电机与电器磁路

电机与电器磁路第一页，共四十五页，2022年，8月28日教材：电机控制与供电基础张继和等编西南交通大学出版社2第二页，共四十五页，2022年，8月28日目录第一章磁路第二章变压器第三章三相异步电动机第四章直流电机第五章同步电机及控制电机第六章继电接触器控制系统第七章可编程序控制（后续课介绍）第八章供电与配电（选学内容）3第三页，共四十五页，2022年，8月28日第一章 磁路磁路定义：磁通所经过的闭合路径。是局限于一定路径内的磁场。磁场物理量也适用于磁路。磁路“类似”于电路，可以参照电路理解它。4第四页，共四十五页，2022年，8月28日1.1磁场的基本物理量一、磁感应强度B：磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。单位：特斯拉T、高斯G，1特斯拉=104高斯

均匀磁场：磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同。二、磁通Ф：穿过某一截面积S的感应强度B通量，也可理解为磁力线的总和。单位：韦伯Wb、麦克斯韦Mx，1韦伯=108麦克斯韦。表达式：Ф=BS5第五页，共四十五页，2022年，8月28日磁通密度：单位面积上的磁通多少，数值上等于磁感应强度的大小。磁链：匝数为N的线圈，每匝线圈通过的磁通之和。Ψ=NФ6第六页，共四十五页，2022年，8月28日三、磁场强度Ｈ：是计算磁场所引用的物理量，通过它可以进一步确定电流和磁场之间的关系（安培环路定理）:

磁动势F：是产生磁通的“源”，等于穿过闭合积分回路的电流代数和，即：7第七页，共四十五页，2022年，8月28日磁场强度是表示线圈安匝数的一个表征量，反映磁场的源强弱。磁感应强度则表示磁场源在特定环境下的效果。打个不恰当的比方,你用力去移动一个物体，但物体移动的速度并不一样，还要看物体受到的阻力。作用的力好比磁场强度，而对物体的影响就好比磁感应强度.8第八页，共四十五页，2022年，8月28日四、磁导率μ表示磁场媒质磁性的物理量，即用来衡量物质的导磁能力。μ=B/H（单位亨/米）或B=μH真空磁导率为空气、铜、铝等非磁性物质，磁导率约等于真空磁导率。磁性材料的磁导率远大于空气的磁导率。因此，电机铁芯采用磁性材料。9第九页，共四十五页，2022年，8月28日1.2磁性材料（铁、钴、镍及其合金）为什么磁性材料有高的磁导率呢？——磁化特性。一、磁性材料的磁化：如果有外界磁场，磁性材料就会显示很强的磁性，即被磁化了。B磁场中有铁磁物质A磁场中无铁磁物质铁磁物质的磁化iiB1iiB2<10第十页，共四十五页，2022年，8月28日B有外磁场A无外磁场磁畴被外磁场磁化的模拟磁性材料被磁化的原因——磁畴理论铁磁材料内多个原子组成的自发磁化了的小区域，称为磁畴。在外磁场的作用下，磁畴的极性排列取向一致，和原磁场相互叠加，共同作用，使磁场增强，使铁磁材料显示出高磁导率。11第十一页，共四十五页，2022年，8月28日单质存在的铁矿，一般具有整体磁性，就是因为被地磁场磁化的原因。磁性材料（铁磁材料）的这一特性被广泛应用于各种电机电器中。例如，电机变压器的线圈中都装有铁芯，就是为了以较小的激磁电流获取较大的磁通。非磁性材料因为没有磁畴，磁场对单个物质原子不起作用，不具有磁化的特性，磁导率也不会很大。12第十二页，共四十五页，2022年，8月28日二、磁化曲线：磁性材料在磁化过程中，磁感应强度Ｂ随磁场强度（外加磁场）Ｈ变化的曲线，称为磁化曲线。

该曲线分为四段：oa起始段，B增长缓慢，磁畴尚未大量取向一致ab上升段，B与H基本成正比迅速增大；磁畴开始大量取向一致。bc饱和段，B的增长放缓，磁畴基本全部取向一致。铁磁材料的磁化曲线13第十三页，共四十五页，2022年，8月28日关于磁饱和的解释c点以后，H再增大时，B几乎不再增长，磁化曲线呈非线性，达到“饱和”。原因是磁畴取向全部一致，再也没有磁畴加入进来。在磁化整个过程中，磁导率μ（斜率）不是常数，开始很大，后来很小，跟空气差不多了。在电机、变压器的主磁路中，为了获得较大的磁通量，而又不过分增大磁动势，通常选B点作为磁感应强度额定工作点。铁磁材料的磁化曲线14第十四页，共四十五页，2022年，8月28日剩磁：当H减小至零时，对应的Br。磁滞：B-H的变化关系为一闭合曲线，B的变化总是滞后于H的变化。矫顽力：要使剩磁消失，必须进行反向磁化，对应点的Hc称为矫顽力。15第十五页，共四十五页，2022年，8月28日软磁材料：磁滞回线窄，Br小，Hc较小。如：铸钢、硅钢片，用来制作电机、变压器、电磁铁的铁芯。硬磁材料：磁滞回线宽，Br大，Hc较大。如：铁氧体、钕铁硼等稀有金属合金等，一般用来制造永久磁铁。矩磁材料：磁滞回线矩形，μ高，Br大，Hc小。如：镁锰铁氧体和铁镍合金，一般用来制造磁粉等记忆材料。软磁材料硬磁材料矩磁材料16第十六页，共四十五页，2022年，8月28日磁场的损耗1、磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时，内部的磁畴不停的往返倒转，摩擦生热而消耗能量，称为磁滞损耗。磁滞损耗和磁场频率、磁滞回线面积（跟材料有关）、磁通密度幅值（最大值）有关。用硅钢片可减少磁滞损耗。

17第十七页，共四十五页，2022年，8月28日2、涡流损耗

:铁磁滞材料中的磁通交变时，会感应电动势和电流，因为这种电流呈漩涡状，故称为涡流。涡流在材料的电阻上产生的损耗，称为涡流损耗。涡流损耗和磁场频率、磁通密幅值、及材料的电阻和厚度都有关系。因此，电工钢片一般都很薄，并且加入4%左右的硅，形成半导体类合金，显著增加电阻。磁滞损耗和涡流损耗共称为铁耗，表示式：18第十八页，共四十五页，2022年，8月28日1.3磁路的基本定律和磁路计算一、电磁感应定律（法拉第——楞次电磁感应定律）线圈匝数为N，密集缠绕，则ψ=NФ

；假设e与Φ的正方向符合右手螺旋关系，则有右方的负号，表示感应电流的方向遵从楞次定律：感应电动势所产生的感应电流的方向，总是（力图）使得它所产生的磁场阻止磁通量的改变。19第十九页，共四十五页，2022年，8月28日20第二十页，共四十五页，2022年，8月28日问题：如果感应电动势正方向与磁通的正方向之间不符合右手螺旋关系，则电磁感应定律应写成：21第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日电势的产生有两种，本质一样。（1）变压器电势（2）发电机电势切割右22第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日二、电磁力定律载流导体在磁场中会受到电磁力的作用。它是电子受力的集体表现。如果导体与磁场方向垂直，则电磁力

电磁力的方向由左手定则确定。电磁力的效果企图阻碍电流流入（如何理解）。通电左23第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日三、磁路柯西荷夫定律

1、磁路的柯西荷夫第一定律：流入任意闭合曲面的磁通为零。

24第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日

2、磁路的柯西荷夫第二定律：磁路的磁动势等于各段磁路的磁压降之和。25第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日四、磁路欧姆定律如图所示为一均匀磁路。根据安培环路定律可得

磁阻表达式：磁路的磁阻与长度成正比、与横截面积成反比，与磁导率成反比。26第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日对于多段此路，同样适合磁路欧姆定律：27第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日电路和磁路的对照比较表28第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日五、磁路计算例1．如图所示为一闭合电磁铁磁路，铁芯为硅钢，要产生磁通Ф=0.0012Wb时，需要线圈产生多大的磁动势？解：求铁芯的磁场强度

查硅钢片磁化曲线

求磁势问题：为何不能用公式H=B/µ直接求H？29第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日例2．如图所示为一有气隙的电磁铁磁路，铁芯为硅钢，要产生磁通Ф=0.0012Wb时，要求线圈提供多大的磁动势？解：（1）求铁芯的磁场强度

查硅钢片磁化曲线得

（2）求空气隙的磁磁场强度30第三十页，共四十五页，2022年，8月28日（3）求总的磁动势为：由此可见，气隙的存在，虽然很小，但对磁势增加很大。大部分的磁势降落在小小的气隙上。有些磁路没有气隙，如变压器的磁路；有的磁路必须有气隙，如电动机。有些磁路有气隙，但工作后就没有，如电磁铁。31第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日问题：1、刚才两个例子都是已知磁通求磁势问题。若已知磁势求磁通，如何求？答：试探法。先假定一个磁通，根据磁通求磁感应强度、再求磁场强度、最后得出磁势，跟已知的磁势比较，再调整。2、把一个没有空气隙的铁芯线圈和有空气隙的相同铁芯线圈，接到同一直流电压源上，产生的磁通有何不同？为什么？32第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日1.4交流铁芯线圈电路铁芯分直流和交流两种。直流铁芯线圈外加直流来励磁，产生的磁通是恒定的，在线圈和铁芯中不会产生感应电势。线圈电流与线圈电阻有关,

I=U/r

，线圈的功率损耗P=I2r。直流磁路直观简单，容易理解。交流铁芯线圈的电磁关系、电压关系、功率损耗方面都与直流铁芯线圈不同。不论直流磁路还是交流磁路，都遵守磁路欧姆定律：33第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日线圈通入交流电i，产生的磁通分为两部分，大部分以铁芯为磁路（主磁路），是传递能量的主要媒介，属于工作磁通，称为主磁通Φ。铰链线圈自身的称漏磁通Φσ，只占很少一部分。电压方程式：34第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日若电压为正弦电压时，由于u≈-e，则磁通也为正弦磁通，设：电势的有效值：著名的4.44公式35第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日例要绕制一个铁芯线圈，磁路长为60cm，电源交流U=220V，f=50Hz，铁芯硅钢片，面积S=30.2cm2，叠片系数k=0.91。问（1）如果要求铁芯的磁感应强度Bm=1.2T，问线圈匝数N=？（2）励磁电流应为多大？解：（1）铁芯有效面积

（2）查磁化曲线，当Bm=1.2T，查出Hm=700A/m36第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日思考有两个线圈匝数相同，一个绕在闭合铁芯上，另一个绕在木材上，两个线圈通入相同电压的交变电流。试问两者的主磁通大小怎样？哪个线圈的电流大?有人做过实验，交流电磁铁通电后，在刚刚开始吸合的过程中电流大，一旦吸合后电流就会变小，为什么？类似的，解释为什么电磁铁衔铁之间有杂质时，就会发热严重，甚至烧毁线圈。37第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日例：铁芯线圈交流磁路功率损耗例题有一交流铁芯线圈，电源电压U=220V，电路中电流I=4A，功率表读数为P=100W，频率f=50Hz，漏磁通和线圈电阻压降忽略不计，求①铁芯线圈的功率因数；②铁芯线圈的等效电阻和等效感抗。解：①铁芯线圈的功率因数：②铁芯线圈的等效阻抗值：

等效电阻：等效感抗：38第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日练习：有一交流铁芯线圈，先将它接在直流电源上，从而测得线圈的电阻为r=1.75Ω；然后接在交流电源上，测得电压U=120V，功率P=70W，电流I=2A，试求线圈的功率因数、铁耗电阻rFe。39第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日对于电磁铁各物理量的总结：幅值相量幅值相量有效值相量40第四十页，共四十五页，2022年，8月28日§1.5电磁铁电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁工作的一种电器。电磁铁的吸力公式：交流电磁铁吸力的瞬时值：交流电磁铁吸力平均值：41第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日交流电磁铁噪音产生的原理：磁力有零点，反力弹簧的作用下，吸合处产生缝隙。消除噪音方法：磁极