磁路的基本定律ppt课件.ppt

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 1 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 2 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 3 完整的发电 传输 用电系统 4 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 5 葛洲坝水利枢纽工程 6 三峡电站 7 三峡水力发电机组 8 三峡电站的水轮发电机 全球最大的水轮发电机 9 火力发电厂 10 火力发电机组 11 丹麦Vesta公司生产的风力发电机组 12 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 13 大型电力变压器 保定天威生产 14 配电变压器 15 电路板上所使用的低压高频变压器 16 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 17 哈尔滨电机厂生产的1MW电机 18 手机震动电机 19 电动自行车所用的无刷直流电机 20 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 21 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 22 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 23 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 24 25 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 26 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 27 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 28 磁路的基尔霍夫电流定律 A N i 29 2 磁路的基尔霍夫电压定律 30 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 31 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 32 磁畴受磁场力而转动 33 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 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 39 电工钢片实际测试的磁滞回线 40 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 41 基本磁化曲线 基本磁化曲线 H B 42 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 43 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 44 硅钢片 WHY 50 0 5mm 磁滞回线 45 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 46 硅钢片中的涡流 B 返回 47 变压器中的涡流分布情况 Infolytica软件计算 48 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 49 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 50 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 51 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 52 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