电机学磁路上海工程技术大学(教学课件)

1、1电电 机机 学学章文俊章文俊上海工程技术大学上海工程技术大学2第一章第一章 磁磁 路路不论是发电机、电动机还是变压器，电磁感应是它们工作原理的基础，因此要想了解电机及变压器的工作原理及性能，必须具备电、磁方面的基础理论知识。有关电路方面的知识，在电路课程中已进行了详细的研究。本章对磁路方面知识进行必要的补充，为进一步研究电机及变压器的工作原理及性能准备必要的基础知识。31.磁路的概念图1-1两种常见的磁路a)变压器的磁路b)四极直流电机的磁路4lIFB磁感应强度B是表示磁场强弱的一个物理量。在电机中，气隙处的磁感应强度约为0.4-0.8T；铁芯中的磁感应强度约为1-1.8T。式中 F-电磁力

2、，单位是N；l-导线段，单位是m； I-电流，单位是A； B-磁感应强度，单位是T。1-1 磁感应强度、磁通、磁导率及磁场强度磁感应强度、磁通、磁导率及磁场强度一一.磁感应强度及磁通磁感应强度及磁通在永磁体及通电导线周围存在着磁场，但怎样表示磁场的强弱呢？当载流导体l与磁力线相垂直时，作用在该导线段上的电磁力为 F = BIl 所以有5AB = BA 或写成在国际单位制中，B的单位是T，A的单位是m ，的单位是Wb。2 磁感应强度B描述的只是空间每一点的磁场，如果要描述一个给定面上的磁场，就要引入另一个物理量，叫磁通量，简称磁通。 如果在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，面积为A，磁通为6

3、二二. . 磁导率磁导率 通电线圈所产生磁场的强弱与线圈中放入的介质有关。当线圈中放入某类介质时，磁场大为增强；而当放入另一类介质时，磁场可能略有削弱。 表示物质这种磁性质的一个物理量叫做磁导率，用符号来表示。磁导率的单位是H/m。 真空磁导率mH /410707物质根据磁性质的不同，可以分为三类：顺磁性物质即0如空气、铝等。逆磁性物质即(几百倍至几千倍)0 如铁、镍、锰、钴等铁磁材料。8BH 如果B的单位是T，的单位是H/m，则H的单位是A/m。由于磁势的单位是A，因此从H的单位可以知道，磁场强度H就是单位长度磁路上所消耗的磁势，或单位长度磁路上的磁压降。三三. 磁场强度磁场强度磁场强度H的

4、定义是:91-2 磁路的基本定律磁路的基本定律如同把电流流过区域称为电路一样，也可以把磁通通过的区域称为磁路。但是，电路和磁路只是形式上的相似，本质上是有区别的。在电路中有真正的带点粒子在做定向运动，而在磁路中却没有什么东西沿着闭合回路流动。对电来讲，存在电的导体和绝缘体，电流可以集中在导体中流过，可是不存在磁的导体，和磁的绝缘体。因此，磁路概念并不象电路概念那样简明。10不过由于磁材料的磁导率很大，能使绝大部分磁通集中在一定的回路中通过，因此从工程计算的角度来看，为了简单方便，将磁场的问题简化成磁路来处理，在大多数情况下，准确度已经足够了。在进行磁路计算时，往往要应用到下面几个定律。一一.安

5、培环路定律安培环路定律(全电流定律全电流定律)实验证明：沿着任何一条闭合回路L，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和，这就是安培环路定律。il dHl11iii123H il dHl 安培环路公式中，电流的方向与闭合线上磁场强度的方向满足右螺旋规律时，电流i取正值，否则i取负值.例如右图中，i1和i2取正值，i3取负值。12 【例】一个具有均匀铁心的闭合线圈，其匝数N=200,铁心中的磁感应强度为1T，磁路的平均长度为50cm，试求：(1) 铁心为铸铁时线圈的电流，已知B=1T时，H=10100A/m。(2) 铁心为铸钢时线圈的电流，已知B=1T时，H=924A/m。【解】由安

6、培环路定律可得(1) I1=H1l/N=101000.5/200=25.25A(2)I2=H2l/N=9240.5/200=2.31A 13A132二二. . 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律下图中，如果在中间铁芯柱的线圈中通以电流，则产生磁通，其路径如虚线所示，从图中显然可以看出：或即32103210它也可以这样来理解：在图中取一闭合面A，如果令穿出闭合面A的磁通取正值，进入闭合面A的磁通为负值，则通过闭合面磁通的代数和为零。亦即穿入闭合面的磁通必等于穿出闭合面的磁通。 也称磁通结点原理14在磁路计算中，总是将磁路分为若干段，凡材料及截面积相同的取为一段。在每一段磁路中，由于截面

7、积相同，所以磁通密度B必定处处相等，且由同一材料作成，磁导率一样，所以磁场强度相等。再运用安培环路定律 来求解。NIHl三三. . 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律15例图所示磁路中，磁路由铁磁材料及空气隙两部分所构成，而铁磁材料这一部分截面积又分别为A1及A2，故整个磁路应分为三段，每段长度为l1、l2及l3。每段中磁场强度是相同的，分别为 H1、H2及H3。根据安培环路定律可得 是闭合回路上总的磁压降。 是磁通所包围的总电流，由于它产生磁通，所以称为磁动势。HlNIlHlHlH332211NINI16四四. .磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律如果某一段匀强磁路长为l，则该段磁路上的

8、磁位差Um便为 Um= HlBH ABAlRm 由于 ，而 ，将关系式代入可得它与电阻的计算公式形式类似，故称它为磁阻。该式在形式上与电路的欧姆定律U=RI完全一样，故称为磁路的欧姆定律。式中17 磁阻与磁路的长度l成正比，与磁路的截面积A及磁导率u成反比。但由于铁磁材料的磁导率u不是一个常数，故铁磁材料的磁阻是非线性的。Rm1磁阻的倒数是磁导，用来表示:磁阻的实用单位是1/H，而磁导的实用单位是H。 AlRm18b )a )图 1 - 4 磁 畴2 常用的铁磁物质及其特性一、铁磁物质的磁化一、铁磁物质的磁化将铁、镍、钴等铁磁物质放入磁场后，磁场将显著增强，铁磁物质呈现很强的磁性，这种现象，称

9、为铁磁物质的磁化。铁磁物质能增强外界磁场的原因，是因为在铁磁物质内部存在着许多很小的天然磁化区，叫做磁畴。图中，这些磁畴用一些小磁铁来代表。19在铁磁物质未放入磁场以前，这些磁畴杂乱无章地排列着，各磁畴的轴线方向不一致，磁效应互相抵消，故对外不呈现磁性。当铁磁物质放入磁场后，在外磁场的作用下，磁畴的方向渐趋一致，形成一个附加磁场，与外磁场相迭加，从而使磁场大为增强20二、原始磁化曲线二、原始磁化曲线将一块尚未磁化的铁磁物质进行磁化，在磁场强度H由零开始逐渐增加时，磁感应强度也随着逐渐增加，这种B=f(H)曲线就称为原始磁化曲线，其形状如右图所示。铁磁材料与非铁磁材料的磁化曲线21在Oa段，H值

10、增加时，B值增加较快，这是因为随着H值的增加，有越来越多的磁畴趋向于外磁场的方向，使磁场增强。在ab段，随着H值的继续增加，大部分磁畴已趋向外磁场的方向，可以转向的磁畴越来越少，故B值增加越来越慢，这段曲线称为磁化曲线的膝部。原始磁化曲线 b点以后已经很少有磁畴可以转向，因此B值增加非常缓慢，称为磁化曲线的饱和段。22三、磁滞回线三、磁滞回线原始磁化曲线，当铁磁物质在-Hm到+Hm之间反复磁化若干次，得到原点对称的封闭曲线.当磁场强度从-Hm向+Hm增加时，磁化过程沿曲线defa进行。当磁场强度从-Hm向+Hm减少时，磁化过程沿曲线abcd进行。从上述的磁化过程可以看出，B的变化总是落后于H的

11、变化，这种现象就称为磁滞。23左图的闭合曲线称为磁滞回线。Bm越大，磁滞回线面积也越大。从左图曲线可以看出，当H下降到零时，B并不下降到零而是保持一定数值，这是因为外磁场虽然消失了，但磁畴还不能恢复原来状态，还保留一定磁性，称为剩磁。要去掉剩磁（ 使B =0）,必须加反方向磁势（OC段或Of段），就称为矫顽力。24按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为软磁材料与硬磁材料两大类.磁滞回线窄、剩磁和矫顽力小的材料称为软磁材料，如铸铁、铸钢，硅钢片等。软磁材料的磁导率较高，故用以制造变压器及电机的铁芯。磁滞回线宽、剩磁及矫顽力大的材料称为硬磁材料，如铝镍钴铁的合金和稀土合金等。由于硬磁材料的剩磁大，

12、所以常用来制造永久磁铁。25永磁材料的种类较多，摘要分述如下永磁材料的种类较多，摘要分述如下:(1)铸造型铝镍钻 这种材料是用浇铸法制成，其优点是磁性能较高，稳定性较好，价格较便宜；缺点是材料硬而脆，除磨和电加工外，无法进行其他机械加工。(2)粉末型铝镍钴 由粉末冶金(烧结)或粉末压制(粘结)制成，其优点是可直接制成所需形状，尺寸较精确、表面很光洁，可大批量生产；缺点是磁性能较前者低，且价格较贵。(3)铁氧体 用粉末冶金或粉末压制而成，其优点是Hc很高，抗去磁能力强，价格便宜，比重较小不需要进行工作稳定性处理；缺点是Br不大，温度对磁性能影响较大，不适用于温度变化大而要求温度稳定性高的场合。(

13、4)稀土钴 这种材料的综合磁性能好，有很强的抗去磁能力，磁性的温度稳定性较好，其允许工作温度可高达200250C；缺点是除电加工外，不能进行其他机械加工，另外材料的价格贵，制造成本亦高。(5)钕铁硼 这是80年代后期研制成的一种永磁材料，其磁性能优于稀土钴，且价格较低廉，不足之处是允许工作温度较低，约为100，使其应用范围受到一定限制。26将四类永磁材料各举一种，其磁性能见下表 表1-1永磁材料的磁性能材料名称磁性能铝镍钴(ALNICO 56/6)铁氧体(Y35)稀土钴(YXG-26）钕铁硼(N42H)剩磁顽力(kA/m) 60200765907最大磁能积BH(kJ/

14、)5631819832627四、基本磁化曲线四、基本磁化曲线选择不同的磁场强度Hm进行反复磁化，可以得到一系列大小不同的磁滞回线。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线，称为基本磁化曲线。基本磁化曲线并不是原始磁化曲线，但差别不大。工程上采用的都是基本磁化曲线。28而且，磁感应强度B正比于磁通，磁场强度H正比于励磁电流I，所以，磁化曲线可以用= f(I)曲线来表示，也可以用= f(F)来表示。(F=IN是励磁磁势， N是线圈匝数)29五、退磁过程五、退磁过程铁磁物质磁化以后，要使H=0时B=0，即要消除剩磁，必须进行退磁处理。用交流电去磁时，因交流电本身的方向是变化的，所以只要逐渐减小电

15、流值，即可达到去磁的目的。进行退磁时，将铁磁物质放在螺线管线圈中，按右图所示的过程进行退磁。由于Hm逐渐减少到零，因而磁滞回线的面积也逐渐减小到零，故最后剩磁为零。30六六 磁滞损耗与涡流损耗磁滞损耗与涡流损耗（1）磁滞损耗）磁滞损耗在外磁场的作用下，铁磁物质内部磁畴的方向会转动，以使磁畴的方向与外磁场一致。如果外加的磁场是交变的，在外加磁场的作用下，磁畴便来回翻转，彼此之间产生摩擦而引起损耗，这种损耗就称为磁滞损耗。分析表明：单位体积内的磁滞损耗正比于 磁场交变的频率f和磁滞回线的面积。31（2）涡流损耗）涡流损耗当通过铁芯的磁通交变时，根据电磁感应定律，铁芯内将产生感应电势和电流。这些电流

16、在铁芯内部围绕磁通呈旋涡状流动，故称为涡流。涡流在铁芯中流动时造成能量损耗，此外，涡流还有去磁作用，这些都是不利的。为了减少涡流的影响，可以在钢材中加入少量的硅以增加铁芯材料的电阻率；硅钢片叠成的铁心，涡流损耗为：32电机中的铁芯要通过交变磁场, 不允许采用整块的铁芯，那将会有较大的涡流感生.一般是采用互相绝缘的由许多薄硅钢片叠起来的铁芯，以使涡流所流经的路径变长，从而大大减少涡流（图1-9）。所以变压器及电机的铁芯都是采用厚度为0.35或0.5mm的硅钢片来制造。33（3）铁心损耗）铁心损耗 铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和，称为铁心损耗，用pFe表示34一、直流磁路的计算 简单串联磁路简单串联

17、磁路就是不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路，如下图所示。3 磁路的计算简单串联磁路a)串联磁路b)等效磁路图35气隙磁场的边缘效应例题例题36一、直流磁路的计算 简单并联磁路简单并联磁路是指考虑漏磁影响，或者磁回路有两个及两个以上分支的磁路。电机和变压器的磁路大多属于这一类。3 磁路的计算简单并联磁路a)并联磁路b)等效磁路图图1-10电机中常用铁磁材料的基本磁化曲线(图中的0.1、10、100等分别表示把横坐标的读数乘0.1、乘10、乘100)38二、直流电机的空载磁路和磁化曲线3 磁路的计算图1-16直流电机的空载磁场和磁路a)空载磁场分布b)空载磁路39二、直流电机的空载磁路和磁化

18、曲线3 磁路的计算图1-17直流电机的磁化曲线图1-18开有气隙的永磁磁路a)实际磁路b)等效磁路图40三、永磁磁路的计算特点413 磁路的计算(1)气隙内的磁位降H，是由永磁体内所形成的或者说所提供的，FM=-HMlM;永磁体内的工作磁场强度HM和长度lM愈大，永磁体提供的磁动势就愈大。(2)永磁体内的磁场HM总是负值，也就是说，它总是工作在永磁材料磁滞回线的第二象限这段曲线上，这段曲线通常称为退磁曲线，如图1-19中段所示。(3)若磁路中没有气隙，=0，则HMlM=0，于是HM=0，从退磁曲线可见，此时永磁体内的磁通密度为剩磁Br，如图1-19中的R点所示。图1-19永磁体的退磁曲线42图解法确定工作点的步骤：(1)用磁通量作为纵坐标，磁动势F作为负的横坐标，作永磁体的外特性M=f(FM)通常永磁体的退磁曲线是用BM=f(HM)来表示的。(2)作与气隙磁阻Rm相应的磁阻线=f()若通过气隙的磁通量为，气隙两端的磁位差为，根据磁路的欧姆定律可知， ；由于 为一常值，故通过气隙的磁通与气隙两端的磁位差之间为一线性关系，即=f()为一直线，此直线称为气隙磁阻线；(3)退磁线与磁阻线的交点A处，磁通量为A，永磁体所产生的磁动势FMA恰好等于气隙两端的磁位降A，如图1-20所示，故A点就是。43mRARm01图1-20工作点的确定444.交流磁路的特点(1