电机中的能量转换与磁路课件

0.4电机中的能量转换与磁路0.5与磁路相关的基本物理定律0.6铁磁材料及其特性第二讲电机中的能量转换与磁路0.7磁路分析0.4电机中的能量转换与磁路0.5与磁路相关的基本物理定1§0.4电机中的能量转换与磁路0.4.1电机中能量转换的两个实例

心式变压器

壳式变压器☆变压器§0.4电机中的能量转换与磁路0.4.1电机中能量转换的2心式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图心式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图3同步发电机工作原理☆发电机同步电机机械能到电能转换过程同步发电机工作原理☆发电机同步电机机械能到电能转换过程4机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABCSN定子铁心定子绕组转子铁心转子绕组机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABCS50.4.2能量转换装置中的磁场与磁路一个重要物理量是磁场的磁通（flux）。而磁通所通过的路径就是磁路(magneticcircuit)。从图可以看出，变压器和旋转电机中的磁路主要由铁磁材料构成，相应的磁路称为铁心磁路。

单相变压器0.4.2能量转换装置中的磁场与磁路一个重要物理量是磁场6i1输入电能电能磁场输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。i1输入电能电能磁输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两7磁场机械能电能在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场。旋转电机磁场机械能电能在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要8电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。磁通所通过的路径就是磁路。磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。0.4.3变压器与发电机磁路的形成（动画）发电机磁极单独存在时磁路发电机磁极与定子铁心构成的磁路有线圈有铁心时磁路有线圈没有铁心时磁路电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。0.4.3变压器与发92）磁通密度也叫磁感应强度。单位特斯拉（T）。1）磁通可以直观地理解为磁路中所包含地磁力线条数。单位韦伯（Wb）§0.5与电机磁路相关的基本物理定律0.5.1与磁路相关的几个重要物理量2）磁通密度1）磁通§0.5与电机磁路相关的基本物理定律103）磁导率磁导率表示物质导磁能力的大小。真空磁导率为，H/m。空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁导率都近似等于。称为非铁磁物质。还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这类材料称为铁磁物质，比如，铁、镍、钴及其合金等。3）磁导率11而磁通密度则分别为

因为是的数千倍，所以铁环中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的圆周上有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为，4）磁场强度，单位为A/m。它与磁感应强度的关系在一般的情况下可表示为。需要注意的是，磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。而磁通密度则分别为下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的12能量转换需要磁场----磁场由电流产生磁场强弱与产生该磁场的电流是什么关系?由全电流定律来描述H-i之间关系0.5.2全电流定律（安培环路定律）能量转换需要磁场0.5.2全电流定律（安培环路定律）13安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。注：若与符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为的方向，四指为

方向。1）全电流定律一般形式安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度14螺管线圈线圈:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用表示，单位A。2)电机分析中常用的简化形式的全电流定律下图为均匀密绕螺管线圈，有螺管线圈线圈:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用15

对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路，所以也可得下式。单线圈铁心磁路

对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路16

带气隙的铁心磁路

若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。当气隙长度远远小于两侧的铁心截面的边长时，认为铁心和气隙中为均匀磁场，则

式中，

和分别为铁心和气隙上的磁压降，可见，作用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。讨论1磁路包含气隙时的全电流定律带气隙的铁心磁路若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。17对于下图所示铁心上绕有匝数分别为与两个绕组，分别通入电流与

的情况，作用于磁路上的总磁动势则为两个线圈安匝数的代数和，于是多线圈铁心磁路讨论2磁路包含两个线圈时的全电流定律对于下图所示铁心上绕有匝数分别为与两个绕组，多线圈铁18描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。

由于

B=μH

1）均匀磁路的欧姆定律0.5.3磁路的欧姆定律与电感得描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，由于B=19:磁路的磁阻，A/Wb

:磁路的磁导，Wb/A思考：从磁路欧姆定律出发，磁路中磁通的大小受哪些因数的影响？

:磁路的磁阻，A/Wb:磁路的磁导，Wb/A思考：从20其中:铁心部分对应的磁阻:气隙部分对应的磁阻

2）分段均匀磁路的欧姆定律:铁心中消耗的磁动势:气隙中消耗的磁动势其中2）分段均匀磁路的欧姆定律:铁心中消耗的磁动势:气隙21思考：假设铁心长度

与气隙长度比为1000/1；铁心磁导率与气隙磁导率比为6000/1,那么线圈电流产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什么比值关系？思考：22两边同乘以线圈的匝数，则等式左边得到的是线圈的磁链：3)线圈的电感由于：所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系可见，电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的磁导成正比。对于：两边同乘以线圈的匝数，则等式左边得到的是线圈3)线圈的电23

随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率减小，相应的磁导、电抗也要减小。

电抗随着频率、匝数、磁阻的变化而变化。

4)交流线圈的电抗随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率减小，相应的240.5.4电磁感应定律1)电磁感应定律线圈感应电动势与磁通的正方向之间符合右手螺旋关系。电磁感应定律可表示为：电感为常数，对于只有一个线圈的情况，得到我们所熟悉的公式

感应电势的正方向0.5.4电磁感应定律1)电磁感应定律线圈感应电动势与252)关于公式

如上图所示，利用右手定则，可得到注意点：a.该式要求导体及其运动方向均与磁密方向垂直，而且在导体长度上各点处的磁密相等。b.该公式经常用于旋转电机绕组感应电动势的求解，但在运用时，也要注意（a）中的适用条件。

2)关于公式如上图所示，利用右手定则，可注意点：260.5.5电机分析中常用其它物理定律1)磁通连续性定理磁通连续性原理示意图0.5.5电机分析中常用其它物理定律1)磁通连续性定理磁通272)电磁力定律载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中电流为

，导体长度为

，导体所在处的磁通密度为

，则电磁力为：当电流

的方向与磁密

的方向垂直时电磁力大小可写为：注：电磁力方向由左手定则决定2)电磁力定律载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中28§0.6铁磁材料及其特性铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金（其它材料称之为非铁磁材料）。将这些材料放入磁场后，材料内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此想象称为铁磁材料的磁化。未磁化磁化后φ§0.6铁磁材料及其特性铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合290.6.1.铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）上图为同步电机转子线圈电流）产生的磁场很弱（磁力线稀少）且分布在无限广阔的空间。

一旦转子插入定子，定转子磁路中的磁场大大增强，且磁通基本被约束在定子外圆以内的范围。思考：为什么？

0.6.1.铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）30因为铁磁材料的磁导率要远远高于非铁磁材料的磁导率（非铁磁材料的磁导率一般都可近似认为等于真空的磁导率，）。通常。那么，一定的线圈电流在铁心磁路中激发的磁通比空气磁路中磁通大得多。因为铁磁材料的磁导率要远远高于非铁磁材料31结论：铁心具有增磁功能。结论：铁心具有增磁功能。320.6.2铁磁材料具有磁饱和特性铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，会随铁磁材料内磁密的变化而变化，当磁密达到点后，铁磁材料内磁密呈现饱和想象，也就是说，此时磁场强度继续增加，铁磁材料的磁导率会迅速变小，磁密增加会越来越慢。0.6.2铁磁材料具有磁饱和特性铁磁材料的磁化曲线不33举例：饱和对铁磁材料磁化的影响举例：饱和对铁磁材料磁化的影响34DW450-50的实际磁化曲线H（A/m）B(T)代号说明：D-电工钢片，W-冷轧无取向，即各个方向磁导率相等，450-50—在50Hz下铁心损耗4.5W/kg,厚度为0.5mm。DW450-50的实际磁化曲线H（A/m）B(T)代号说350.6.3铁磁材料具有磁滞特性铁磁材料进行周期性磁化所反映的：磁密变化落后于磁场强度变化，通常在电机内也可理解为磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象。0.6.3铁磁材料具有磁滞特性铁磁材料进行周期性磁化所反映36不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线图中黄色的曲线为该铁磁材料的基本磁化曲线不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线图中黄色的曲线为该铁371）磁滞损耗铁磁材料的磁滞效应可引起铁磁材料发热，也就是说磁滞会引起磁滞损耗。铁磁材料置于交变磁场中时，材料被交变磁场反复磁化，引起磁畴的周期性转动，其转动摩擦引起的损耗就是磁滞损耗。φ1）磁滞损耗铁磁材料的磁滞效应可引起铁磁材料发热，也38软磁材料的磁滞回线硬磁材料的磁滞回线磁滞损耗与磁滞回线包围的面积、磁通交变频率

、铁磁材料体积成正比。软磁材料的磁滞回线硬磁材料的磁滞回线磁滞损耗与磁滞回线包围的39铁心内的交变磁通将感应电势，进而在铁心内引起环流。这些环流通作涡流状流动，称为涡流。涡流引起的损耗，称为涡流损耗。思考：如何尽量减小涡流损耗？2）涡流损耗铁心内的交变磁通将感应电势，进而在铁心内引起环流。这些环流通40当铁心中磁通交变时，同时会产生磁滞损耗与涡流损耗。这两部分损耗总称为铁心损耗。铁心损耗通常用下式计算：3）交流铁心的损耗当铁心中磁通交变时，同时会产生磁滞损耗与涡流损耗。这两部分损411--铁磁材料的磁化曲线2--空气的磁化曲线3、4--带气隙的铁心磁路的磁化曲线(δ3<δ4)讨论：气隙存在对铁心磁路的影响均匀磁路曲线

曲线及1--铁磁材料的磁化曲线讨论：气隙存在对铁心磁路的影响均匀磁42电路磁路电流I[A]磁通：[Wb]电流密度J[A/m^2]磁通密度B[T=Wb/m^2]电动势E[V]磁动势F[A]电阻[]磁阻[1/H]电导[S]磁导[H]基尔霍夫第一定律磁路节点定律基尔霍夫第二定律全电流定律电路欧姆定律磁路欧姆定律

总结电路磁路电流I[A]磁通：[Wb]电流密430.4电机中的能量转换与磁路0.5与磁路相关的基本物理定律0.6铁磁材料及其特性第二讲电机中的能量转换与磁路0.7磁路分析0.4电机中的能量转换与磁路0.5与磁路相关的基本物理定44§0.4电机中的能量转换与磁路0.4.1电机中能量转换的两个实例

心式变压器

壳式变压器☆变压器§0.4电机中的能量转换与磁路0.4.1电机中能量转换的45心式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图心式变压器平面示意图壳式变压器平面示意图46同步发电机工作原理☆发电机同步电机机械能到电能转换过程同步发电机工作原理☆发电机同步电机机械能到电能转换过程47机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABCSN定子铁心定子绕组转子铁心转子绕组机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABCS480.4.2能量转换装置中的磁场与磁路一个重要物理量是磁场的磁通（flux）。而磁通所通过的路径就是磁路(magneticcircuit)。从图可以看出，变压器和旋转电机中的磁路主要由铁磁材料构成，相应的磁路称为铁心磁路。

单相变压器0.4.2能量转换装置中的磁场与磁路一个重要物理量是磁场49i1输入电能电能磁场输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。i1输入电能电能磁输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两50磁场机械能电能在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场。旋转电机磁场机械能电能在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要51电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。磁通所通过的路径就是磁路。磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。0.4.3变压器与发电机磁路的形成（动画）发电机磁极单独存在时磁路发电机磁极与定子铁心构成的磁路有线圈有铁心时磁路有线圈没有铁心时磁路电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。0.4.3变压器与发522）磁通密度也叫磁感应强度。单位特斯拉（T）。1）磁通可以直观地理解为磁路中所包含地磁力线条数。单位韦伯（Wb）§0.5与电机磁路相关的基本物理定律0.5.1与磁路相关的几个重要物理量2）磁通密度1）磁通§0.5与电机磁路相关的基本物理定律533）磁导率磁导率表示物质导磁能力的大小。真空磁导率为，H/m。空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁导率都近似等于。称为非铁磁物质。还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这类材料称为铁磁物质，比如，铁、镍、钴及其合金等。3）磁导率54而磁通密度则分别为

因为是的数千倍，所以铁环中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的圆周上有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为，4）磁场强度，单位为A/m。它与磁感应强度的关系在一般的情况下可表示为。需要注意的是，磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。而磁通密度则分别为下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的55能量转换需要磁场----磁场由电流产生磁场强弱与产生该磁场的电流是什么关系?由全电流定律来描述H-i之间关系0.5.2全电流定律（安培环路定律）能量转换需要磁场0.5.2全电流定律（安培环路定律）56安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。注：若与符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为的方向，四指为

方向。1）全电流定律一般形式安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度57螺管线圈线圈:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用表示，单位A。2)电机分析中常用的简化形式的全电流定律下图为均匀密绕螺管线圈，有螺管线圈线圈:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用58

对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路，所以也可得下式。单线圈铁心磁路

对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路59

带气隙的铁心磁路

若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。当气隙长度远远小于两侧的铁心截面的边长时，认为铁心和气隙中为均匀磁场，则

式中，

和分别为铁心和气隙上的磁压降，可见，作用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。讨论1磁路包含气隙时的全电流定律带气隙的铁心磁路若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。60对于下图所示铁心上绕有匝数分别为与两个绕组，分别通入电流与

的情况，作用于磁路上的总磁动势则为两个线圈安匝数的代数和，于是多线圈铁心磁路讨论2磁路包含两个线圈时的全电流定律对于下图所示铁心上绕有匝数分别为与两个绕组，多线圈铁61描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。

由于

B=μH

1）均匀磁路的欧姆定律0.5.3磁路的欧姆定律与电感得描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，由于B=62:磁路的磁阻，A/Wb

:磁路的磁导，Wb/A思考：从磁路欧姆定律出发，磁路中磁通的大小受哪些因数的影响？

:磁路的磁阻，A/Wb:磁路的磁导，Wb/A思考：从63其中:铁心部分对应的磁阻:气隙部分对应的磁阻

2）分段均匀磁路的欧姆定律:铁心中消耗的磁动势:气隙中消耗的磁动势其中2）分段均匀磁路的欧姆定律:铁心中消耗的磁动势:气隙64思考：假设铁心长度

与气隙长度比为1000/1；铁心磁导率与气隙磁导率比为6000/1,那么线圈电流产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什么比值关系？思考：65两边同乘以线圈的匝数，则等式左边得到的是线圈的磁链：3)线圈的电感由于：所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系可见，电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的磁导成正比。对于：两边同乘以线圈的匝数，则等式左边得到的是线圈3)线圈的电66

随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率减小，相应的磁导、电抗也要减小。

电抗随着频率、匝数、磁阻的变化而变化。

4)交流线圈的电抗随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率减小，相应的670.5.4电磁感应定律1)电磁感应定律线圈感应电动势与磁通的正方向之间符合右手螺旋关系。电磁感应定律可表示为：电感为常数，对于只有一个线圈的情况，得到我们所熟悉的公式

感应电势的正方向0.5.4电磁感应定律1)电磁感应定律线圈感应电动势与682)关于公式

如上图所示，利用右手定则，可得到注意点：a.该式要求导体及其运动方向均与磁密方向垂直，而且在导体长度上各点处的磁密相等。b.该公式经常用于旋转电机绕组感应电动势的求解，但在运用时，也要注意（a）中的适用条件。

2)关于公式如上图所示，利用右手定则，可注意点：690.5.5电机分析中常用其它物理定律1)磁通连续性定理磁通连续性原理示意图0.5.5电机分析中常用其它物理定律1)磁通连续性定理磁通702)电磁力定律载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中电流为

，导体长度为

，导体所在处的磁通密度为

，则电磁力为：当电流

的方向与磁密

的方向垂直时电磁力大小可写为：注：电磁力方向由左手定则决定2)电磁力定律载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中71§0.6铁磁材料及其特性铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金（其它材料称之为非铁磁材料）。将这些材料放入磁场后，材料内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此想象称为铁磁材料的磁化。未磁化磁化后φ§0.6铁磁材料及其特性铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合720.6.1.铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）上图为同步电机转子线圈电流）产生的磁场很弱（磁力线稀少）且分布在无限广阔的空间。

一旦转子插入定子，定转子磁路中的磁场大大增强，且磁通基本被约束在定子外圆以内的范围。思考：为什么？

0.6.1.铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）73因为铁磁材料的磁导率要远远高于非铁磁材料的磁导率（非铁磁材料的磁导率一般都可近似认为等于真空的磁导率，）。通常。那么，一定的线圈电流在铁心磁路中激发的磁通比空气磁路中磁通大得多。因为铁磁材料的磁导率要远远高于非铁磁材料74结论：铁心具有增磁功能。结论：铁心具有增磁功能。750.6.2铁磁材料具有磁饱和特性铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，会随铁磁材料内磁密的变化而变化，当磁密达到点后，铁磁材料内磁密呈现饱和想象，也就是说，此时磁场强度继续增加，铁磁材料的磁导率会迅速变小，磁密增加会越来越慢。0.6.2铁磁材料具有磁饱和特性铁磁材料的磁化曲线不76举例：饱和对铁磁材料磁化的影响举例：饱和对铁磁材料磁化的影响77DW450-50的实际磁化曲线H（A/m）B(T)代号说明：D-电工钢片，W-冷轧无取向，即各个方向磁导率相等，450-50—在50Hz下铁心损耗4.5