船舶电机与拖动 第2版 课件 1 电与磁

第一章

磁场与电磁感应§1.磁场基本物理量§2.磁性材料及铁损§3.磁路§4.

电磁感应§5.

电磁铁第一节

磁场基本物理量

主要内容有

1.磁场：主要掌握磁场的概念和特点

2.磁场基本物理量：磁场场度3.磁导率：概念和特点1.永久磁铁

是人为设想的用来表示磁场强弱、没有头和尾、带方向的闭合曲线。磁力线从N极出来，从S极进去。两条磁力线永远不交叉。

磁力线方向表示磁场方向，磁力线上某点切线方向就代表该点的磁场方向。

右图为条形磁体磁力线磁的特点①.磁体由小磁畴有规则地排列组成；②.磁体有N极和S极两个不同极性磁极，N极指北，S极指南；③.同名磁极相斥，异名磁极相吸；④.磁体最显著特征是吸铁；⑤.磁力线是一种假想的线，磁力线疏密表示磁力的强弱；⑥.磁力线从N极出来，经外部空间后从S极再进入磁极内部。在磁体内部，磁力线则从S极指向N极。2、电流的磁效应

所谓电流的磁效应是指，通电导体中流过电流，在导体的周围产生磁场的现象。

根据导体形状不同，电流的磁效应可分为：①.通电直导体周围产生磁场；②.通电螺旋状线圈产生磁场。电流的磁效应

通电直导体产生磁场：

可用“右手定则”进行判断：将右手的拇指伸出并使拇指指尖对准电流流动的方向，其它四个指头自然屈握，四个指头的方向就是电流产生的磁场方向（即磁力线的方向）。右手定则电流的磁效应

通电螺旋状线圈产生磁场：

用“右手螺旋定则”进行判断：将右手拇指伸出，其它四个手指头自然屈握，四个指头的方向与电流流动的绕行方向一致，则拇指指尖所指的方向就是通电螺旋状线圈通入电流后产生的磁场方向。右手螺旋定则二、磁场基本物理量

用磁力线描述磁场强弱的优点是比较直观，但磁力线用来定量描述磁场大小就显得不方便。为此，就引入磁场物理量对磁场的磁特性进行定量的描述。磁场的主要物理量有：磁感应强度、磁通和磁场强度等，这几个物理量在物理学中已经讲过。索引1、磁感应强度与磁通磁感应强度是描述磁场内某点磁场强弱及方向的物理量，是一个矢量，用字母B表示．它与产生磁场电流的方向关系可用右手螺旋定则来确定。在磁场内磁感应强度的大小和方向处处相同，则称之均匀磁场：磁通Ф就是磁的通量，是垂直于磁力线面积的磁感应强度总和，

Φ=∫Bds对于均匀磁场而言，磁通代表穿过某一截面S的磁感应强度B的通量（即磁力线数），若截面S与磁感应强度B互相垂直，则Φ=B×S或磁感应强度B与Φ的关系为：Φ=B×S或：

其中，S是磁路横截面积，单位是平方米(m2)。用磁通的概念再看磁感应强度可发现，磁感应强度实际就是单位面积通过的磁通量。从场的角度看，磁通就是磁感应强度在某个面积上的积分（求总和）。2、磁场强度索引

磁场强度H是反映磁场本身所具有的磁力或磁能大小的物理量，它与磁场介质无关（也就是说，与磁力存在的物质导磁能力大小无关）。也是矢量，根据安培环路定律：式中磁场强度H的单位是安培/米（A/M）；电流I的单位是安培（A）；均匀的磁路的平均长度L的单位是米（M）。

3、磁导率μ铁磁材料的磁导率通常很高，而非铁磁材料的磁导率则与真空的磁导率差不多，真空的磁导率μ0=4π×10-7≈1/800000（H/m）。材料的磁导率与真空的磁导率之比称为相对磁导率，用μr表示。铁磁材料的相对磁导率μr＞＞1，非铁磁材料的的相对磁导率μr≈1。单位第一节

磁场基本物理量

主要内容有

1.磁场：主要掌握磁场的概念和特点

2.磁场基本物理量：磁场场度3.磁导率：概念和特点第二节

铁磁材料及铁损

在电气工程上，材料按其磁导率不同可划分为两类：铁磁材料和非铁磁材料，铁磁材料具有高磁导率，如铁、钴、镍及其合金等；非铁磁材料：是指磁导率近似等于真空的磁导率μ0的材料，如铜、银、绝缘物等。材料不同，其导磁能力也不相同，在相同的电流下，通电铁心线圈产生的磁通比空心的线圈产生的磁通大得多。可见，在相同的磁场强度作用下，不同的磁路的材料其磁感应强度是不一样的，为了增加磁感应强度，在船用电机、变压器、接触器等绕组上都采用铜导体绕在高导磁铁芯材料上。

磁化曲线：在铁心线圈通入励磁电流，将在磁路产生磁场强度H，并产生磁通密度B，增大励磁电流H增大，B也同时增大。B随H增大的曲线就叫磁化曲线。1。铁磁材料的性能索引

铁心磁化开始时，根据铁心有无剩磁，B随H增大的情况有两种：铁磁材料的性能

在磁路中，能够使磁通大量通过的导磁能力高的材料称为铁磁材料。铁磁材料主要是由铁、镍、钴及其合金等构成。

性能：铁磁材料主要性能（特性）有：

①.高导磁率；

②.磁饱和；

③.剩磁和磁滞。索引

磁化曲线：若铁心存在剩磁，磁化曲线开始部分有一很小的死区，然后B随H变化曲线几乎为直线（ab段）；进入bc段，变化再次变缓；达到cd段，随

铁磁材料的性能H的增大，B的变化很小。

ab段为不饱和区，磁导率μ最大；bc段为半饱和区，μ变小；cd段称为饱和区，μ变得很小。

磁化曲线：若忽略剩磁和死区，开始段的磁化曲线几乎为直线是不饱和区；进入bc段，变化再次变缓，进入半饱和区；达到cd段，随着H的增大，B变化很小，为饱和区。

铁磁材料的性能

磁导率μ在不饱和区最大，然后逐渐减小。也就是说，随着磁场强度H的增大，磁导率μ不断减小。

磁饱和：

与导电材料的最大不同是，铁磁材料存在饱和现象，这是因为磁导率不够高。

铁磁材料的性能

电导体的导电能力相对比铁磁材料磁导率高很多。因此导体不会出现饱和现象而铁磁材料则会出现饱和现象，即H增大，B增大不明显或基本不增大。

分类：根据磁滞回线的不同，铁磁材料可分为三种：软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。

二、常见的铁磁材料及分类索引

软磁材料硬磁材料矩磁材料

铁磁材料：常见的铁磁材料主要有铁、镍、钴及其合金。

1、软磁材料一般作为电机、电器铁心（减少损耗）；

2、硬磁材料则用做永久磁铁，可保证持久的剩磁；

3、矩磁材料用来制作早期的计算机存储器，现在基本不用于存储器制造。

常见的铁磁材料及分类索引

磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：

当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。注意：高温与振动可使剩磁消失。磁滞回线OHB••••BrHc但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。矫顽磁力Hc：

使B=0所需的H值。

磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。

定义：

铁心损耗是指在交变磁通作用下工作的铁心，其本身产生的损耗。铁心损耗主要包含两个部分：涡流损耗和磁滞损耗。铁心只有在交变磁通作用下才会产生损耗，直流电磁铁稳定工作时不产生损耗。铁心损耗最终以热量的形式在铁心中贮留。

三、铁心损耗索引

铁磁材料在交变磁通的作用下也会产生感应现象，也会感应电势和感生电流。铁心感生电流称为涡流，是一圈圈的同心圆形状的电流。1、涡流损耗

铁心有电阻，在涡流作用下将消耗能量，消耗的这些能量就是涡流损耗。铁心感应电势一定时，铁心电阻越大，涡流损耗越小。∵p=i2R，R大则i小，涡流损耗就小。

增加铁磁材料的电阻可以有效减小涡流，从而有效地减小涡流损耗。实际通常采用硅钢片叠压制作铁心。2、铁损的解决措施

硅钢片的两面都涂有绝缘，铁心感生的涡流不能直接在两片硅钢片之间流通，只能在片内流通。这样涡流回路电阻增大，可以达到减小涡流损耗的目的。

电机、电器的铁芯之所以用软磁材料，就是因为其磁滞回线狭窄，剩磁和矫顽力小，磁滞损耗减小。第三节磁路

磁路的概念：

定义：磁路是磁通集中通过的、由具有良好导磁能力的材料构成的闭合路径。

两层含义：第一层含义是磁的通路，第二层含义是用“路”的方法对磁进行分析。从路的角度看，磁路是均匀的，或者至少是分段均匀的。因此，磁路的物理量与磁场物理量有所区别，磁路的分析方法也简单很多。

磁路概念

（1）磁路的概念：从路的角度看，在磁路中的磁场物理量就变成相对简单的物理量。这些物理量是平均量，各点的物理量方向相同，大小一样。虽然这些物理量主要还是B、H和Φ，它们的单位仍然与从磁场角度分析时的单位相同，但这些物理量的定义式却发生一定的变化。尤其是磁感应强度B和磁场强度H这两个物理量。

磁路概念

励磁电流建立磁路的磁场强度H，磁场强度要在磁路中产生磁通Φ。然而，不同材料和不同尺寸构成的磁路对磁通具有不同的阻碍作用。反映磁路对磁通阻碍作用的参数定义为磁阻Rm：Rm=l/(μS)其中，l是磁路的长度，单位为m；μ为磁路材料的磁导率，单位是H/m；S是磁路的横截面，单位是m2。索引根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为l，则有Sx

HxIN匝式中：F=NI

为磁通势，由其产生磁通；

Rm

称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；

l为磁路的平均长度；

S

为磁路的截面积。（2）

磁路的欧姆定律

若某磁路的磁通为，磁通势为F

，磁阻为Rm，则即有：此即磁路的欧姆定律。（3）

磁路与电路的比较

磁路磁通势F磁通

磁阻电路电动势E电流密度J

电阻磁感应强度B电流I

NI+_EIR第四节电磁感应

本节主要内容有

1、电磁感应

2、电流在磁场中的力效应

3、自感

一、电磁感应现象1、磁铁和线圈的实验

索引2、线圈和线圈的实验

为了增加磁感应强度，把两个线圈C1和C2分别套在铁心中，其中一个线圈C2与电流计连接，另一个经开关S与电池E连接，并将两个线圈如图1-15对准放置。索引二、电磁感应定律电磁感应定律是由法拉第和楞次共同发现的。因此，电磁感应定律包含着法拉第电磁感应定律和楞次定律。法拉第电磁感应定律说明的主要是感应电势大小与磁通变化率大小的关系。楞次定律说明的主要是感应电势方向与磁通变化方向的关系。

电磁感应

（1）法拉第电磁感应定律：电磁感应定律指出：与线圈交链（穿过线圈）的磁通发生变化时，线圈将感应电动势。感应电势的大小正比于线圈的匝数和线圈磁通变化率。即：其中，N为线圈的匝数；Φ为与线圈交链的磁通；t为时间。dΦ/dt表示磁通变化率。（2)楞次定律楞次定律指出：与线圈交链的磁通发生变化时，线圈感应电势力图使线圈交链磁通不变。意思是若感应电势的线圈构成闭合回路，则线圈因感应电势引起的电流（称为感生电流）所产生的磁通将阻止线圈交链磁通变化。线圈交链磁通增加，感生电流产生磁通方向与交链磁通方向相反，反之亦然。即“增反减同”(增加时相反，减少时相同)。

电磁感应

楞次定律：楞次定律确定方向可用“右手定则”进行判别。磁通增加阻碍增加

电磁感应

线圈的电磁感应定律：结合法拉第电磁感应定律和楞次定律，线圈的电磁感应定律可表示为：式中，N为线圈的匝数；dΦ/dt为与线圈交链的磁通对时间的变化率；e为感应电势；负号“-”表示感应电势方向总是阻碍磁通Φ变化的。5、电感与匝数、形状和材料的关系

导体的电磁感应定律：电磁感应定律还有另一种表示形式，就是导体切割磁力线感应电势的形式（电路包围的磁通量也发生变化）：

切割磁场时，导体、连接线及测量仪表等构成的闭合电路所包围的磁通量也发生变化。如右图，导体向右切割，包围的磁通增加。(1)自感

磁链的概念：

线圈与磁通交链称为磁通链，简称为磁链，等于穿过线圈磁通与线圈匝数的乘积，用字母ψ表示，即：

ψ=N×Φ式中，N为线圈的匝数，Φ为与线圈交链的磁通。磁链的单位与磁通一样，也是Wb。磁链这个概念，在分析线圈工作时的电磁关系时要用到。索引(2)自感系数

线圈储存磁场能量的能力可采用一个参数进行表示，这个参数就是电感量，简称为电感。自感系数就是：线圈中通过单位电流所产生的自感磁链，其值为线圈的总磁链与线圈通过的电流之比，用字母L表示，单位