汽车电机及驱动技术 课件 第3章 磁性材料与磁路

磁性材料与磁路第3章3.1磁性材料基本概念3.1.1电磁基本概念1.磁感应强度、磁场强度和磁导率磁感应强度定义为通以单位电流的单位长度导体在磁场中所受的力，是一个矢量，用B表示，单位为特斯拉(T)，也称为磁通密度，或简称磁密。磁场强度也是一个矢量，用H表示，单位为A/m，与磁感应强度之间满足

B＝

H

2．磁通与磁通连续性定理磁通是通过磁场中某一面积A的磁力线数，用

表示，定义为

3．磁动势和安培环路定律磁场强度沿一路径l的线积分定义为该路径上的磁压降，也称为磁压，用符号F表示，单位为A。安培环路定律：磁场强度沿任一闭合路径的线积分等于该路径所包围的电流的代数和，即电流的正方向与积分路径的方向之间符合右手螺旋关系。由于磁场为电流所激发，上式中闭合路径所包围的电流数称为磁动势，用F表示，单位为A。4．磁链与电磁感应定律处于磁场中的一个N匝线圈，若其各匝通过的磁通

都相同，则经过该线圈的磁链

为当线圈中的磁链发生变化时，线圈中将产生电动势，称为感应电动势。5．电磁力与电磁转矩若将一导体置于磁场中，导体中通以电流i，则其将受到电磁力作用，电磁力的大小可表示为电磁力的方向可用左手定则确定。将左手伸开，使磁力线指向手心，拇指在手掌平面中与其他四指成90

角，其他四指指向电流的方向，则拇指所指方向就是电磁力的方向。在旋转电机中，假设载流导体位于转子上，则其所受的电磁力乘以导体与旋转轴中心线之间的距离r(通常为转子半径)，就是电磁转矩，即3.1.2磁路及其基本定理1．磁路

所谓磁路，就是磁通流过的路径。磁路的基本组成部分是磁动势源和磁通流过的物体，磁动势源为永磁体或通电线圈。由于铁磁材料的导磁性能远优于空气，绝大部分磁通在铁磁材料内部流通。将磁通和磁动势的关系与电路中电流和电压的关系类比，定义为该段磁路的磁阻若磁路中有n个磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn串联，则等效磁阻为若磁路中有n个磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn并联，则等效磁阻为磁阻的倒数称为磁导，用

表示

虽然电路和磁路虽然形式上类似，但在物理本质上有本质的区别：1）电路中的电流是运动电荷产生的，是实际存在的，是有始有终的，而磁路中的磁通仅仅是描述磁现象的一种手段，闭合磁路是没头没尾的；2）电路中通过电流要产生损耗，但当铁心中的磁通不变时不产生损耗；3）在温度一定的前提下，导体的电阻率是恒定的，而导磁材料的磁导率随其中磁场的变化而变化；4）导体和非导体的导电率之比可达1016，电流沿导体流动；而常用铁磁材料的相对磁导率通常为103~105，磁场不只在铁磁材料中存在，在非铁磁材料中也存在。2．磁路的基本定理（1）磁路的基尔霍夫（克希霍夫）第一定律

对于图中的节点a，在其周围取一闭合面，根据磁通连续性定理，流入该闭合面的磁通的代数和恒等于零，即（2）磁路的基尔霍夫第二定律

一带开口铁心的电抗器，磁路中含有通电线圈、铁心和气隙。线圈匝数为N，流过的电流为i，取一条通过电抗器铁心和气隙中心线的闭合路径，根据安培环路定律任何闭合磁路上的总磁动势等于组成该磁路的各磁阻上的磁压降之和，称为磁路的基尔霍夫第二定律，是安培环路定律在等效磁路中的具体体现。【例1-1】

有一铁心，其尺寸见图3-7，铁心的厚度为0.1m，相对磁导率为2000，上面绕有1000匝的线圈，当线圈内通以0.8A的电流时，能产生多大磁通？解：用磁路的欧姆定律求解。取通过铁心中心线的路径为平均磁路。铁心的上、下、左三边宽度相同，可取为磁路1，右边取为磁路2。磁路1的平均长度为l1=1.3m，截面积为A1=0.15

0.1=0.015m2

，则磁路1的磁阻为磁路2的平均长度为l2=0.45m，截面积为A2=0.1

0.1=0.01m2，则磁路2的磁阻为磁路的总磁阻为线圈的磁动势为则产生的磁通为3.2常用铁磁材料3.2.1磁化及磁滞1.磁化铁磁材料包括铁、镍、钴及它们的合金、某些稀土元素的合金和化合物、铬和锰的一些合金等。从微观角度看，在铁磁材料内部存在着很多很小的具有确定磁极性的自发磁化区域，并且有很强的磁化强度，就相当于一个个超微型小磁铁，称之为磁畴。铁磁材料的磁化过程可以用磁化特性来描述。铁磁材料的在外磁场H作用下，磁感应强度B将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H)。相应地，还可以描绘磁导率与磁场强度的关系曲线，记为μ=f(H)，做磁导率曲线。2.磁滞电机中的铁磁材料会进行周期性的交变磁化。在外磁场撤除后，磁畴的排列将不可能完全恢复到原始状态，即初始随机排列不复存在，对外也就会显示出磁性。铁磁材料中这种B的变化滞后于H的变化的现象被称为磁滞。3.铁心损耗铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。这种损耗称为磁滞损耗。（1）磁滞损耗

磁滞损耗是磁畴之间相互摩擦而产生的损耗。在磁场变化的一个周期内，单位体积铁心消耗的能量等于磁滞回线的面积，如图中灰色部分所示，即磁滞回线的面积通常可用经验公式表示体积为V的铁心所消耗的功率为（2）涡流损耗

根据电磁感应定律，铁心内的磁场交变时，在铁心内产生感应电动势，由于铁心为导电体，感应电动势在铁心中产生电流。这些电流在铁心内围绕磁通作旋涡状流动，称为涡流。涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。体积为V的铁心内产生的涡流损耗为（3）铁耗

铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗之和，称为铁耗。3.2.2常用软磁材料

（1）纯铁和低碳钢

含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁等。（2）铁硅合金

含硅量为0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。（3）软磁铁氧体

软磁铁氧体为非金属亚铁磁性软磁材料，其电阻率非常高(10-2～1010Ω·m)，但饱和磁化强度低，价格低廉，广泛用于高频电感和高频变压器。（4）非晶态软磁合金

又称非晶合金。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐腐蚀和强度高等特点。【例1-2】对于例1-1中的铁心，若其磁化曲线如图，若铁心内产生1.53

10-2Wb的磁通，所需电流多大？解：对于磁路1，流过

=1.53

10-2Wb的磁通时，磁密为

对于磁路2，流过Wb的磁通时，磁密为

该磁路上的磁压为磁路所需磁动势为所需励磁电流为3.2.3永磁材料1．永磁材料的稳定性（1）退磁曲线

磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小，包括磁稳定性、热稳定性、化学稳定性和时间稳定性。（2）热稳定性

随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度

，又称居里点，符号为K或℃。（3）化学稳定性

受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。

（4）时间稳定性

永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境或其他外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或称自然时效。2．常用永磁材料（1）铝镍钴(A1NiCo)永磁材料铝镍钴永磁材料有粉末烧结和铸造两种。铸造型的磁性能较高，更为常用。粉末烧结型的工艺简单，可直接压制成所需形状。

（2）铁氧体永磁材料（非金属永磁材料）主要是钡铁氧体（BaO-6Fe2O3)和锶铁氧体（SrO-6Fe2O3），两者磁性能相差不多，而锶铁氧体的

值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。（3）钕铁硼永磁材料

钕铁硼永磁材料的

高达1.47T，

可达992kA/m，

高达397.9kJ/m3，是目前磁性能最高的永磁材料。（4）粘结永磁材料

粘结永磁材料是用树脂、塑料或低熔点合金等材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。3.2.4电机磁性材料的测试1.硅钢测试磁学性能：测试铁损值、磁感应强度。力学性能：抗拉强度、伸长率。组织结构测试：利用X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射技术（EBSD）测试硅钢取向，利用扫描电镜测试、透射电镜测试和力学性能测试对硅钢固溶强化研究提供实验支持。化学成分测试：采用辉光放电质谱法（GDMS）和碳硫试验仪测试硅钢中C、N等杂质的含量。2.永磁材料测试磁性能：测试永磁体的退磁曲线和回复线。力学性能：永磁体的拉伸性能、断裂韧性、高周疲劳性能测试。环境实验：永磁体的耐腐蚀试验。化学成分测试：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）法测定永磁体中元素的含量，采用GDMS法测试永磁体中的杂质含量。组织结构测试：采用XRD和EBSD测试磁体晶体取向。3.电刷和换向器材料测试电性能：测试导电率，接触电压降，电流密度。力学性能：测试硬度，摩擦系数和耐磨性（50小时磨损）。4.

电机壳体材料测试力学性能：断裂韧性测试、焊接强度测试。环境实验：耐高温试验，耐腐蚀试验。热学性能：导热系数测试。无损检测：铸造壳体和焊缝的宏观组织缺陷检测。5.漆包线测试漆包线检测方法标准主要有GB/T4909、GB/T4074、GB/T5584、GB/T3953、GB/T3952、GB/T6108。检测漆包线的产品标准为GB/T6109和GB/T7095。机械性能测试：伸长率测试、回弹角实验、拉伸力测试、弯曲力测试、耐刮性实验。耐热性能测试：热老化试验、热冲击试验、耐热软化击穿试验。电气试验：直流电阻、击穿电压、漆膜连续性、针孔试验。耐化学试验：测试耐酸、耐碱、耐盐雾、耐潮湿、耐油、耐溶剂、耐冷媒、耐辐射性能。3.3机电能量转换3.3.1机电能量转换基本原理电磁式机电能量转换装置的工作基于三大定律：•电磁感应定律•电磁力定律•能量守恒定律电机内部在进行能量形态的转换过程中，存在着电能、机械能、磁场储能和热能四种能量形态。根据能量守恒原理，在实际电机中，即不忽略损耗时，这四种能量之间存在着下列平衡关系±机械能Wmec=磁场储能增量△Wm+热能损耗PT±电能We3.3.2电感及储能1.电感

在当线圈所在磁路由磁导率恒定的材料制成或磁路的主要组成部分为空气，即磁路不饱和时，电感定义为线圈中流过单位电流所产生的磁链。（1）自感和互感

绕有两个线圈的磁路，线圈内电流的方向使二者产生的磁通方向相同，则磁路上的总磁动势为

（2）漏电感

线圈1中的电流实际上产生的磁通

1分成两部分，一部分是在铁心内同时交链线圈1和线圈2的磁通

，称为主磁通；一部分是只交链线圈1的磁通

，称为线圈1的漏磁通。

2．磁场储能磁场是一种特殊形式的物质，能够储存能量，这部分能量是在磁场建立过程中由外部电源输入的能量转化而来的，称为磁场储能或磁场能量。