电机学磁路基础知识及原理

1、第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 本章重点本章重点 (1) (1) 磁路的概念磁路的概念 (2) (2) 磁路基本定律：安培环路定律，磁路欧姆定磁路基本定律：安培环路定律，磁路欧姆定 律，磁路基尔霍夫定律律，磁路基尔霍夫定律 (3) (3) 基本电磁定律：电磁感应定律，电磁力定律基本电磁定律：电磁感应定律，电磁力定律 (4) (4) 磁路计算磁路计算 本章难点本章难点 (1) (1) 铁磁物质的磁化曲线及应用铁磁物质的磁化曲线及应用 (2) (2) 磁动势、磁场强度概念磁动势、磁场强度概念 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 1.1 磁路的基本定律磁路的基本定律 1.2 常用铁磁材料

2、及其特性常用铁磁材料及其特性 1.3 磁路计算磁路计算 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 1.1 1.1 磁路的基本定律磁路的基本定律 u 主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 磁路磁路 i 一一. 磁路的概念磁路的概念 工程上，为得到较强磁场，工程上，为得到较强磁场， 广泛利用铁磁物质，在电机、广泛利用铁磁物质，在电机、 变压器等设备中应用铁磁物质变压器等设备中应用铁磁物质 制成一定形状，人为的构成磁制成一定形状，人为的构成磁 通的路径，使磁场主要在这部通的路径，使磁场主要在这部 分空间内分布，这种磁通所通分空间内分布，这种磁通所通 过的路径称之为磁路。过的路径称之为磁路。 第一章 磁路 电机学

3、磁路基础知识及原理 引入磁路的概念，就把分布在整个空间的磁场问题，引入磁路的概念，就把分布在整个空间的磁场问题， 简化为局限在一定范围内的磁路问题。由于铁心的导磁性简化为局限在一定范围内的磁路问题。由于铁心的导磁性 比空气好得多，所以绝大部分磁通在铁心中通过，这部分比空气好得多，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路为漏磁通。磁通称为主磁通。经过空气隙闭合的磁路为漏磁通。 用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈，其电用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈，其电 流称为励磁电流（或激磁电流）。流称为励磁电流（或激磁电流）。 用直流励磁用直流励磁 磁路中磁通

4、恒定磁路中磁通恒定 直流磁路直流磁路 直流电机直流电机 用交流励磁用交流励磁 磁路中磁通交变磁路中磁通交变 交流磁路交流磁路 变压器变压器 感应电机感应电机 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律 1 1、安培环路定律、安培环路定律( (全电流定律全电流定律) ) 在磁场中沿任一闭合路径在磁场中沿任一闭合路径L L，磁场，磁场 强度强度H H的线积分等于该闭合回路所包围的线积分等于该闭合回路所包围 的总电流，即的总电流，即 i i方向和方向和L L参考方向符合右手法则。参考方向符合右手法则。 安培环路定律安培环路定律 若沿若沿L L，磁场强度，磁场强度H

5、H处处相等，则：处处相等，则： H?L=N?i N N?i i为安匝数，表征磁势的大小。为安匝数，表征磁势的大小。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 2 2、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律 不分支磁路的磁通等于作用于该磁路的磁势与磁阻之不分支磁路的磁通等于作用于该磁路的磁势与磁阻之 比，即为磁路欧姆定律。由以下式子推导：比，即为磁路欧姆定律。由以下式子推导： 1l A Ni BdABA BH Ni H l m F R RmRm为磁阻，磁路截面为磁阻，磁路截面 愈大，路径愈长，磁愈大，路径愈长，磁 阻愈大。类似于电阻，阻愈大。类似于电阻， 但本质不同。但本质不同。F=NF=N* *i i

6、为作用在铁心磁路上为作用在铁心磁路上 的安匝数，称为磁路的安匝数，称为磁路 的磁动势。的磁动势。 a)a)无分支铁心磁路无分支铁心磁路b)b)模拟电路图模拟电路图 F Rm i N l A 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 3 3、磁路的基尔霍夫第一定律、磁路的基尔霍夫第一定律 对于有分支磁路，任意取一闭合面对于有分支磁路，任意取一闭合面A A，由磁通连续，由磁通连续 性原则，穿过闭合面的磁通代数和为性原则，穿过闭合面的磁通代数和为0 0，即，即 =0=0， 该定律称为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。 对于下图，对于下图，3 3= = 1 1 + + 2 2 闭

7、合面闭合面 i1i2 12 3 l1 l3 l2 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 沿任何闭合磁路的总磁动势等于各段磁压降的代数和。沿任何闭合磁路的总磁动势等于各段磁压降的代数和。 该定律称为磁路的基尔霍夫第二定律。该定律称为磁路的基尔霍夫第二定律。 例：如右图，磁路由三段组成，两段为截面积例：如右图，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，磁动势为不同的铁磁材料，一段为空气，磁动势为NINI， 则应用磁路的基尔霍夫第二定律有：则应用磁路的基尔霍夫第二定律有： 背景背景: :磁路计算时，总把整个磁路分成若干段，每段为磁路计算时，总把整个磁路分成若干段，每段为 同一材料、

8、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等， 磁场强度亦处处相等。磁场强度亦处处相等。 4 4、磁路的基尔霍夫第二定律、磁路的基尔霍夫第二定律 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 闭合面闭合面 i1i2 12 3 l1 l3 l2 F1F2 =H d = H d = H1l1H2 l2 磁位差磁位差Um Um = Hl Um = F 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 5 5、电路与磁路的区别、电路与磁路的区别 (1)(1)电路中有电流就有功率损耗。磁路中恒定磁通下没有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；功率损耗； (2)(2

9、)电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝 缘体；缘体； (3)(3)对于线性电路可应用叠加原理，对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路饱和时为非而当磁路饱和时为非 线性，不能应用叠加原理线性，不能应用叠加原理。 可见，磁路与电路仅是形式上的类似，而本质是不同的。可见，磁路与电路仅是形式上的类似，而本质是不同的。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 三、基本电磁定律三、基本电磁定律 2 2、电磁力定律、电磁力定律 方向由左手定则判定方向由左手定则判定( (电动机准则电动机准则) )。 1 1、电磁感应定律、电磁感应定律 方向由右手定则判定方

10、向由右手定则判定( (发电机准则发电机准则) )。 为实验定律（也称楞次定律）。为实验定律（也称楞次定律）。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 1.2 1.2 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。 非磁性物质非磁性物质 0 (1) 顺磁物质（如空气）：顺磁物质（如空气）： 略大于略大于 0 。 (2) 反磁物质（如铜）：反磁物质（如铜）： 略小于略小于 0 。 1. 高导磁性高导磁性 铸钢：铸钢： 1 000 0 硅钢片：硅钢片： ( 6 000 7 000) 0 玻莫合金：玻莫合金： 比比 0 大几万倍。大几

11、万倍。 0 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 磁性物质内部存在着很多很小的磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴磁畴”。 磁畴（磁化前）磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）磁畴（磁化后） 磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器 和电机中。和电机中。 磁畴：在铁磁材料内，由于自发磁化作用，某一区域磁畴：在铁磁材料内，由于自发磁化作用，某一区域 内的所有原子磁矩都按一定的规则排列，这一区域称内的所有原子磁矩都按一定的规则排列，这一区域称 为磁畴。为磁畴。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 起始磁化曲线起始磁化曲线 B H O 2. 磁饱和性磁饱和性 B = H （

12、 常数）常数） 起始起始磁化曲线磁化曲线 B = f (H) B = 0H 在一块未磁化的铁磁材料上绕上在一块未磁化的铁磁材料上绕上 线圈，通入电流，从零开始逐渐线圈，通入电流，从零开始逐渐 增大，则铁磁物质中穿过横截面增大，则铁磁物质中穿过横截面 的磁通密度将随之增大，测得对的磁通密度将随之增大，测得对 应于不同的电流（不同的应于不同的电流（不同的H H）下的）下的 B B值。可逐点描绘出值。可逐点描绘出B-HB-H曲线。即曲线。即 为起始磁化曲线。为起始磁化曲线。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 3. 磁滞性磁滞性-磁滞回线磁滞回线 B H O Hm Bm 剩磁 剩磁 Hm 矫顽磁

13、力矫顽磁力 Br Hc Bm Hc Br 磁滞回线磁滞回线 若对铁磁材料进行周期性的若对铁磁材料进行周期性的 磁化，则磁化，则B-HB-H曲线如图。曲线如图。 形成一条具有单方向性的闭形成一条具有单方向性的闭 合曲线，称为磁滞回线。合曲线，称为磁滞回线。B B 的变化总是滞后于的变化总是滞后于H H的变化的变化 ，称为磁滞现象。，称为磁滞现象。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 (1) 硬磁物质硬磁物质 BH 曲线宽，曲线宽，Br 大、大、Hc 大。大。 用于制造永磁铁。用于制造永磁铁。 (2) 软磁物质软磁物质 BH 曲线窄，曲线窄， Br 小、小、Hc 小。小。 用于制造变压器、电机

14、等电器的铁心。用于制造变压器、电机等电器的铁心。 (3) 矩磁物质矩磁物质 BH 曲线形状接近矩形，曲线形状接近矩形， Br 大、大、Hc 小。小。 用于计算机中，作记忆单元。用于计算机中，作记忆单元。 按磁滞回线的不同，磁性物质可分为按磁滞回线的不同，磁性物质可分为 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 4. 基本磁化曲线基本磁化曲线 基本磁化曲线基本磁化曲线 H B o a 跗点 b 膝点 c 饱和点 B-H d -H 对同一铁磁材料，选用不同的对同一铁磁材料，选用不同的HmHm进行反复磁化，可得到进行反复磁化，可得到 大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来，即大小不同的磁滞回路，

15、将各磁滞回路顶点连接起来，即 为基本磁化曲线。为基本磁化曲线。 设计电机、变压器时，设计电机、变压器时， 为使主磁路内的磁通较为使主磁路内的磁通较 大而又不过分增大励磁大而又不过分增大励磁 磁动势，一般把工作磁磁动势，一般把工作磁 通密度选在膝点附近。通密度选在膝点附近。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 5. 铁心损耗铁心损耗 (1)(1)磁滞损耗磁滞损耗 在铁芯被交变磁化过程中，铁芯内磁畴来回翻转，在铁芯被交变磁化过程中，铁芯内磁畴来回翻转， 互相摩擦，一方面使得磁通的变化落后于磁势的变化，互相摩擦，一方面使得磁通的变化落后于磁势的变化， 出现磁滞现象。另一方面，这些磁畴翻转摩擦使得

16、铁芯出现磁滞现象。另一方面，这些磁畴翻转摩擦使得铁芯 发热，消耗电源有功功率，称为磁滞损耗。发热，消耗电源有功功率，称为磁滞损耗。 Ph=Ch f Bnm V Ch为磁滞损耗系数，取决于材料性质；为磁滞损耗系数，取决于材料性质； 对一般电工硅钢片：对一般电工硅钢片：n=1.6-2.3 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 (2)(2)涡流损耗涡流损耗 铁芯内的磁通交变时，铁芯本身就铁芯内的磁通交变时，铁芯本身就 感应出电势，该电势在铁芯内形成漩涡感应出电势，该电势在铁芯内形成漩涡 状电流，称为涡流。涡流经过的状电流，称为涡流。涡流经过的“路路” 具有一定的电阻，使铁芯发热，其消耗具有一定的电

17、阻，使铁芯发热，其消耗 电源功率，称为涡流损耗。电源功率，称为涡流损耗。 Pe=Ce 2 f2 B2m V Ce为涡流损耗系数，取决于材料电阻率；为涡流损耗系数，取决于材料电阻率； 为为电工硅钢片厚度。电工硅钢片厚度。 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 (3)(3)交变磁场中，由于存在磁滞效应，涡流效应等，交变磁场中，由于存在磁滞效应，涡流效应等， 引起损耗功率，在电机、变压器中称为铁耗。引起损耗功率，在电机、变压器中称为铁耗。 铜损耗使线圈发热，铜损耗使线圈发热， 铁损耗使铁心发热。铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法：减小铁损耗的方法： 使用软磁材料减小使用软磁材料减小Ph 。 增大

18、铁心的电阻率，增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗 。 用很薄的硅钢片叠成铁心，用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗 。 涡流损耗涡流损耗 (b) 0.35mm 0.30mm 0.27mm 0.22mm 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 1.3 1.3 磁路计算磁路计算 1. 直流直流磁路磁路 励磁励磁 U U I I N I U R I = 线圈的功率：线圈的功率： P = R I2 电压与电流的关系电压与电流的关系: : 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 2. 交流交流磁路磁路 (1) 电磁关系电磁关系 励磁：励磁：u u i e e i

19、N i e e d dt =N di dt =L d dt =N u = Riee 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 【例例 题题】 图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的 一段空气隙构成。各部分尺寸为：一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2 = 0.5 cm ， l1 = 30 cm ，l2 = 12 cm ，A0 = A1 = 4*4 cm2 ， A2 = 8 cm2 。 线圈中的电流为直流电流。今要求在空气隙处的磁感应强线圈中的电流为直流电流。今要求在空气隙处的磁感应强 度达到度达到 B0 = 1 T，问需要多大的磁通势？忽略边缘效应。，问需要多大

20、的磁通势？忽略边缘效应。 解：解：(1) 磁路中的磁通磁路中的磁通 = B0A0 = 10.0016 Wb = 0.0016 Wb (2) 各段磁路磁感应强度各段磁路磁感应强度 B0 = 1 T B1 = = T = 1 T A1 0.0016 0.0016 A1 A2 l1 l2 l0/2 I I 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 B2 = = T = 2 T A2 0.0016 0.000 8 A1 A2 l1 l2 l0/2 I I (3) 各段磁路的磁场强度各段磁路的磁场强度 由磁化曲线查得：由磁化曲线查得： H1 = 9.2 A/cm H2 = 14 A/cm H0 = = A

21、/m B0 0 1 4 10 7 = 796 000 A/m = 7 960 A/cm 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 (4) 各段磁路的磁位差各段磁路的磁位差 Um0 = H0 l0 = 7 9601 A = 7 960 A Um1 = H1 l1 = 9.230 A = 276 A Um2 = H2 l2 = 1412 A = 168 A (5) 磁通势磁通势 F = Um0Um2Um2 = ( 7 960276168 ) A = 8 404 A A1 A2 l1 l2 l0/2 I I 第一章 磁路 电机学磁路基础知识及原理 总结：总结： 给定磁通，计算所需的励磁磁动势，计算步骤如下：给定磁通，计算所需的励磁磁动势，计算步骤如下： （1 1）将磁路按材料性质和不同截面分成数段）将磁路按材料性质和不同截面分成数段 （2 2）计算各段的有效面积和平均长度）计算各段的有效面积和平均长度Ai，Li （3 3）根据各段中的）根据各段中的i计算各段对应的计算各段对应的Bi （4 4）由）由Bi-H