、铁心损耗铁磁材料的损耗铁磁材料的损耗 1 1、磁滞损耗、

15、磁滞损耗ph ： 磁化过程中，由于磁畴不断改变方向，磁化过程中，由于磁畴不断改变方向，使磁分子振动加剧，温度升高，造成能使磁分子振动加剧，温度升高，造成能量损耗。量损耗。电器设备发热的原因之电器设备发热的原因之一。一。无法消除无法消除 2 2、涡流损耗、涡流损耗pe ： 涡流使铁芯发热涡流使铁芯发热 ，造成能量损耗。，造成能量损耗。f 、B越高，越高，A越大越大，损耗越大。，损耗越大。电器设电器设备发热的原因之一。备发热的原因之一。 消除方法：消除方法：薄片、绝缘；增大电阻。薄片、绝缘；增大电阻。 3 3、铁心损耗、铁心损耗 pFe： 电工硅钢片：电工硅钢片：ehFepppGBfCpmFeFe

16、23 . 1A第一章第一章 磁磁 路路1 1、简单串联磁路、简单串联磁路 例例1-21-2：注意边缘效应问题注意边缘效应问题图图1-131-131.3 1.3 磁路的计算磁路的计算一、直流磁路的计算一、直流磁路的计算第一章第一章 磁磁 路路2 2、简单并联磁路、简单并联磁路 例例1-31-3：注意边缘效应问题注意边缘效应问题图图1-141-14第一章第一章 磁磁 路路二、直流电机的空载磁路和磁化曲线二、直流电机的空载磁路和磁化曲线 1 1、典型空载磁路：、典型空载磁路： 主磁通：主磁通： 主极漏磁通：主极漏磁通： 四条互相并联的磁路：四条互相并联的磁路： 0f 第一章第一章 磁磁 路路2 2、

17、直流电机的磁化曲线：、直流电机的磁化曲线：起始磁化曲线起始磁化曲线图图1-161-16第一章第一章 磁磁 路路三、永磁磁路的计算特点三、永磁磁路的计算特点 典型空载磁路：典型空载磁路：0HlHFMM1 1、特点：、特点： 作为磁动势源，永作为磁动势源，永久磁铁对磁路提供的磁久磁铁对磁路提供的磁动势并非是恒值，而是动势并非是恒值，而是与外磁路的磁阻有关。与外磁路的磁阻有关。图图1-17第一章第一章 磁磁 路路2 2、几个概念：、几个概念： （1 1）工作线：）工作线： （2 2）退磁曲线（去磁曲线）：）退磁曲线（去磁曲线）： （3 3）工作点：）工作点：a00,()()MMMMMMMMMMlHH

18、B AB AAABBHAAAlHA 磁磁通通连连续续性性MMAltgA10() 图图1-18退磁曲线退磁曲线第一章第一章 磁磁 路路四、直流磁路和交流磁路的特点对比四、直流磁路和交流磁路的特点对比 ( (一一) )直流磁路的特点直流磁路的特点 1 1、直流磁路的磁化为单向磁化；、直流磁路的磁化为单向磁化；2 2、直流磁路的磁化曲线即起始磁化曲线；、直流磁路的磁化曲线即起始磁化曲线；3 3、由于磁化后磁路工作稳定，所以铁心损耗较小；、由于磁化后磁路工作稳定，所以铁心损耗较小；第一章第一章 磁磁 路路( (二二) )交流磁路的特点交流磁路的特点 1 1、交流磁路的磁化为、交流磁路的磁化为反复周期性反复周期性磁化；磁化； 2 2、交流磁路的磁化曲线为、交流磁路的磁化曲线为基本磁化曲线基本磁化曲线( (平均磁化曲线平均磁化曲线) )，不是不是起始磁化曲线起始磁化曲线，二者近似等同；，二者近似等同； 3 3、铁心损耗较大；、铁心损耗较大； 4 4、磁饱和现象会导致磁化电流、磁通和感应电势的波形畸、磁饱和现象会导致磁化电流、磁通和感应电势的波形畸变；变； 5 5、磁通量、磁通量和磁通密度和磁通密度B用交流的最值表示，磁动势用交流的最值表示，磁动势F和磁场和磁