第一部分磁路基本定律

1、1v1.1 1.1 概述概述v1.2 1.2 电机发展简史电机发展简史v1.3 1.3 电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律v1.4 1.4 铁磁材料特性铁磁材料特性v1.5 1.5 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法2v广义：广义： 实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。v狭义：狭义： 电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量转换或信号变换的电磁机械装置。34据速度、电流分据速度、电流分电机电机静止的电气设备静止的电气设备变压器变压器旋转电机旋转电机交流电机交流电机直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电

2、动机同步电机同步电机异步电机异步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机v发电机发电机将机械功率转换为电功率将机械功率转换为电功率 v电动机电动机将电功率转换为机械功率将电功率转换为机械功率v变压（流、频、相位）器变压（流、频、相位）器将电功率转换为另一种将电功率转换为另一种形式的电功率形式的电功率 v控制电机控制电机电气机械系统中调节、放大和控制作用电气机械系统中调节、放大和控制作用 56使用中的变压器使用中的变压器水轮发电机水轮发电机电动机电动机汽轮发电机组汽轮发电机组1.1. 电电电路电路导电材料及绝缘材料导电材料及绝缘材料 v 导电材料：导电

3、材料：紫铜、铝线紫铜、铝线v 绝缘材料：绝缘材料：聚脂漆、云母片聚脂漆、云母片按耐热能力高低分六个等级A105 E120 B130 F155H180 C18072 2、磁、磁磁路磁路导磁材料导磁材料硅钢片硅钢片、铸钢等、铸钢等v导导磁材料：铁磁材料磁材料：铁磁材料v3 3、力、力结构材料结构材料铸钢、铸铁、钢板等铸钢、铸铁、钢板等8v电能生产电能生产由同步发电机生产；由同步发电机生产；v高压输电高压输电由升压变压器将发电机发出的电压升高由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送；到输电电压再输送；v降压用电降压用电由降压变压器将输来的高压电降为所需由降压变压器将输来的高压电降为所需低电

4、压，供给用电设备；低电压，供给用电设备；v生产机械的拖动生产机械的拖动由各种电动机实现；由各种电动机实现；v控制系统中的信号转换控制系统中的信号转换由各种控制电机完成。由各种控制电机完成。910我国老牌电机厂：我国老牌电机厂：哈尔滨电机厂哈尔滨电机厂上海上海电机厂电机厂湘潭电机厂湘潭电机厂永永济电机厂济电机厂四川：四川：德阳德阳 东方电机厂东方电机厂1112 请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？1 1电机的发展初期电机的发展初期nFBli1821年 Faradayn电磁感应定律的发现1831年 Faradayn直流发电机1831年 Pixii

5、n1876年 单相交流电的应用远距离传输n1885年 交流电动机n1889年 三相制三相交流电的应用 三相电机131. 1. 全电流定律全电流定律安培环路定律安培环路定律 14IdlHLL L1i2iH Hdl3i 式中，若电流的正方式中，若电流的正方向与闭合回线向与闭合回线L L的环行方的环行方向符合右手螺旋关系时，向符合右手螺旋关系时，i i取正号，否则取负号。取正号，否则取负号。321iiidlHLvl l和和ll，两积分路径结果相同：，两积分路径结果相同：15v闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感

6、应。有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。v线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。16dtdNdtdeN其中图图1-2 1-2 电磁感应定律电磁感应定律17dtdNeR正电动势产生正电流正电动势产生正电流电流正方向电流正方向R正电流产生正磁通正电流产生正磁通 右手螺旋定则右手螺旋定则v在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动时间脉动v或磁通不变，而线圈在转动。或磁通不变，而线圈在转动。v对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动动

7、18),(txfdxxdttdvTeexNvtNedtdNe1.1.磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本磁通本身随时间在变化着身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）势。（线圈与磁场相对静止）2.2.磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相相对运动而引起对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势称为运动电势或速度电势 19运动电动势运动电动势vTeexNvtNe变压器变压器电动势电动势v若线

8、圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应的电动势感应的电动势变压器电势变压器电势20tmsin)90sin(costEtNeemmTmmNEmmmmfNfNNEE44. 4222感应电动势有效值：感应电动势有效值：21)90sin(costEtNeemmTtmsinmmmmfNfNNEE44. 4222v若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势运动运动电动势。电动势。22Blve 感应电动势的方向感应电动势的方向_

9、_右手定则右手定则vTeexNvtNev载流导体在磁场中要受到力的作用载流导体在磁场中要受到力的作用电磁力。电磁力。v左手定则左手定则2022年4月8日星期五23BliF v 在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘转子半径）子受到一个力矩（等于力乘转子半径）电磁转矩。电磁转矩。24BlirFrTs)(21BBNlirTc匝数为匝数为N N的线圈的线圈v线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反25)(21BBNlirTc12BBn 线圈总个数线圈总个数M M，转子直径，转子直径D

10、 D，B B大小处处相等。电机最大大小处处相等。电机最大可能电磁转矩可能电磁转矩NBliDMTTMjcjem1电磁转矩电磁转矩v电动机：电磁转矩电动机：电磁转矩驱动性质驱动性质 电能机械能v发电机：电磁转矩发电机：电磁转矩制动性质制动性质 机械能电能26PTemP P ：电磁功率（输入、输出）：电磁功率（输入、输出）：电机气隙磁场旋转角速度：电机气隙磁场旋转角速度u功率关系求得电磁转矩功率关系求得电磁转矩v电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。磁材料是组成磁路的主要部分。v所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁

11、、镍、所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。钴等以及它们的合金。27一、磁导率一、磁导率=B/H=B/HB B：磁通密度、磁感应强度：磁通密度、磁感应强度H H：磁场强度：磁场强度1 1、定义、定义v在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多圈的磁通大得多28n 非铁磁材料磁导率接近真空磁导率非铁磁材料磁导率接近真空磁导率0 0u0 0=4=41010-7 -7 H/mH/mn 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率FeFe要比非铁磁材料磁导率要比非铁磁材料磁导率0 0大得多大得多（FeFe）u铁磁物质铁磁物

12、质: :铁、镍、铝及其合金铁、镍、铝及其合金u电机中常用的铁磁材料的磁导率电机中常用的铁磁材料的磁导率FeFe=(2000=(20006000)6000)0 0v在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁效应互相抵消，对外不呈现磁性。效应互相抵消，对外不呈现磁性。v将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致。形成一个于一致。形成一个附加磁场附加磁场，叠加在外磁场上，使合成，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。磁场大为增强。?铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。铁磁材料的磁导率要比

13、非铁磁材料大得多。?铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率FeFe不是常数。不是常数。29图图1.5 1.5 铁磁材料中的磁畴铁磁材料中的磁畴v磁化曲线定义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，磁化曲线定义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度当磁场强度H H由零逐渐增大时，磁通密度由零逐渐增大时，磁通密度B B将随之增大，将随之增大，得到曲线得到曲线B=f(H)B=f(H)。30v在在oaoa段段：当：当H H增大增大B B增大，但增大，但B B增大速度较慢增大速度较慢v在在abab段段：当：当H H增大增大B B增大，增大，B B增增大速度快；大速度快；v在在bcbc段段：B B随随H H

14、增大的速度又较慢；增大的速度又较慢；v在在cdcd段段：为磁饱和区（又呈直线：为磁饱和区（又呈直线段）。其中段）。其中拐弯点拐弯点b b称为膝称为膝点点；c c点为饱和点点为饱和点。v过了饱和点过了饱和点c c，铁磁材料的磁导，铁磁材料的磁导率趋近率趋近0 0。31v 它的磁化曲线具有饱和性，磁导率它的磁化曲线具有饱和性，磁导率FeFe不是常数，且不是常数，且随随H H的变化而变化。的变化而变化。1. 变化2. 总体非线性 3. 存在饱和特性 H 3233B BH H图图1-6 1-6 铁磁材料的磁化曲线（铁磁材料的磁化曲线（p16p16）a ab bc c)(HfB)(HfFeHB0v设计电

15、机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通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。磁通密度选择在膝点附近。3435n 剩磁剩磁: :去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。密度。n 矫顽力矫顽力: :要使要使B B值从减小到零，必须加上相应的反向外值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。n 磁滞现象：磁滞现象：B B的变化总是滞后的变化总是滞后H H的变化的变化n 磁滞回线

16、：磁场强度磁滞回线：磁场强度H H缓慢地循环变化，缓慢地循环变化，B BH H曲线封曲线封闭曲线闭曲线磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。36图图1-7 1-7 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线H HB Ba ab bc cd de ef fmBmBmHmHrBcH 对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。顶点联接起来，所得的曲线。37H HB BvH HC C矫顽力矫顽力vB Br r剩余

17、磁感应强度剩余磁感应强度v铁磁材料：铁磁材料： 软磁材料-磁滞回线窄，HC及Br小 硬磁材料-磁滞回线宽，HC及Br大 HC及Br大，难退磁-永磁材料38B Br rH HC CB Bm m39软磁材料的磁滞曲线软磁材料的磁滞曲线H HB BB BH H硬磁材料的磁滞曲线硬磁材料的磁滞曲线v定义定义: : 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗磁滞损耗。4041全电流定律全电流定律idlHliNlHNlHi电源供给线圈的瞬时功率电源供给线圈的瞬时功率uip dtdN

18、eu电磁感应定律电磁感应定律BAdtdBVHNHldtdBNAidtdNuip42HdBfVpdtTpTh01Tf/1VfBkpmhhK Kh h不同材料计算系数不同材料计算系数试验确定的指数试验确定的指数经验公式：经验公式：v铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。涡流。v涡流产生的损耗称为涡流产生的损耗称为涡流损耗涡流损耗。4322mwwBfkpk kw w与材料有关的比例系

19、数与材料有关的比例系数p pW W=K=K2 2f f2 2d d2 2B Bm m2 2V/12V/12 V V：钢片的体积：钢片的体积 ：硅钢片的电阻率：硅钢片的电阻率 d d：硅钢片厚度：硅钢片厚度p pW W f f2 2、d d2 2 、B Bm m2 2、1/1/ 、V V 加入加入硅硅硅钢片硅钢片增大增大44B Bv为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅硅量较量较高的高的薄薄硅钢片硅钢片叠成叠成。45v铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗芯损耗46whFeppp2501)50(mFeBfppn

20、对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内：铁心质量：铁心的损耗系数；G23 . 1FemFeFeCGBfCpv在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。能量损耗的。v铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯采用硅钢片以减小铁芯损耗损耗，采取散热降温措施采取散热降温措施 。 47v电电电路电路导电材料（及绝缘材料）导电材料（及绝缘材料） 紫铜、铝线紫铜、铝线（绝缘（绝缘: :按耐热能力高低分按耐热能力高低分A A、E E

21、、B B、F F、H H、C C六个等六个等级）级）v磁磁磁路磁路导磁材料导磁材料硅钢片、铸钢等硅钢片、铸钢等v力力结构材料结构材料铸钢、铸铁、钢板等铸钢、铸铁、钢板等48v主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过绝大部分磁通将在铁心内通过, ,这部分磁通称为主磁这部分磁通称为主磁通。通。v漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，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。还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。49n主磁路：主磁通所通过的路径。主磁路：主磁

22、通所通过的路径。n漏磁路：漏磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。50图图 变压器的磁路变压器的磁路主磁通主磁通漏磁通漏磁通51BAAB图图1-12 1-12 单框铁心磁路单框铁心磁路A AN Ni il l52NiHldlHFRFAlNimm)/(AlRm/BH AB/磁阻磁阻lARmm1磁导磁导53模拟电路图模拟电路图mRF FFRFAlNimm)/(n铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率不不是一个常数，所以由铁是一个常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁材料构成的磁路，其磁阻不是常数磁阻不是常数，而是随，而是随着磁路中磁通密度的大着磁路中磁通密度的大小而变化，这种情况称小而变化，这种情况称为非线性。为非线性。 AlRmv定律内容定律内容: : 穿出穿出( (或进入或进入) )任一闭和面的总磁通量恒等任一闭和面的总磁通量恒等于零于零( (或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于