绪论及第一章磁路

1、电机学电机学 孙克军 主编 绪绪 论论0.1 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用 电能在国民经济中占有非常重要的作用，可以说，在现社会没有电能，各行各业就处于瘫痪状态。而电机是生产、传输、分配、和应用电能的主要设备。 1）电能的生产：各种发电厂均离不开发电机，如：水力发电，火力发电，核能发电，风力发电等。 2）电能的传输、分配：为了将发出的电能输送到用电中心，就必须要用电变压器进行升压，同时完成电脑的分配，到达用电中心后，必须要降压才能使用。 3）在应用方面; 在厂矿（机械、冶金、煤炭、化工、石油等）广泛使用电动机作为各种（机床、吊车、运料、风机、水泵、纺织、造纸）动力设备，一个现

2、河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院 代化工厂需要上万台电机，若没有这些电机，单靠人力作为动力将是一事无成的。 在农业方面，排灌、脱粒、粉碎、农业机械等都离不开电机。 在军事方面：雷达、战车、航天、军舰、导弹也需要大量的电机和检测元件、执行元件等。 在文教、医疗方面：多媒体、文艺演出、体育、x射线机、各种医疗设备 也离不开电机。 在人们生活中：冰箱、风扇、洗衣机、电脑、录音机等也离不开电机。 可见没有电机，就没有电能；没有电能，社会就没有发展。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院02、电机的定义及分类、电机的定义及分类1）定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递

3、的一种电磁装置。2）分类： 按运动方式分类 静止电机-变压器 电机 直流电机 旋转电机 交流电机 异步电机 同步电机发电机发电机电动机电动机发电机发电机电动机电动机发电机发电机电动机电动机 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院03 03 电机学的性质及学习方法电机学的性质及学习方法（1）性质：专业基础课（2）本门课学习方法： 电机学中既有理论问题，又有实际问题，既有分析又有计算，既有电路问题，又有磁路问题，而且类型较多，因此既要注意他们之间的共性问题，找到他们之间的内在联系，又要注意个性问题。 1 1）分析和研究电机的一般步骤）分析和研究电机的一般步骤 分析电机在空载和负载时内部的

4、物理变化情况。 列出电动势、磁动势、功率和转矩平衡方程式。 求解基本方程，进而分析各种运行性能。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院2 2）分析和研究电机内部磁场和基本方程的一般方法）分析和研究电机内部磁场和基本方程的一般方法 不计饱和时，采用叠加原理对磁动势、磁场、电动势进行分析； 考虑饱和时，对磁动势、磁场、电动势的分析则应分开计算。 用等效电路来表示电机时，需采用归算法（对变压器需进行绕组归算，对电机需进行绕组归算和频率归算）。 对交流电机分析时，常采用等效电路和相量图。 分析交流电机不对称运行时，常采用双旋转磁场理论和对称分量法。 分析凸极电机时，常采用双反应理论。 河北

5、科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院第一章第一章 磁磁 路路1.11.1磁路的基本知识磁路的基本知识一、磁场一、磁场 1、磁场和磁力线 两个互不接触的磁体靠近时，在它们之间会发生吸引或排斥，这种作用力存在的空间称为磁场。磁场可用磁力线来表示，如右图。磁力线特点如下： 在磁体外部总是由N极指向S极，而在内部则相反。 磁力线上任意一点的方向就是小磁针N极的方向。 磁力线疏密的程度反映了磁场的强弱。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院 磁铁的N极与S极总是成对出现。 磁力线均匀分布且相互平行的区域称为匀强磁场，反之称为非匀强磁场。如右图。2、通电直导线产生的磁场 电流与磁场的方

6、向可用右手螺旋定则来判断。如右图。3、通电螺旋管产生的磁场 电流与磁场的方向可用右手螺旋定则来判断。如右图。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院二、磁路常用的物理量二、磁路常用的物理量 1、磁通 通过与磁场方向垂直的某一面积的磁力线的总数称为磁通量，简称磁通。用表示，单位Wb。 2、磁路 磁力线所经过的路径称为磁路。 主磁路-对我们有用的磁力线所经过的回路称。 漏磁路-对我们无用的磁力线所经过的回路称。 3、磁感应强度 又称磁通密度，是用来表示磁场中各点强弱和方向的物理量，用B表示，单位：T。 在匀强磁场中： AB 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院4、磁导率 磁场

7、中磁感应强度B的大小不但与电流的大小与线圈的形状有关，还与磁场中的介质的性质有关，磁导率就是用来描述介质导磁性能的物理量，用表示，单位：H/m。 真空中的磁导率为一个常数，用0表示，0 =410-7H/m.一般把某一介质的磁导率用相对磁导率r来表示，即该介质的磁导率与真空中的磁导率0的比值。5、磁场强度 磁感应强度的大小与介质的性质有关，这就是磁场的计算变得复杂，为此引入了磁场强度这一物理量。它只与电流的大小和通电导体的形状有关。 0rBH 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.2 1.2 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 1.2.1铁磁物质的磁化曲线铁磁物质的磁化曲线

8、（1）铁磁物质的磁化）铁磁物质的磁化 在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列在外磁场的作用下，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。河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院(2) 初始磁化曲线初始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度进行磁化，当磁场强度H由零由零逐渐增加时，磁通密度逐渐增加时，磁通密度B将随将随之增加。用之增加。用B=f (H)描述的曲线描述的曲线就称为初始磁化曲线。就称为初始磁化曲线。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院可分为四段：可分为四段：1）起始段：）起始段：oa段：段： 2）

9、线性段：）线性段：ab段：段： 3）饱和段：）饱和段：bc段：段： 4）高度饱和段：）高度饱和段：cd段：段： 磁化曲线的拐点（磁化曲线的拐点（b点）称为点）称为“膝点膝点”(3) 磁滞回线磁滞回线剩磁剩磁当当H从零增加到从零增加到Hm时，时，B相应地从零增加到相应地从零增加到Bm；然后；然后再逐渐减小再逐渐减小H，B值将沿曲线值将沿曲线ab下降。当下降。当H=0 时，时，B值并不等值并不等于零，而是于零，而是Br。这就是剩磁。这就是剩磁。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，呈现磁滞现象的时，呈现磁滞现象的B-H闭合曲线，称为磁滞回线。闭合曲线，称为磁滞回线。

10、 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院(4) 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，得到不同的磁反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线。曲线。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.2.2 铁磁材料的损耗铁磁材料的损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗（1）磁滞损耗）磁滞损耗 铁磁材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互铁磁材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互 摩擦摩擦 而消耗的能量。而消耗的能量。 河北科技大学电

11、气工程学院河北科技大学电气工程学院nhhmpC fB V（2 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铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。的热能损耗。222eempCf B V（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。1.32FeFempCfB G 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.2.3 铁磁材料的分类（1）软磁材料适用于制造变压器，电机，电器等。如：铸钢，硅钢片，坡莫合金（2）硬磁材料适用于制造永久磁铁如：镍钴合金，铁氧体，钨钢，钕铁硼等。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.3 磁路的基本定律磁路的基本

12、定律1.3.11.3.1、全电流定律（安培环路定律）、全电流定律（安培环路定律） 沿任何一条闭合回线沿任何一条闭合回线L，磁场强度，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和围的电流的代数和 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 磁场强度磁场强度H 处处相等，则处处相等，则NiHL 1.3.2 1.3.2 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 作用在磁路上的磁动势作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量等于磁路内的磁通量 乘以磁阻乘以磁阻 RmLilH d河北科技大学电气信息学院河北科技大学电气信息学院FRm 证明如下：证明如下： 磁通量磁通

13、量等于磁通密度乘以面积等于磁通密度乘以面积 ，即，即BAABd磁场强度等于磁场强度等于磁通密度除以磁导率磁通密度除以磁导率 /BH 于是于是/ ()N iH llBlA m/ ()FRRmlA 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.3.3 磁路的基尔霍夫第一定律（电流定律）磁路的基尔霍夫第一定律（电流定律）根据磁通的连续性可得：根据磁通的连续性可得：0321 0或或河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.3.4 磁路的基尔霍夫第二定律（电压定律）磁路的基尔霍夫第二定律（电压定律）3kkk11 1221m 12m 2mFN iH lH lH lHRRR 河北科技大学电气

14、工程学院河北科技大学电气工程学院1.3.5 电磁感应定律电磁感应定律（1）电磁感应现象 大家知道，导体通电时能产生磁场，这就是电流的磁效应。相反导体在磁场中运动而切割磁力线时，也会产生电动势，这种现象就成为电磁感应。（2）直导体的感应电动势 1）感应电动势的大小 当直导体在匀强磁场中垂直切割磁力线时： 当直导体在匀强磁场中成某一角度切割磁力线时：如右图：Blve sinBlve 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院2）感应电动势的方向 可用右手定则判定，如右图。（3）线圈中的感应电动势 当一个线圈放在磁场中，无论什么原因，只要二者发生相对变化，在线圈中就会产生感应电动势。1）大小2

15、）方向 若电动势的参考方向与磁通的方向符合右手螺旋定则，则上式为： dtdNedtdNe河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.3.6 电磁力定律（1）电磁力定律 将一通电导体放在均匀磁场中，该导体就会产生力。1）大小 导体与磁场垂直时： 导体与磁场有夹角时：2）方向 用左手定则判定BliF sinBliF 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.4 1.4 磁路的计算磁路的计算1.4.1 1.4.1 磁路计算的方法步骤磁路计算的方法步骤（1 1）磁路计算正问题磁路计算正问题给定磁通量给定磁通量和尺寸，计算所需的励磁磁动势和尺寸，计算所需的励磁磁动势F。 （2）磁路计算

16、逆问题）磁路计算逆问题给定励磁磁势给定励磁磁势F和尺寸，计算磁路内的磁通量和尺寸，计算磁路内的磁通量。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）计算各段磁位降）计算各段磁位降Hklk，6）求出）求出 F= Hklk。7）根据根据F=NIF=NI，若，若N N已知，即可求出励磁电流已知，即可求出励磁电流I

17、I。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。河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院1.4.2 磁路计算实例磁路计算实例例1-4 铁心由硅钢片和空气隙构成，铁芯材料为DR530，铁芯宽度a=0.02m，厚度b=0.03m，磁路平均长度lFe=0.4m，气隙长度=0.0005m，线圈匝数N=400匝，试求产生磁通=6.610-4Wb时所需的励磁磁动势F和励磁电流I。 河北科技大学电气工程学院河北科技大学电气工程学院解解：（1 1）将磁路分成铁芯和气隙两部）将磁路分成铁芯和气隙两部分分（2 2）计算各段磁路的截面积）计算各段磁路的截面积 铁芯部分：铁芯部分：A AFeFe=a=ab=6b=61010- -4 4m m2 2 气隙部分：气隙部分：A A= =（a+a+） （b+b+）=6.2525=6.25251010-4-4m m2 2 （3）计算各段的磁密：）计算各段的磁密： 铁心内磁通密度为铁心内磁通密度为 气隙的磁密为气隙的磁密为（4）确定各段的磁场强度）确定各段的磁场强度HT1.1106106.644FeFeAB 查查DR530DR530磁化曲线查得：磁化曲线查得： 与与BFe=1.1T 对应的对应的 HFe=450A/m58.404510