《CH1磁路》PPT课件.ppt

1,第一章 磁路,第一节 磁场的几个基本物理量 第二节 常用铁磁材料及其特性 第三节 基本电磁定律 第四节 磁路基本定律 第五节 能量守恒定律,磁感应强度(Magnetic flux density)B,表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 B 的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B 的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,磁通(Magnetic flux),均匀磁场中磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。,第一节 磁场的几个基本物理量,磁导率(magnetic permeability),磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率：,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,相对磁导率r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的r远大于1。,第一节 磁场的几个基本物理量,磁场强度(magnetic field intensity)H,磁场强度只与产生磁场的电流及电流分布有关，与磁介质的磁导率无关，单位是安米（Am）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。,第一节 磁场的几个基本物理量,5,第二节 常用铁磁材料及其特性,铁磁物质的磁化 铁磁材料在外磁 场中呈现很强的磁 性，此现象称为铁磁 物质的磁化。,常用铁磁材料：铁、镍、钴及其合金。,(Characters of Ferromagnetic Materials),6,起始磁化曲线(Magnetization curve),定义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线。,第二节 常用铁磁材料及其特性,7,B,H,铁磁材料的起始磁化曲线,a,b-膝点,c,d,o,8,应用: 设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势。通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。,常用铁磁材料及其特性,磁饱和现象：随着磁场强度H增加，而磁通密度B增加很小的现象，也称饱和。,空气等非铁磁材料有磁饱和现象吗,9,形成一对称原点的闭合曲线，称为磁滞回线。,铁磁材料的磁滞回线(Hysteresis loop) （假定铁芯最初未被磁化）,B,H,a,b,c,d,e,f,常用铁磁材料及其特性,10,几个相关的重要概念,B,H,a,b,c,d,e,f,剩磁(remanant magnetization):去掉外磁场之后，铁 磁材料内仍然保留的磁通密度。,矫顽力:要使B值从最大 值减小到零，必须加上 相应的反向外磁场，此 反向磁场强度称为矫顽 力 。,11,几个相关的重要概念,磁滞现象: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 。 磁滞回线:呈现磁滞现 象的B-H闭合回线 。 磁滞现象是铁磁材料 的另一个特性。,12,基本磁化曲线(B-H curve or hysteresis loop) 改变H 的幅值大小，可得到多个磁滞回线。这些线均对称原点，但（Hm,Bm）值不同； 将不同的（ Hm,Bm ）点连 接，即得到基本磁化曲线。,H,B,-H,-B,0,a1,d1,铁磁材料的基本特性,13,H,B,0,基本磁化曲线 基本磁化曲线一般只用第一象限。,铁磁材料的基本特性,14,铁磁材料的三个特性：磁滞性，饱和性，高导磁性。 磁滞性：对应同一磁场强度H的值，去磁过程中磁通密度B比增磁过程大。 B 的变化落后于H的变化，这 种性质叫磁滞性。,H,B,-H,-B,0,a1,b,Br,d1,c,f,铁磁材料的基本特性,HC,15,铁磁材料：软磁材料，硬磁材料。 软磁材料：磁滞回线窄，剩磁Br与矫顽力Hc均小的材料，如铸铁，钢，硅钢片等。 软磁材料特点：导磁率高，可做电机，变压器铁心。,铁磁材料的分类,软磁材料的磁滞曲线,软磁材料,H,B,16,硬磁材料：磁滞回线宽， 剩磁Br与矫顽力Hc均较大 的材料，有铁氧体、铝镍 钴和稀土材料，稀土材料 为新材料，研制永磁电机 的主要材料。,铁磁材料的分类,B,H,硬磁材料,硬磁材料的磁滞曲线,17,永磁材料种类示意图,18,带铁心交流线圈的损耗 铜损耗：线圈电阻上的功率损耗，发热； 铁损耗：铁心处于反复磁化下也产生功率 损耗，发热。 铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。,铁磁材料的铁损耗,19,磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。,i,t,0,1800,3600,H,H,i,随电流的反复变化，外加H方向也变化，小磁畴的方向随H 的方向来回变化，在磁畴之间摩擦生热，消耗功率； 电流越大，损耗越大； 磁滞回线面积越大，Bm幅值也越大，磁滞损耗越大。,铁磁材料的铁损耗,20,V：铁磁材料的体积,磁滞损耗计算经验公式,由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。,铁磁材料的铁损耗,Ch ：为材料的磁滞损耗系数，与材料有关； n：由试验确定，对一般电工钢片取n=1.6-2.3。,21,：钢片厚度,涡流:在交变磁场作用下，变化的磁通在铁心中将感应电势并产生电流，这些电流在铁心内部环绕磁通呈旋涡状流动，称为涡流。 涡流损耗：涡流在铁心中引起的损耗。,铁磁材料的铁损耗,Ce为材料的涡流损耗系数，其大小决定于材料的电阻率。,22,硅钢片中的涡流,B,23,定义: 铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。,表达式:,铁磁材料的铁损耗,24,1、直流线圈中有铁耗吗？ 2、电机和变压器的铁心为什么采用硅钢片？,思 考,25,第三节 基本电磁定律,电机是进行能量转换的机械，变压器也是电机的一种类型，称为静止电机，将一种电压的电能转变为另一种电压的电能。 不管是发电机还是电动机和变压器，其工作原理都是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基本电磁定律和电路、磁路定律基础上的，所以，熟练掌握这些基本定律，是深入研究电机基本理论的基础。,26,电磁感应现象：当穿过某一闭合导体回路的磁通发生变化（无论是何种原因变化）时，在导体回路中就会产生电流，这种现象称为电磁感应现象，产生的电流称为感应电流。 线圈感应电势的大小与线圈匝数成正比，与单位时间内磁通量的变化率成正比，可用下式表示：,电磁感应定律,27,，为穿过整个线圈的磁链。 感应电势的方向决定于感应电势在线圈中产生的电流方向，该电流所产生的磁场总是阻碍原来产生感应电势的磁场的变化。,电磁感应定律,28,电磁感应定律,29,若线圈与磁场处于相对静止，线圈中的感应电势是由于与线圈相交链的磁通量本身随时间变化而产生的，这种感应电势称为变压器电势。表示为:,变压器电势,30,如果磁场恒定（直流励磁），线圈与恒定磁场之间在正交方向上发生相对运动，引起和线圈相交链的磁通量发生变化，也会产生感应电势，这样的电势称为运动电势。运动电势可表示为：,运动电势,31,l是线圈边在磁场中的有效长度;,v是线圈导体沿磁场垂直方向的运动速度（米/秒）。 运动电势的方向由右手定则确定。,运动电势,32,自感电动势 当线圈中有电流通过，会产生与线圈自身交链的磁通 。线圈中的电流随时间变化，磁通也变化，变化的磁通 将在线圈中感应电动势，这种由于线圈自身电流变化而引起的感应电动势，叫做自感电动势，用符号 表示，可得：,自感电动势和互感电动势,i,33,如果线圈为空心线圈，由于空心线圈组成的磁路无饱和现象，磁导率为常数，则线圈的自感磁链与产生它的励磁电流I成正比，有： 式中，L为比例常数，称为线圈的自感系数，简称自感，单位为亨，符号为H，于是自感电动势可表示为：,34,表明：自感电动势与线圈内电流变化率成正比。 自感系数L等于单位电流所产生的磁链，即 ，而磁链 ，根据磁路欧姆定律有磁通量为： 为自感磁通所经过路径的磁阻，所以：,35,是自感磁通所经路径的磁导，它与磁阻的关系为:,线圈自感与线圈匝数的平方成正比，与磁通所经过磁路的磁导成正比。由于铁磁材料的磁导率远远大于空气的磁导率，因此铁心线圈的自感较空心线圈的大得多。又因为铁磁材料有饱和性，其磁导率不是常数，所以铁心线圈的自感也不是常数，随着磁路饱和程度的增加，磁导率下降，线圈自感也减小。,36,4、磁路饱和程度变化影响线圈电感大小吗？如何影响？,1、线圈电感大小是否是与交链线圈的磁链成正比，与流过线圈的电流成反比？线圈电感大小由哪些因数决定？,2、铁心线圈和空心线圈，哪一种线圈电感大？,3、铁心线圈电感是常数吗？为什么？空心线圈呢？,思 考,37,线圈1的电流变化在线圈1中产生的电动势为自感电动势，在线圈2中感应的电动势称为互感电动势，用 表示， 表示线圈1中的电流变化在线圈2中的互感电动势，大小为：,图18 互感磁通和互感电动势,互感电动势,38,如果线圈为空心线圈，则 越大，由 产生并穿过线圈2的互感磁链也越大，所以互感磁链与产生它的电流成正比，即：,为比例系数，称为线圈1和线圈2的互感系数，简称互感，单位也为亨。 互感电动势 可用互感表示为：,同理，有：,39,是互感磁通所经过路径的磁导。所以，互感与两个线圈的匝数乘积成正比，与磁路的磁导成正比。,40,载流导体在磁场中将要受到力的作用，由于这种力是磁场和载流导体相互作用产生的，所以称为电磁力。若磁场与导体垂直，则作用在导体上的电磁力为：,l是导体在磁场中的长度；,i是导体中的电流。 电磁力的方向通过左手定则确定。,图1-8左手定则,电磁力定律,41,旋转电机：作用在转子载流导体上的电磁力使转子受到一个力矩（等于电磁力乘以转子的半径），这个力矩叫做电磁转矩。设转子半径为r，单根导体产生的电磁转矩为：,匝数为N的线圈，设线圈两侧边所处的磁场分别为 和 ，线圈受到的力矩为：,f,42,线圈两边所处磁场大小相等、极性相反时，线圈所受电磁转矩最大。 对于一台沿圆周均匀布置有线圈的电机，气隙中磁场如果均匀，即圆周各处的 相等，则转子可能受到最大电磁转矩为：,D为转子直径。,电动机中，电磁转矩起什么作用？发电机中，电磁转矩又起什么作用？,43,第四节 磁路基本定律,1.磁路的概念,磁通所通过的路径称为磁路。,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心，线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路，因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,44,无分支铁心磁路,A,N,i,45,主磁通：铁心的导磁性能比空气好得多，绝大部分磁通在铁心内通过,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，称为漏磁通。,主磁通和漏磁通,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。 直流:直流磁路 例如:直流电机 交流:交流磁路 例如:变压器,46,主磁通,漏磁通,两种常见的磁路-变压器的磁路,返回,47,式中：N为闭合路径所交链的线圈匝数。,又称为全电流定律，即：在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度矢量的线积分 ，等于该闭合回路所包围电流的代数和，用公式表示为：,安培环路定律,48,当电流的方向与闭合路径的环形方向符合右手螺旋定则时，电流i取正号，否则取负号。 若沿着闭合回路，磁场强度H的方向总在切线方向，且大小处处相等，则有：,附图,安培环路定律,49,安培环路定律,H,L,50,由于磁场强度等于磁通密度除以磁导率，即：,在均匀磁场中有磁通密度,磁路的欧姆定律,51,为作用在铁心磁路上的安匝数，称为磁路的磁动势，它是造成磁路中有磁通的根源，简称磁势。,为磁路的磁阻，单位为A/Wb。,为磁路的磁导。,磁路的欧姆定律,52,作用在磁路上的总磁动势F等于磁路内磁通量与磁路磁阻Rm 的乘积，它与电路中的欧姆定律在形式上十分相似，称为磁路的欧姆定律。 磁动势F电动势E 磁通量电流I 磁阻Rm 电阻R 磁阻与磁路的平均长度l成正比，与磁路的截面积S及构成磁路材料的磁导率成反比。,注意：铁磁材料的磁导率 不是常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁阻也不是常数，而是随着磁路中磁通密度的大小而变化，即铁磁材料的磁路具有非线性。（图）,磁路的欧姆定律,53,模拟磁路图,F,54,1、磁路磁阻大小由哪些因数决定？它和磁动势及磁通之间有什么关系？,2、空气磁路和铁磁材料组成的磁路有什么不同吗?,55,如果铁心不是一个简单闭合回路，而是带有并联分支的分支磁路，从而形成了磁路的节点。当忽略漏磁通时，在磁路中任何一个节点处，磁通的代数和恒等于0，即：,图110 磁路的基尔霍夫第一定律,磁路的基尔霍夫第一定律,图,56,磁路的基尔霍夫第一定律,A,N,i,57,磁路的基尔霍夫第二定律,在磁场中的任何一个闭合回路中，磁压降的代数和等于磁动势的代数和，磁场的方向与回路环行方向一致时，Hl符号为正，否则为负；电流的方向与回路环行方向符合右手螺旋定则时，Ni符号为正，否则为负。,58,图111 磁路的基尔霍夫第二定律,59,电路与磁路的比较,导体电阻率在一定温度下为常数，通常可认为电阻为常数，分析线性电路时可应用叠加原理。铁磁材料的磁导率不是常数，与磁路饱和程度有关，所以磁路的磁阻不是常数，也与磁路饱和程度有关，所以磁路计算不能采用叠加原理，只有当磁路不饱和时才可以使用；,铁心磁路的这种非线性特性，对电机的参数和性能有重要影响，磁阻或磁导是定性分析这种影响时常用的概念。,60,电路中，可以有电动势无电流，而且可认为电流只在导体中流过，导体外无电流。磁路中，只要有磁动势，就一定有磁通，而磁通不是全部在铁心中通过，除了铁心中的主磁通外，还有一部分漏磁通在铁心外的非铁磁材料中； 电路中，只要有电流，电阻上就有损耗。磁路中，有磁通却不一定有损耗，在磁通恒定的直流磁路中没有损耗，而在磁通交变的交流磁路中有铁耗，即磁滞损耗和涡流损耗。,电路与磁路的比较,61,例11 有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A ，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。,62,解：（1） 用安培环路定律求解 磁场强度 磁动势 励磁电流,63,（2） 用磁路的欧姆定律求解 磁通量 磁阻 磁动势 励磁电流,64,例12 若在例1l的磁路中，开一个长度 的气隙，问铁心中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少?已知铁心截面积 ， 。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向各增加 值。,65,解：用磁路基尔霍夫第二定律求解 铁心内的磁场强度: 气隙磁场强度: 铁心磁位降: 气隙磁位降: 励磁磁动势:,注意: 气隙虽然很短, 但其磁阻及磁压降占整个磁路的89%。,66,气隙虽然很短, 但其磁阻及磁压降占整个磁路的89%。,总结,表明：由气隙和铁磁材料构成的磁路中，磁位降主要降落在气隙上。,67,能量守恒定律： 输入能量输出能量内部损耗 电机在运行过程中存在四种形式的能量，即电能、机械能、磁场能、热能。电机运行过程中，以上四种能量之间存在如下的平衡关系： 输入的机械能(发电机)或电能(电动机)磁场储能热能输出的电能(发电机)或机械能(电动机),第五节 能量守恒定律,68,为输入功率，,为输出功率，,为各种损耗之和。,在电机分析中，通常将能量守恒定律用功率平衡方程式来表示。电机稳态时，磁场储能增量为0，因此功率平衡方程式为：,第五节 能量守恒定律,69,18，19，110 其余思考题思考,本章作业,70,三相电路复习,71,三相电路概述,三相电路 (three-phase circuit) 是由三相电源供电的电路。三相电源是能产生三相电压，能输出三相电流的电源。所谓三相电压 (或电流)，是三个频率相同但相角不同的电压(或电流)的总称。,三相制 (three-phase system) (三相供电系统) 自19世纪末问世以来，已广泛应用于发电、输电、配电和动力用电等方面。,72,对称三相电压,三相四线制供电电源的引出线中A、B、C代表三根端线 (俗称“火线”) ，O代表中线 俗称“零线”)。电压uAO、uBO、uCO构成一组三相电压，uA