电机与电机拖动 第一章

第一章 磁路

磁场和磁路

电机中铁磁材料的特性

电机理论中常用的基本电磁定律

直流磁路的计算

小结电机是以磁场为媒介，利用电磁感应原理实现机械能与电能之间能量的相互转换的电磁设备。电机中的路电路磁路——电流之路。——是主磁通之路。用以引导主磁通，在其限定的范围内形成较强的工作磁场。用以引导电流而产生感应电势。.§1

磁场与磁路基本概念

电流的磁场一

磁场的基本物理量直导线电流的磁场线圈电流的磁场右手螺旋定则大拇指方向表示导线电流方向四指回转方向表示磁感线方向四指回转方向表示线圈电流方向大拇指方向表示线圈内部磁感线方向ii1、磁感应强度磁感应强度是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个向量。磁力线的方向与电流的方向符合右手螺旋法则。单位：特斯拉（T）即：描述磁场的基本物理量：通常用磁力线形象地描述空间磁场的强弱和方向。2、磁通Φ穿过某一截面S的磁感应强度B的通量称为磁通。即在均匀磁场中，若写成则磁感应强度B在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通。故B又称为磁通密度，简称磁密。单位：韦伯（Wb）3、磁场强度磁场强度是在作磁场计算时所引用的一个物理量。它也是一个向量。单位：安/米（A/m）H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②

B与电流的大小和介质的性质均有关。4、磁导率μ磁导率μ是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量。磁感应强度和磁场强度的关系可用下式表示由实验测出：真空中的磁导率μ0为注意：μ0是个常数。相对磁导率μr——任何一种物质的磁导率和真空的磁导率的比值。按磁导率的大小，将物质材料分为：

非磁性材料：

磁性材料：即μ不是常数，B与H呈现非线性。.如铜、铝、绝缘材料和木材等。如铁、钴、镍及其合金等。主要由磁性物质组成，能使磁力线集中通过的路径，称为磁路。在铁心上绕制一个线圈，并给这个线圈通上电流，则产生一个磁场，这种电流称为励磁电流。若励磁电流为直流，则这种磁路称为直流磁路。若励磁电流为交流，则这种磁路称为交流磁路。经过磁路闭合的磁通称为主磁通。(教材图1-2)部分经过磁路，部分不经过磁路，或全部不经过磁路的磁通，称为漏磁通。二磁路的概念磁场是由电流产生的。.§2 电机中铁磁材料的特性一、高导磁性铁磁材料内部存在着很多很小的强烈磁化了的自发磁化单元，称为

磁畴，它有一种特殊的引力。无外磁场时，磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外不显磁性。在外磁场的作用下，磁畴就顺外磁场方向转动，从而显出磁性。随着外磁场的增强，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上。.二、磁化曲线将铁磁材料在外界磁场作用下做磁化试验：改变励磁磁动势的大小，测出磁通密度B与磁场强度H，得到B与H的关系曲线B=f(H)，称之为铁磁材料的磁化曲线。BHO.b膝点对于铁磁材料，当H较大时B之增加变缓甚至几乎不增加的现象，称为磁饱和现象。对于非铁磁材料，磁导率为常数，故磁化曲线是一条直线。铁磁材料的磁化曲线是非线性的。三、磁滞现象和磁滞损耗铁磁材料具有如下特点：它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μ不是常数，且随B的变化而变化。铁磁材料被反复磁化时，

B-H曲线不是单值的，是一条磁滞回线，如图所示。把不同Hm值的各磁滞回线的顶点连接起来所得的曲线，称为平均磁化曲线。当H减到零时，而B未减到零的现象，即B的变化滞后于磁场强度H变化的现象之称为磁滞现象。要使剩磁消失，必须反向磁化，即反向施加一个磁场强度，其值称为矫顽磁场强度Hc，简称矫顽力。此时B所具有的数值Br，称为剩磁感应强度，简称剩磁。不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算。

根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢等；软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返倒转，磁畴之间不停地互相摩擦而消耗能量，引起损耗。这种损耗称为磁滞损耗。它与磁通的频率及磁密的幅值关系为四、涡流损耗当铁芯中的磁通发生变化时，根据电磁感应定律，将产生一个电流。此电流在铁芯内的流动状况呈旋涡状，故称之为涡流。涡流在铁芯电阻上的损耗称为涡流损耗。涡流损耗与磁通的交变频率、铁芯中磁密的幅值、钢片的电阻及钢片厚度有关，可用下式表示：减少钢片的厚度、增加钢片的电阻可以减少涡流损耗。铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗合称为铁芯损耗，简称铁耗。当硅钢片的厚度和材料一定时，铁耗与磁通频率及磁密幅值的关系为：式中，β=1.2～1.6.§3 电机理论中常用的基本电磁定律一、全电流定律.磁场强度沿某封闭曲线的线积分等于贯穿此封闭曲线所围成面的电流代数和。又称为安培环路定律。电流的正负号要看它的方向与所选封闭曲线的方向是否符合右手螺旋法则而定。符合者取正，反之取负。全电流定律揭示电产生磁的本质，阐明电流与其磁场的大小及方向的关系。二、磁路基尔霍夫定律1.磁路基尔霍夫第一定律在磁路的任何一个结点上，各个分支磁路中磁通的代数和恒等于零。即2.磁路基尔霍夫第二定律在磁路中沿任意闭合回路磁压降的代数和等于沿该回路磁动势的代数和。即磁压降磁动势当某段磁通的正方向与回路方向一致时，该段的Hl即为正，反之为负。当励磁电流的正方向与回路的向符合右手螺旋法则时，则该线圈的IW为正，反之为负。励磁电流励磁线圈匝数此定率实际上是安培环路定律的另一种表达式。三、磁路欧姆定律F=IW磁动势磁阻

由全电流定律：，设均匀无分支磁路，得即

磁路磁阻主要取决于磁路的尺寸和所用材料的磁导率。在使用磁路欧姆定律时，一定要考虑磁路的非线性与线性，且不可乱用。

由于磁性物质的磁导率μ不是常数，则由磁性物质构成的磁路具有非线性磁阻。四、电磁感应定律设有一匝数为W的线圈处于磁场中，它所交链的磁链为ψ则不论由于什么原因，当该线圈所交链的磁链发生变化时，在线圈内就有一感应电动势产生，这种现象称为电磁感应。感应电动势的大小，和该线圈所交链的磁链变化率成正比。感应电动势的方向，是该电动势企图在线圈内产生电流所建立的磁通用来阻止线圈中磁通的变化。如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则电磁感应定律可用下式表示：上式又称为变压器电动势。五、电磁力定律当导体在恒定磁场中运动时，若导体、磁力线和运动方向三者互相垂直，则导体内的感应电动势为：其方向可用右手定则确定。上式又称为旋转电动势。载流导体在磁场中将受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用所产生的，故称为电磁力。若磁场与导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为：其方向可用左手定则确定。..§4

直流磁路的计算计算步骤：1.按照材料及截面的不同进行分段；2.作出中心线，按照所给的尺寸计算出磁路的平均长度l1、l2、……和截面积S1、S2、……；3.按已知的磁通Φ，计算各段的磁感应强度5.按照磁路基尔霍夫第二定律求出所需要的结果。4.从各材料的平均磁化曲线上找出与Bi对应的Hi，或者当μ是常数时计算出；.【例１】图示磁路是由两块铸钢铸铁铁心及它们之间的一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2=0.5cm，l1=30cm，l2=12cm，A0=A1=10cm2，

A2=8cm2

。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B0=1T，问需要多大的磁通势？A1A2l1l2l0/2II

解：(1)磁路中的磁通

=B0A0=1×0.001Wb=0.001Wb(2)各段磁路的磁感应强度

B0=1TB1==T=1T

A10.0010.001例题B2==T=1.25T

A20.0010.0008A1A2l1l2l0/2II(3)各段磁路的磁场强度由磁化曲线查得：

H1

=9.2A/cmH2

=14A/cmH0==A/mB0

014

×10－7=796000A/m=7960A/cmA1A2l1l2l0/2II(4)各段磁路的磁位差

Um0

=H0l0

=7960×1A=7960AUm1

=H1l1=9.2×30A=276AUm2

=H2l2=14×12A=168A(5)磁通势

F

=Um0＋Um1＋Um2=(7960＋276＋168)A=8404A【例２】图示磁路由硅钢制成。磁通势F1=N1I1=F2=N2I2，线圈的绕向及各量的方向如图所示。磁路左右对称，具体尺寸为：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知

3=0.002Wb，问两个线圈的磁通势各是多少？I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2

解：由磁路基尔霍夫定律可得

3－

2－

1=0

Um1＋Um3=F1Um2＋Um3=F2已知：F1=F2，l1=l2

可得：Um1=

Um2l2l3N1l1N2A1A2A3即H1l1=H2l2

H1=

H2因此B1=

B2

1=

2

由于

1=

2=

320.0022=Wb=0.001Wb所以B1==T=1.25T

1A10.0018×10－4A1A2A3l2l3N1l1N2I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2A1A3A2B3==T=1T

3A30.00220×10－4由磁化曲线查得：

H1

=6.5A/mH3

=3A/m最后求得

F1=F2

=Um1＋Um3=H1l1＋H3l3=(6.5×30＋3×10)