电机与拖动基础1

预备知识研究电机时常用的基本概念和定律1-11.1磁路的基本概念1.2电机中常用的基本定律1.3电机中铁磁材料及其特点小结2/5/20231.1磁路的基本概念1-2磁场是实现:电能→机械能;机械能→电能.转换的耦合介质,所以其强度的大小和分布决定了电动机的性能,也代表了电动机的性能.由于铁磁材料和气隙的并存难用麦克斯韦尔方程求解.所以常把磁场问题简化为磁路问题处理.

2/5/20231.1磁路的基本概念1磁感应强度B：（磁通密度）

表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的方向（矢量）

与电流的方向之间符合右手螺旋定则。均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的

磁场，也称匀强磁场。单位:特[斯拉](T)1-3磁场的几个常用量2/5/20232磁通

（磁通量）磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。

说明:

如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S

磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1-42/5/20233磁场强度H磁场强度H：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)1-52/5/2023真空的磁导率为常数，用

0表示，有：4磁导率

磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。相对磁导率

r：

任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。磁导率的单位：亨/米（H/m）1-62/5/2023

任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。

式中：是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；I

是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：1.安培环路定律（全电流定律）I1HI2安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。

在均匀磁场中

Hl=IN1-71.2电机中常用的基本定律

2/5/20232.电磁感应定律：定义：无论何种原因使得与闭合线圈交链的磁链ψ随着时间t变化时，线圈中将会产生感应电动势e运动电动势变压器电动势1-8切割（运动）电动势：指导体与磁场有相当运动，导体切割磁力线时导体内产生感应电动势。此时的e叫做切割电动势e=Blv,方向由右手定则判定。变压器电动势：指线圈不动，穿过线圈的磁通Ф发生变化，这样在线圈内将产生感应电动势，其大小与线圈的匝数和磁通变化率成正比，方向由楞次定律决定（右手螺旋法）电磁感应：变化的磁场会产生电场，使导体中产生感应电动势。2/5/20233.磁路欧姆定律磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比，即磁通

=F/Rm1-9上式中，Rm——磁路的总磁阻，1/HF——磁动势

线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN，该乘积就叫磁动势F2/5/20234.磁路的基尔霍夫第一定律

任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零1-10在磁路(magneticcircuit)中根据磁通的连续性可得：穿入任一闭合面的磁通必等于穿出该闭合面的磁通，即磁路中通过任何闭合面上的磁通的代数和等于零，则有2/5/20235.磁路的基尔霍夫第二定律

在闭合磁回路中，磁路各段磁压降的代数和等于作用于该磁路上的磁动势之和。1-11上式中，H——磁场强度，A/m；

L——各段磁路的长度，m；

N——线积分线路所包围的导体数；

I——每根导体所流过的电流，A。Rm——磁路的总磁阻，1/HF——磁动势2/5/2023图1磁路的基尔霍夫第二定律5.磁路的基尔霍夫第二定律2/5/20236.电磁力定律：

载流导体在磁场中要受到力的作用，方向：用左手定则判定。

f=Bil

在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，我们称之为电磁转矩。电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。1-132/5/20237.电路定律：1）欧姆定律：u=iR2)基尔霍夫第一定律（电流定律）：∑i=03)基尔霍夫第二定律（电压定律）：在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，即：

∑e=∑u1-142/5/2023

8.能量守恒定律：物理中的能量守恒定律在这里同样使用，稳态运行时，

1-152/5/2023磁路和电路的类比和区别注意：尽管磁路和电路在物理量和基本定律上有一一对应的关系，但是，磁路和电路仍有本质的区别：1）电路中可以有电动势而无电流，磁路中有磁动势必有磁通2）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通下，磁路中无损耗(直流磁路中有磁通但铁心中没有损耗)3）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响(磁路中磁通没有绝磁体，磁通在除铁心中外在周围空气中也有漏磁通)4）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，而由于铁磁材料构成的磁路中，磁导率是随着磁密而变化的，所以磁导率不是一个常数（随铁心的饱和程度变化）5）线性电路中满足叠加原理；而铁心中不能用叠加原理1-162/5/20231.3电机中铁磁材料及其特点

电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。

所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。1-17电机主要组成系统2/5/20231.3.1铁磁材料的磁化1-18铁磁材料：铁，镍，钴等及其它们的合金。磁化：铁磁材料能在外磁场中呈现很强的磁性，这种现象叫磁化。磁化是铁磁材料的特性之一。关键是磁畴。见右图图b磁化图a未磁化2/5/20231.3.1铁磁材料的磁化

铁磁材料的磁导率μ要比非铁磁材料磁导率μ0大得多（μ>>μ0），非铁磁材料磁导率接近真空磁导率μ0

（μ0=4π×10-7H/m）。电机中常用的铁磁材料的磁导率μ=（2000~6000）μ0

。1-192/5/20231.3.2磁化曲线magnetizationcurve

在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间呈线性关系，即B=μ0H。

对于铁磁材料，磁导率μ除了比μ0大得多以外，还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的磁导率μ不是常数。

在工程计算时，事先将各种铁磁材料用试验的方法，测得它们在不同磁场强度H下对应的磁通密度B，绘制成B-H曲线，这条B-H曲线，就称为磁化曲线。将未经磁化的铁磁材料进行磁化，磁场强度H由零增大时，磁通密度B随之增大，所得的B=ƒ（H）曲线称为起始磁化曲线。1-202/5/2023

非铁磁材料中,磁密B和磁场强度H之间为线性关系.铁磁材料磁密B和磁场强度H之间为非线性关系.见图1-7磁化曲线见图1-7铁磁材料的起始磁化曲线和曲线B0Habcd各种电机和变压器的主磁路中,为获得较大的磁通量,又不过分增加磁势,一般是选择在b点(也叫膝点)1-212/5/2023分析磁化曲线从图中可见，曲线分四段

在oa段：当H增大→B增大，但B增大速度较慢；

在bc段：B随H增大的速度又较慢；

在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中，a点称为跗点；拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。

过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近μ0。

在ab段：当H增大→B增大，B增大速度快；1-222/5/20231.3.3磁滞回线hysteresisloop

铁磁材料被反复磁化时，B和H之间的变化关系不是单值的，B-H曲线是一条磁滞回线。1-23图1-8铁磁材料磁滞回线BHfOcabde磁滞：B变化落后于H变化的现象磁滞回线：呈现磁滞现象的回线Br称为剩磁

：(剩余磁通密度)

当H=0时，B≠0，B=BrHc称为矫顽力：

当B=0时，H≠0，H=Hc2/5/2023对于同一种铁磁材料选则不同的磁场强度Hm进行反复磁化时，可测出一系列大小不同的磁滞回线，见图1-9，将各个顶点连接起来,所得的曲线叫基本磁化曲线或平均磁化曲线。1.3.4基本磁化曲线

图1-9基本磁化曲线BHO1-242/5/2023

1.3.5铁磁材料1.软磁材料

回线窄,剩磁和矫顽小的材料.如:硅钢片,铸铁,铸钢等，多用于做电机2.硬磁材料

回线宽,剩磁和矫顽大的材料.如:铝,镍,钴等.做永久磁铁图1-11硬磁材料

BHO图1-11软磁材料BHO根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料和软磁材料。1-252/5/2023不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算（如图中的曲线3所示）。由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。说明1-262/5/20231.3.6铁磁材料的特点铁磁材料具有如下特点：1)高导磁性铁磁材料（如铁，镍，钴等）的磁导率μ要比非铁磁材料磁导率μ0大得多（几千到几万倍）2)

饱和性它的磁化曲线具有饱和性，3)

磁导率μ不是常数与物质磁状态的历史有关且随B的变化而变化。1-272/5/20231.3.7交流磁路中的铁心损耗

交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。1.磁滞损耗hysteresisloss

铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相互摩擦消耗能量变成热量，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率f、铁芯的体积V、磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：式中kh——磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工硅钢片n=1.6～2.3；f——磁通交变频率；Bm——磁通密度的最大值。1-28或2/5/20232.涡流损耗eddy-currentloss

铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。

涡流损耗与磁场频率f、磁通密度Bm和硅钢片的厚度成正比，与铁芯的电阻率成反比。

涡流损耗功率可用下式表示：1-29图1-12硅钢片中的涡流2/5/20233.铁芯损耗coreloss

铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗，即有：1