电机的磁路和磁路定理

关于电机的磁路和磁路定理第1页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.1磁场、磁路磁场：运动电荷（电流）的周围空间存在的一种特殊形态的物质，是描述磁力线在电机空间分布及变化。磁路：磁力线闭合的主路径。电机的磁路主要是铁磁材料构成，而旋转电机都有空气隙，空气隙的磁场是旋转电机能量转换的重要因素。主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过，这部分磁通称为主磁通。漏磁通：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。主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流。简单铁心磁路第2页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.1磁场、磁路——各种设备的磁路2极直流电机的磁路4极同步电机的磁路2极感应电机的磁路变压器的磁路第3页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.1磁场、磁路——各种设备的磁路第4页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.2磁感应强度（磁通密度）B、磁通量Φ磁感应强度（磁通密度）B：磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。单位：T（特斯拉）、D（高斯），1T=104D。均匀磁场：磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同。磁通量Ф：穿过某一截面积S的感应强度的通量，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。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量之和。Ψ=NФ第5页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.3导磁率μ、磁场强度H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）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。磁性材料的磁导率为

μFe=（2000~6000）μ0磁性材料的磁导率远远大于空气的磁导率。如：铁、镍、钴及其合金。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。磁场强度H：表征磁场性质的另一个物理量。它也是一个矢量，其单位为A/m（安/米）。在电机分析中磁场强度反映了电磁之间的关系，它和磁感应强度间的数量关系是：第6页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.4铁磁性材料的磁化曲线（B-H曲线）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（线性区），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。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B-H（磁化）曲线第7页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.4铁磁性材料的磁化曲线（B-H曲线）当电机磁通波动，特别是周期性变化时，铁磁材料正反向磁化出现上升B-H曲线和下降B-H曲线不相重合如图所示。构成封闭回线，称为磁滞回线。电机中常用的线圈铁芯如硅钢叠片、铸铁、铸钢等Hc较小，而永磁材料的磁极Br和Hc较大。剩磁Br：去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。矫顽磁力Hc：要使B为零，必须加上相应的反向外磁场。磁滞：铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。第8页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.4铁磁性材料的磁化曲线（B-H曲线）基本磁化曲线HB

第9页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.4铁磁性材料的磁化曲线（B-H曲线）软磁材料的磁滞曲线B软磁材料H第10页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.4铁磁性材料的磁化曲线（B-H曲线）硬磁材料（永磁材料）的磁滞曲线BH硬磁材料第11页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.5常用的铁磁材料及其特性根据矫顽磁力的大小和磁滞回线的形状，磁性材料分为软磁材料和硬磁材料（永磁材料）。（1）软磁材料矫顽磁力小和磁滞回线较狭窄，而导磁率很大，容易被磁化，在较低外磁场的作用下就能产生较高的磁通密度，一旦外磁场消失，其磁性基本上消失。如电工硅钢片、铸钢、铸铁等。（2）硬磁材料（永磁材料）矫顽磁力大和磁滞回线较宽阔，而导磁率较小，不容易被磁化，也不容易失磁，当外磁场消失后，它们能保持相当强且稳定的磁性。如铁氧体（铁和锶、钡等金属元素的一种或多种复合化合物）、铝镍钴（铁和铝、镍及钴的合金）、稀土永磁材料等。第12页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.5常用的铁磁材料及其特性第13页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.5常用的铁磁材料及其特性第14页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.5常用的铁磁材料及其特性第15页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.5常用的铁磁材料及其特性第16页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.6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，分子运动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。上式中：V为导磁体的体积；kh为导磁材料的磁滞损耗系数；f为磁场交变频率，即导磁体被反复磁化的频率；Bm为磁化过程中的最大磁通密度；指数n与材料的性质有关，其值在1.4~2.0之间。第17页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.6磁场的损耗（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。上式中：V为导磁体的体积；ke为铁芯材料的涡流损耗系数；τ为叠片的厚度，在50Hz的交变磁场中一般在0.3mm~0.5mm之间；f为磁场交变频率，即导磁体被反复磁化的频率；Bm为磁化过程中的最大磁通密度。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，显著增加电阻以减小涡流损耗。磁滞损耗和涡流损耗共称为铁耗，表示式：一般电工钢片，Bm在1.8T内，可近似为：其中：kFe为铁芯损耗系数。B↑

第18页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律（1）安培环路定律（全电流定律）磁场強度矢量H沿任一闭合磁路的线积分，等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。上式中：N为闭合路径链着的线圈匝数；I为线圈中的电流。积分回路的绕行方向和产生该磁场电流的方向符合右手螺旋法则。磁压（磁位差）：磁场强度沿一条路径L的线积分。沿着磁场中任一闭合回路，其总磁压等于总磁势：HL注意：磁压、磁动势单位均为A。第19页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律（1）安培环路定律（全电流定律）例1：一闭合铁心磁路，铁心的截面积，磁路的平均长度L=0.3m，铁心的磁导率，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。？？？A

第20页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律（2）磁路的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：

其中：μ为导磁性物质的磁导率；L为导磁性物质的长度；S为导磁性物质的截面积。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。作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通量乘以磁阻。磁阻的单位是H-1或A/Wb。第21页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律（3）磁路的基尔霍夫第一定律定律内容：穿出（或进入）任一闭和面的总磁通量恒等于零（或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量），这就是磁通连续性定律。

又称磁路的并联定律。对于闭合面A：第22页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律（4）磁路的基尔霍夫第二定律定律背景：磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。定律内容：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。

又称磁路的串联定律。i第23页，课件共26页，创作于2023年2月1.1.7磁路的基本定律注意：磁路虽然形式上与电路相同，但它们之间却存在着本质上的不同，如电流是真实的带电粒子的运动，铁芯材料的磁化是铁磁材料内部磁畴绕轴转动，形成一个附加磁场，而磁场仅仅是人们对磁场现象的一