磁路PPT演示课件

1.1磁路的基本定律,一、磁路的概念,在工程上为了得到较强的磁场，广泛利用了铁磁物质。在电机、变压器等设备中应用铁磁物质制成一定的形状，人为地构成磁路的路径，使磁场主要在这部分空间内分布，这种磁通所通过的路径称为磁路。下面分别为变压器和直流电机的磁路。,第一章：磁路,主要内容：磁路基本定律，铁磁材料及交、直流磁路。,如同电流流过的路径称为电路一样。磁通通过的路径为磁路。,由于铁心的导磁性质比空气好的多，所以绝大部分磁通在铁心中通过，这部分磁通称为主磁通。经过空气隙闭合的磁通为漏磁通。,用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈(励磁绕组)，其电流称为励磁电流（或激磁电流）。,在电机和变压器中常把线圈绕在铁心上，当线圈中有电流通过时，在其周围就会产生磁场。两者的关系用右手螺旋法则联系起来。,二、磁路的基本定律,下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的基本定律,1、安培环路定律（或称全电流定律）,在磁路中沿任一闭合路径L，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的总电流(代数和)即：,电流的方向：与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号，反之为负.,如右图所示，i2为正，i1、i3为负。,若沿回路L，磁场强度H处处相等，且闭和回路所包围的总电流是由通过I的N匝线圈提供，则上式可写成：,HL=Ni,2.磁路的欧姆定律,若铁心上绕有通有电流I的N匝线圈，铁心的截面积为A，磁路的平均长度为l，材料的导磁率为，不计漏磁通，且各截面上的磁通密度B为均匀并垂直于各截面，则：,：磁通韦伯（Wb），1韦伯=108麦克斯韦F：磁(动)势安（A）H：磁场强度安/米（A/m），1安/米=410-3奥斯特（Oe）B：磁通密度特拉斯（T）韦伯/米2，1T=1Wb/m21T=104高斯Rm：磁阻安/韦伯（A/Wb）m磁阻的倒数磁导（H）,例1-1有一闭合的铁心磁路，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阻为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。（参考图1-3）,注：L(m)A(m2)B(Wb/m2),上式称为磁路的欧姆定律，与电路欧姆定律形式上相似。,注：Rm=（l/A）与电阻R（=l/A,为电阻率）对应，两者的计算公式相似，但铁磁材料的磁导率不是常数，所以Rm不是常数。,3、磁路的基尔霍夫第一定律,该定律称为磁路的基尔霍夫第一定律,对应左图,4磁路的基尔霍夫第二定律,沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁压降的代数和。即：,电机和变压器的磁路是由数段不同截面、不同材料的铁心组成，而且还可能含有气隙，在进行磁路计算时总是将磁路分成若干段，每段为同一材料。且截面积和磁密处处相等，则磁场强度处处相等。由左图可见，磁路由三段组成，两段为截面积不同的铁磁材料，一段为空气隙。铁心上的励磁磁动势Ni为：,该定律称为磁路的基尔霍夫第二定律,分段原则：先根据材料不同分段、再根据磁通和面积（或磁密或磁场强度）不同分段,三、磁路和电路的类比和区别,磁路和电路的类比关系：,1物理量磁动势磁通量磁阻磁导磁导率,电动势E=IR电流I电阻R=l/A电导G=1/R电阻率,电路与磁路的区别：,1、电路中有电流就有功率损耗,磁路中恒定磁通下没有功率损耗。,2、电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝缘体，除在铁心中的磁通外，空气中也有漏磁通。,3、电阻为常数，磁阻为变量，是磁通密度的函数。,4、对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路不饱和（磁路线形）时可以采用叠加原理，饱和时（磁路非线形）不能采用叠加原理。,综上所述分析，磁路与电路仅是数学形式上的类似，而本质是不同的。,1-2常用铁磁材料及其特性,为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场，从而使电机及变压器等装置的尺寸缩小，重量减轻，性能改善，必须增加磁路的磁导率（因为:B=H=F/l）,由于铁磁物质具有高导磁性能，工程上往往利用铁磁物质：1）相同磁动势下产生尽可能高的磁密；2）使尽可能多的磁通约束在有限的范围内。所以电机和变压器的铁心用导磁率较高的铁磁材料组成。,本节介绍铁磁材料特性。,一、铁磁物质的磁化,1、铁磁物质有几种物质，如铁、钴、镍以及他们的合金，以及锰和铬的某些合金，即使在较小的外磁场的作用下，其磁化也特别显著。这类物质称为铁磁物质，他们的磁导率都很大，超过几千。,2、铁磁物质的磁化,将铁磁材料放入磁场后，磁场会显著增强，铁磁材料在磁场中呈现很强的磁性这一现象，称为铁磁物质的磁化。,原因：铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区，当未投入磁场时磁畴杂乱无章的排列，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，磁效应相互抵消对外不显磁性，它也就不能吸引其它磁性材料。当放入磁场后，磁畴按外磁场方向排列起来，形成一附加磁场叠加在外磁场上。如图1-6所示。,二磁化曲线,铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线B-H曲线表示,起始磁化曲线可由实验得出。将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心，如下图，其上绕有绕组，调节R使电流从零开始逐渐增大，则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的H值下的B值。可逐点描绘出B-H曲线。该曲线即是起始磁化曲线，图1-7所示。,1、起始磁化曲线,注：对非铁磁性材料，因0为常数，所以B-H为线性。见上图虚线。从上述的铁磁材料B-H曲线可见不是线性，所以不是常值，它随H的变化如上图所示。在电机和变压器的设计中，为产生较大磁通，且又不过分增大励磁磁势，通常选磁密在b点附近。,2、磁滞回线,若对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如图：,可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中，磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。从磁滞回线上看，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。,磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。,三、铁磁材料,3、基本磁化曲线,对同一铁磁材料，选不同的Hm进行反复磁化，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线。,软磁材料：Br、Hc小，回线窄，磁导率高，用于制造变压器和电机铁心硬磁材料：Br、Hc高，回线宽，作为永磁材料永磁材料种类很多，书中列举了几种。其磁性能用Br、Hc和（BH）max最大磁能积三项指标衡量。,图1-10给出电机中常用材料的基本磁化曲线,软磁材料：,硬磁材料（永磁材料）：,铝镍钴,铁氧体,稀土钴,钕铁硼,三、铁心损耗,1、磁滞损耗,当铁磁材料置于交变磁场时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。,由交流电源与磁场之间的往返能量交换，进一步加以说明磁滞损耗。,在固定铁心上装有一个线圈，从电源输入电能为电压u，电流为i，线圈匝数为N，电阻为R，则在dt时间内电源输入装置的总能量为uidt消耗于电阻上的电能为Ri2dt铁心线圈从交流电源吸收的瞬时功率p为：,从t1到t2时间内输入磁路系统的能量：,在电流的正半周,铁心线圈的能量密度的增量大小磁滞回线的面积,铁心线圈吸收电源的能量,在电流的一个周期内,铁心线圈的能量密度的增量大小为S1231,铁心线圈吸收电源的能量,铁心线圈吸收电源的能量全部转化为铁心的磁滞损耗,由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率,（T=1/f周期）,能量最终以热能的形式消散掉，由于这部分能量是由磁滞现象引起的。因而叫做磁滞损耗,磁滞损耗与体积V、频率f及磁滞回线面积成正比,磁滞回线面积越小，磁滞损耗越小，电机和变压器铁心常用硅钢片制成，因硅钢片的磁滞回线小，属于软磁材料。,Ch：磁滞损耗系数对电工钢片n=1.62.3,2、涡流损耗,因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。(楞次定律),由于涡流的存在，对铁心磁滞回线产生影响。回线将由静态变为动态形式右图虚线所示：,在回路上升部分，铁心中涡流阻止磁场的增加，为保持一定的磁通，激磁电流增加，以抵消涡流作用，所以磁滞回路上升部分向右扩展，同理下降部分向左扩展,频率越高，磁通密度越大，涡流损耗约大，反比于电阻率及路径长度(路径的电阻)。,Ce：涡流损耗系数：钢片厚度,铁心损耗：,1-3直流磁路,一、直流磁路的计算,本节介绍直流磁路的分析和计算,磁路计算分为两种类型：1、给定磁通，计算所需的励磁磁动势（正问题）2、给定励磁磁动势，计算磁路内的磁通量（逆问题）,例1-2若在例1-1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，设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一个值。,解：此题由于铁心的磁导率已经给定，所以既可用磁路欧姆定律，也可用磁路基尔霍夫第二定律。,铁心内的磁场强度：,气隙磁场强度,简单串联磁路,3、磁路计算举例,铁心磁位降,气隙磁位降,励磁磁动势,由此可见，气隙虽然很短，但其磁位降却占整个磁路的89%，且与例1-1相比（F=47.7A)，因增加一气隙，所需磁势高出近九倍。,简单并联磁路,该例题所计算磁路为串联磁路，虽流过为同一磁通，但流过铁心和流过气隙的面积不同，所以这两段的磁密不相等。将整个磁回路分两段进行计算,解：根据磁路与电路的类比关系，可画出模拟电路图，由于两条并联磁路是对称的，故只需计算一个磁回路即可。（按左边回路计算）,1）气隙磁位降,4）总磁动势和励磁电流,二、直流电机的空载磁路,直流电机的磁路在电机磁路中具有典型性。理解其分析和计算的方法对电机的分析、设计是十分重要的。,1、直流电机的空载磁场,空载磁场指励磁绕组中通过励磁电流时建立的磁场。如图为四极直流电机的空载磁场分布,a)空载磁场分布,主磁通：从主极过气隙到转子，因气隙小，磁导大。所以主磁通很大。漏磁通：仅交链励磁绕组本身，由空气闭合，不进入电枢铁心。因气隙大，磁导小，所以其值很小。,磁通分为主磁通和漏磁通,b)空载主磁路,每一条磁路由五部分组成（1）主极铁心（m）,2个（2）定、转子之间的气隙,2个（3）电枢齿（t）,2个（4）电枢铁心（c）,1个（5）固定主极的机座称磁轭（j),1个,a)空载磁场分布,四极电机由四条相互并联的磁路,a)空载磁场分布,b)空载主磁路,2、空载磁路计算,每一条磁路由五部分组成（1）主极铁心（m）,2个（2）定、转子之间的气隙,2个（3）电枢齿（t）,2个（4）电枢铁心（c）,1个（5）固定主极的机座称磁轭（j),1个,产生主磁通时整个闭合磁路所需的磁动势F0,计算表明,气隙和电枢齿这两部分磁位降约占整个励磁磁动势的85%以上,因此,在工程计算时,必须采取措施,以保证这两部分磁位降计算准确.,分别计算不同的磁通时所需的励磁磁动势。可得到直流电机的磁化曲线磁化曲线体现了电机磁路的非线形。,三、永磁磁路的计算特点,含有永磁体的磁路系统称为永磁磁路。永磁材料也称为硬磁材料，它和软磁材料一样具有磁滞现象，所不同的是它的磁滞回线宽。,现以一个简单的永久磁铁磁路说明其计算特点,对左图所示的永磁材料进行充磁化，其去磁曲线为下图,根据磁通连续性定律,3、直流电机的磁化曲线,由于磁路中无外