磁路的基本定律ppt课件

姜卫东 合肥工业大学电气与自动化工程学院博士 博士后主要研究方向 特种电机设计与控制 电磁场理论及应用 电力电子变流技术南区教育部光伏系统工程研究中心203室ahjwd 0551 2901428 8033 绪论 什么是电机 电机学中所说的电机 是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备 用于机械能和电能之间的转换 不同形式电能之间的变换 或者信号的传递与转换 电机在国民经济中的运用 电机是完成多种能量形式转换的有效工具 而电能又是最容易实现传输 变换的能量形式 可以说 如果没有电机就没有现代工业 下面就电能的产生 传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用 完整的发电 传输 用电系统 电能的产生 若电机用于将其它形式的能量转换为电能 则被称为发电机 Generator 它主要实现以下三种能量的转换 水能转化为电能 水力发电机 化石能转化为电能 火力发电机 风能转化为电能 风力发电机 葛洲坝水利枢纽工程 三峡电站 三峡水力发电机组 三峡电站的水轮发电机 全球最大的水轮发电机 火力发电厂 火力发电机组 丹麦Vesta公司生产的风力发电机组 电能的传输 变换 电能的传输和变化离不开电机 要传输一定的电能 为了减小传输线上的损耗 希望电压越高越好 而用户用电则为低压电 因此在电能的传输中必须使用变压器 电能的变换包括幅值 频率 相位以及交直流形式上的变换 大型电力变压器 保定天威生产 配电变压器 电路板上所使用的低压高频变压器 电能的利用 电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式 其中最为主要的就是将电能转换为机械能 要求在转换过程中 1 转换效率高 2 可靠性高 往往在能量转换的同时也能对运动进行控制 这就引入了一个新的研究分支 电力传动 相对而言 电机这一概念往往是指电动机 哈尔滨电机厂生产的1MW电机 手机震动电机 电动自行车所用的无刷直流电机 第一章磁路MagneticCircuit 研究磁路的必要性 电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置 两个简单的物理事实 1 变化的磁场会产生电场 由磁生电 机械能向电能转换 2 通电导体会在磁场中受力 电能向机械能的转换 在工程中 通常将磁场问题简化为磁路问题 一磁场的基本常用量 磁感应强度 又称磁通密度 B 表征磁场强弱及方向的物理量 单位 Wb m2 磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和 单位 Wb 磁场强度H 计算磁场时引用的物理量 B H 单位 A m 真实的物理量 反映了该点处的磁特性 磁感应强度的积分值 描述了磁场的总体特性 磁感应强度与该点磁导率的乘积 反映了建立该点磁场的源 第一节磁路的基本定律 B H 之间的关系 产生磁场的电流建立 磁势F 各点处产生磁场强度H 各点处产生磁场感应强度B 对磁感应强度积分获得 B H 与电流流过的路径称为电路一样 磁通所通过的路径称为磁路 电流只能从导体中通过 但是磁通可以在任意介质中通过 磁通可以分为两部分 主磁通 由于铁心的导磁性能比空气要好得多 磁导率大 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 二磁路 三磁路的基本定律 1安培环路定律 磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分 等于L所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中 沿着回线L磁场强度H处处相等 则 在均匀分段均匀的磁场中 安培环路定律的表达式为 推导过程 以等截面无分支闭合铁心磁路为例 线圈N匝 电流i 铁心截面为A 磁路平均长度为l 磁导率为u 2 磁路的欧姆定律 磁通与磁密关系为 磁场强度与励磁磁势的关系为 3 磁路的基尔霍夫定律 1 磁路的基尔霍夫电流定律 第一定律 或 磁路的基尔霍夫电流定律 A N i 2 磁路的基尔霍夫电压定律 磁路和电路的几点差别 1 功率损耗问题 电路中有电流I时 就有功率损耗 而在直流磁路中 维持一定磁通量 铁心中没有功率损耗 2 磁路非理想 电路中的电流全部在导线中流动 而在磁路中 总有一部分漏磁通 3 磁路的饱和性 电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的 而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化 4 磁路的非线性 在线性电路中 计算时可以用叠加原理 而在磁路中 B和H之间的关系为非线性 因此计算时不可以用叠加原理 磁畴及磁化 A 未磁化 B 磁化 外加磁场 H 第二节常用铁磁材料及其特性 一 铁磁物质的磁化 磁畴受磁场力而转动 未磁化时 铁磁材料的磁畴是无序排列的 对外不表现磁性 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 1 外磁场 2 磁畴 3 排列顺序 电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分 思考 电机中常用的铁磁材料的磁导率 Fe 2000 6000 Fe 从两个方面解释 1 提高电机效率 2 减小电机体积 二 磁化曲线和磁滞回线 1 起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料进行磁化 当磁场强度H由零逐渐增加时 磁通密度B将随之增加 用B f H 描述的曲线就称为起始磁化曲线 B H a b c d 铁磁材料的起始磁化曲线 由于外磁场较弱 磁畴不会产生大规模偏转 磁通密度增加不快 外磁场增强 磁畴产生大规模偏转 磁通密度增加较快 外磁场继续增加 大部分磁畴已完成偏转 B值增加变得缓慢 磁畴全部偏转 磁化曲线基本成为与非铁磁材料B uH平行的曲线 拐点 膝点 在各种电机 变压器的主磁路中 为了获得较大的磁通 但又不过分的增大励磁电流 通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近 2 磁滞回线 下面考虑两个问题 1 磁化后磁性材料去掉外磁场 2 对磁化后的磁性材料进行反向磁化 剩磁 当H从零增加到Hm时 B相应地从零增加到Bm 然后再逐渐减小H B值将沿曲线ab下降 当H 0时 B值并不等于零 而是Br 这就是剩磁 H B a b H B a b c 矫顽力 要使B值为零 必须加上相应的反向磁场 此反向磁场强度称为矫顽力Hc 铁磁材料的磁滞回线 H B a b c d e f 磁滞回线 当H在Hm和 Hm之间反复变化时 呈现磁滞现象的B H闭合曲线 称为磁滞回线 电工钢片实际测试的磁滞回线 3 基本磁化曲线 对同一铁磁材料 选择不同的Hm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曲线 基本磁化曲线和起始磁化曲线差别很小 磁路计算时使用的磁化曲线都是基本磁化曲线 基本磁化曲线 基本磁化曲线 H B 三 铁磁材料 1 软磁材料 磁滞回线较窄 剩磁和矫顽力都较小的材料 常用的软磁材料有电工硅钢 铸铁 铸钢等 可用来制造电机 变压器的铁心 2 硬磁材料 永磁材料 剩磁和矫顽力都较大的材料 包括铝镍钴 铁氧体 稀土钴 钕铁硼等 永磁材料 钕铁硼 退磁曲线 第二象限 退磁曲线 内禀退磁曲线 单位 千高斯 单位 千奥斯特 硅钢片 WHY 50 0 5mm 磁滞回线 四 铁心损耗 1 磁滞损耗 材料被交流磁场反复磁化 磁畴相互摩擦而消耗的能量 2 涡流损耗 铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗 3 铁心损耗 磁滞损耗和涡流损耗之和 硅钢片中的涡流 B 返回 变压器中的涡流分布情况 Infolytica软件计算 第三节直流磁路的计算 磁路计算正问题 已知磁路中的量 求解磁路源的问题给定磁通量 计算所需的励磁磁动势 励磁电流 磁路计算逆问题 已知磁路的源 磁动势 求解磁路中的量的问题给定励磁磁势 计算磁路内的磁通量 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 2 计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk 3 计算各段磁路的平均磁通密度Bk Bk k Ak 4 根据Bk求出对应的Hk 5 计算各段磁位降Hklk 最后求出F Hklk 磁路计算逆问题 因为磁路为非线性的 用试探法 一 简单串联磁路 例1 2 铁心由铸钢和空气隙构成 截面积AFe 0 0009m2 磁路平均长度lFe 0 3m 气隙长度 5 10 4m 求该磁路获得磁通量 0 0009Wb时所需的励磁磁动势 解 1 将磁路分为铁心和气隙两个部分 5 计算各段内的磁位降 算出所需的励磁磁动势 2 计算每一段磁路的面积与长度 3 计算每一段磁路的平均磁密 4 计算每一段磁路的磁场强度 铁磁材料通过查基本磁化曲线获得 F HFelFe H l 655A 二 简单并联磁路 例1 3 铁心由DR530硅钢片构成 铁心柱和铁轭截面积AFe 0 0004m2 磁路平均长度lFe 0 05m 气隙长度 1 2 2 5 10 3m 励磁线圈匝数N1 N2 1000匝 不计漏磁通 试求在气隙中产生磁通密度B 1 211T时 所需的励磁电流 解 中间磁路长度 两边磁路长度 气隙磁位降 中间铁心磁位降