磁路基本定律常用铁磁材料及其特性直流磁路PPT课件

1、第一节 磁路的基本定律一、磁路的概念主磁通：由于铁心的导磁性好，大部分磁通穿过铁心，交链一、二 次绕组（定子、转子绕组），这部分磁通称为主磁通。磁路：磁通所通过的路径。励磁电流（激励电流）：励磁线圈中的电流励磁线圈（绕组）：用于激励磁路中磁通的载流线圈漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心周围的空间，不同时交 链一、二次绕组的分散磁通，称为漏磁通。变压器磁路0 主磁通 漏磁通第1页/共34页二、磁路得基本定律7、磁路和电路的类比与区别6、电磁力定理5、电磁感应定理4、磁路的基尔霍夫第二定律3、磁路的基尔霍夫第一定律2、磁路的欧姆定律1、安培环路定律第2页/共34页安培环路定律：沿着任何一条闭合

2、回线L，磁场强度H的线积分 恰好等于该闭合回线所包围的总电流值 。LlH diilHLdiNLH 若沿回线L，H处处相等，且L所包围的总电流由通有电流的N匝线圈所提供，则有： 若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i 取正号，否则取负号。dl321diiilHL HL1i2i3i第3页/共34页磁路的欧姆定律无分支磁路 MRFGIIRE 作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量与磁阻RM的乘积，或磁通量等于磁动势F和磁导的乘积。A1RMMR1为磁路磁导，单位Wb/A。 为磁路磁阻，单位A/Wb。F=Ni为作用在铁心磁路上的安匝数磁动势，单位A。AllBHlNiMRAlNiF从

3、而有：或BH 而BAABd 对于一个无分支铁心磁路，不计漏磁，并认为各截面上的磁通密度均匀、且垂直于各截面，则有：模拟电路图FmR第4页/共34页磁通量Wb109Wb109144BA例: 有一闭合的铁心磁路，铁心的截面积 A=9104m2，磁路的平均长度L=0.3m，铁心的磁导率Fe=50000，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。解：本题可用磁路的欧姆定律或安培环路定律求解。1）可用磁路的欧姆定律AANFi21054. 95007 .47 励磁电流A7 .47A103 . 510944MRF 磁动势WbAWbA447FeM103510

4、9104500030AlR.磁阻第5页/共34页mAmABHFe/159/104500017磁场强度2）用安培环路定律AANFi21054. 95007 .47励磁电流A74730159HLF. 磁动势第6页/共34页磁路的基尔霍夫第一定律 穿出（或进入）任一闭合面的总磁通量恒等于零（或说，进入任意闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量）磁通连续性定律0或0321对于闭合面AiAN1 2 3 第7页/共34页磁路的基尔霍夫第二定理kkLHNiF 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。mmmkkkRRRHLHLHLHNiF2211221131根据安培环路定律和磁路欧姆定律，有： 把

5、磁路分成若干段，每段同一材料，相同截面积，段内磁通处处相等，磁场强度也处处相等。第8页/共34页mRF0mRHLNi0iiReREI 三、磁路和电路的类比和区别第9页/共34页（1）电路中有电流I时，就有功率损耗I2R；而在直流磁路中，维持一定的磁通量时，铁心中没有功率损耗；（4）对线性电路，计算时可以应用叠加原理，但对于铁心磁路，饱和时磁路为非线性，计算时不能应用叠加原理。（3）电路中导体的电阻率在一定温度下是不变的，但是磁路中铁心的磁导率却不是一个常值，而是磁通密度的函数；（2）在电路中可以认为电流全部在导线中流通，导线外没有电流；在磁路中，则没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通之外，实际

6、上总有一部分漏磁通散布在周围空气中； 磁路和电路虽然具有类比关系，但是性质却是不同的：第10页/共34页电磁感应定理一、导线在交变磁场中感应电势 闭合回路中的感应电动势E与穿过此回路的磁链m随时间的变化率dm/dt成正比。dtdNdtde感应电势的正方向与该交变磁场磁力线的正方向通常取正螺旋关系。 IN U E第11页/共34页电磁感应定理Blve 感应电势的方向可用右手定则（发电机定则）来确定。二、导线与磁力线发生相对切割运动时导线中感应电势 闭合回路中的感应电动势E与穿过此回路的磁链m随时间的变化率dm/dt成正比。第12页/共34页电磁力定理电磁力的方向可用左手定则（电动机定则）来确定。

7、Blife 载流导体在磁场中受到电磁力的作用一般形式的电磁力定理（安培力定理）lBIdlf磁场对电流回路的作用力可写为：第13页/共34页第二节 常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化 铁、镍、钴等以及它们的合金放入磁场后，磁场会显著增加。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。非磁化铁磁材料中磁畴形不成附加磁场 铁磁物质中磁畴的定向转向排列形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。由于磁畴所产生的附加磁场将比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的磁场强得多，所以铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。电机中常用的铁磁材料，其磁导率非铁磁材料的磁导率接近于真空的磁导

8、率0。0Fe60002000)(磁化铁磁材料中磁畴形成附加磁场第14页/共34页二、磁化曲线 起始磁化曲线： 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，磁通密度将随之增大，曲线B=f（H）称为起始磁化曲线。非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度H之间呈直线关系，直线的斜率就等于0，铁磁材料的B与H之间则为曲线关系。铁磁材料起始磁化曲线和Fe=f（H）曲线0HBHB0 HfFe HfB abcd第15页/共34页 起始磁化曲线基本上可分为四段：开始磁化时，外磁场较弱，磁通密度增加得不快，如图中 0a段所示。随着外磁场的增强，材料内部大量磁畴开始转向，越来越多地趋向于外磁场方向，此

9、时B值增加得很快，如ab段所示。若外磁场继续增加，大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，B值增加越来越慢，如阶段bc所示，这种现象称为饱和。达到饱和以后，磁化曲线基本上成为与非铁磁材料的B=0 H特性相平行的直线，如cd段所示。磁化曲线开始拐弯的点（图中的b点），称为膝点。铁磁材料起始磁化曲线和Fe=f（H）曲线0HBHB0 HfFe HfB abcd第16页/共34页 由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所以Fe也随H值的变化而变化。 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。铁磁材料起始磁化曲线和Fe=f

10、（H）曲线0HBHB0 HfFe HfB abcd第17页/共34页 对同一铁磁材料，用不同的磁场强度H反复进行磁化，再将各磁滞回线的顶点连接起来所得曲线。 将铁磁材料进行周期性磁化，B和H关系表现为磁滞现象的B-H闭合曲线，称为磁滞回线。 磁滞回线：铁磁材料的磁滞回线abcdefHmHBmBrBcHmB 0mH 基本磁化曲线： 剩磁 矫顽力rBcH基本磁化曲线HB基本磁化曲线0第18页/共34页三、铁磁材料 1、铸造型铝镍钴 2、粉末型铝镍钴 3、铁氧体 4、稀土钴 5、铷铁硼表征磁性的三项指标： 剩磁Br、矫顽力Hc、最大磁能积（BH）max硬磁材料：磁滞回线宽、剩磁Br和矫顽力Hc都大的

11、铁磁材料， 也叫永磁材料 铸铁、钢和硅钢片，磁导率高，是典型的软磁材料。 软磁材料：磁滞回线窄、剩磁Br和矫顽力Hc都小的材料。硬磁材料0HB软磁材料HB第19页/共34页四、铁心损耗磁滞损耗： 铁磁材料在交变磁场作用下被反复交变磁化，磁畴相互间不停摩檫、消耗能量，造成损耗。 IN U E第20页/共34页四、铁心损耗VfBCpnmhhnmBHdB 一般电工钢片n=1.6-2.3HdBVfTWpmh磁滞损耗：21BBmmHdBVWw磁能密度增量：NiHLF21212121BBBBttmHdBVNAdBNHLidpdtW从t1到t2输入磁场能量增量：dtdieip铁心从电源吸收瞬时电功率： Hd

12、B就是磁滞回线的面积铁心磁滞回线23516HmHBmBrBmB 0mH 4rB 从电源吸收能量 mrBBHdB21HB04 rmBBHdB21HB04回馈电源能量3第21页/共34页 通过铁心的磁通随时间交变，在铁心中感应电动势，并引起环流，环流在磁通内部围绕磁通作涡旋状流动，称为涡流。涡流在铁心中引起损耗。硅钢片中的涡流dB涡流损耗：涡流的存在对铁心的磁滞回线产生一定的影响。第22页/共34页 用交流电流对铁心励磁时，在磁滞回线上升部分，铁心中感应的涡流趋向于阻止磁场的增加。为保持一定的磁通量，激磁电流的瞬时值须略为增大，以抵消涡流的作用。于是磁滞回线的上升部分向右扩展。由于同样的原因，磁滞

13、回线的下降部分向左扩展。这样，由于涡流的存在，磁滞回线变为动态磁滞回线。 如果采用改变直流电流的大小和方向进行周期性磁化，或用频率很低的交流进行周期性磁化，可不计涡流的影响，此时得到的磁滞回线称为静态磁滞回线。铁磁材料的动态和静态磁滞回线i0静态动态动态磁滞回线 ：静态磁滞回线：第23页/共34页TBTm811. GBfCpmFeFe231. 一般的电工钢片，VBfCfBCpppmenmhehFe)(222 铁心损耗：涡流损耗系数Ce取决于材料的电阻率。VfBCpmee22硅钢片叠成的铁心：#频率越高，磁通密度越大，感应电动势就愈大，涡流损耗也越大；#铁心电阻率越大，涡流所流过的路径越长，涡流

14、损耗就越小。 第24页/共34页第三节 磁路的计算一、直流磁路的计算1.磁路分段2.计算各段有效截面Ak和有效长度Lk3.计算各段磁路磁通量k，计算各段平均磁密Bk，Bk=k/Ak。4.根据Bk求出相应的Hk，铁磁材料从基本磁化曲线查，空气隙H=B/05.计算各段磁位降HkLk，并最后求需要的励磁磁动势F=HkLk。 计算步骤：磁路计算的正问题：给定磁通量，计算所需要的历磁磁动势。 电机的磁路计算一般为正问题第25页/共34页1. 假定一个磁通量的预计值。2.按磁路计算的正问题计算相应的励磁磁动势F。3.F与F比较,按比例重新假定一个磁通量”。4.计算相应的励磁磁动势F”。 计算步骤：磁路计算

15、的逆问题：用试探法求解第26页/共34页 例有一闭合的铁心磁路，设铁心截面积 AFe=3 3 104m2，磁路平均长度L=0.3m， 铁心磁导率Fe=50000，套装在铁心上的励磁绕组为500匝，1）试求在铁心中激励 1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。2）若在磁路中开一个长度 = 5 104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？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：1）用安培环路定律求解磁场强度：mABHFe159104500017磁动势：AmmAHLF7 .473 . 0259励磁电流：AANFi3104 .

16、955007 .47第27页/共34页ABABFeFeALHLHFFeFe6 .432励磁磁动势AALH385105107744气隙磁位降AALHFeFe6 .472995. 0159 铁心磁位降mAmABH/1077/10405. 3914720 气隙磁场强 mAmABHFeFeFe/159/104500017 铁心内的磁场强度2）用磁路基尔霍夫第二定律求解。第28页/共34页二、直流电机的空载磁路jjmmccttkkLHLHLHLHHLHF22201.选定磁回路并分段。2.计算Ak和Lk3.确定k，计算Bk，Bk=k/Ak。4.根据基本磁化曲线或H=B/，求Hk。5.计算HkLk，并最后求

17、F0计算步骤：1、空载磁路及其计算直流电机的空载磁场和磁路第29页/共34页2、直流电机的磁化曲线00 fI0F直流电机的磁化曲线 分别计算不同的主磁通时所需的励磁磁动势，可得到直流电机的磁化曲线。00Ff 电机的磁化曲线表明电机磁路是非线性的，在电机的稳态分析时通常用线性分析加上适当修正的办法来考虑非线性的影响。因励磁绕组匝数一定，磁化曲线亦可表示为：fIf0第30页/共34页三、永磁磁路的计算)()(00mmmmmmHAALHAABAABABABmm根据磁通连续性定律：0LHLHFmmHLHmm根据安培环路定律：具有气隙的环形永磁铁为例：MAMHMBBHBm和Hm间的关系，是一条直线，称为工作线。第31页/共34页0BrBmBagmHHcH工作线具有空气隙的环形永磁磁路的磁铁工作图 由于磁路上没有外加磁动势，所以永磁磁路总是工作在永久磁铁的去磁曲线上；若磁路中无气隙，则铁心内的磁通密度为剩磁Br，若磁路中开有气隙，由于整个磁路的磁阻增大，故铁心中的磁通密度将从Br沿去磁曲线