新汽车电机基础控制 4

电磁基础第2章2.1

描述电磁场的基本物理量1.基本磁现象、磁感应强度、磁感线磁感应强度是表示某点磁场强弱的物理量，是表征磁场特性的基本场量。其大小与通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目成正比，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。磁感线是一些假想的有向曲线，用来表示磁场的分布。2．磁通磁通是表示磁场中某一面积S的磁场的强弱的物理量，用

表示，单位为韦伯（weber），简称韦，符号为Wb

均匀磁场中，磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积

B＝

H

磁导率：磁导率是表示物质导磁性能的参数，用符号μ表示，单位是亨每米（H/m）。真空中的磁导率（permeabilityoffreespace）一般用μ0表示，μ0=4π×10-7H/m。3.磁导率和磁场强度为相对磁导率磁场强度：磁场强度是反应磁场源强弱的矢量，表示电流所产生磁场的大小，用H表示，单位为A/m2.2磁路及其基本定理1．磁路

所谓磁路，就是磁通所通过的路径。主磁通：绝大部分磁通在铁心内通过，这部分磁通为主磁通；主磁路：主磁通所通过的路径；漏磁通：围绕载流线圈和部分铁心周围空间存在的少量分散的磁通。漏磁路：漏磁通所通过的路径；图2-2变压器的磁路2．安培环路定律和磁动势安培环路定律：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。磁场强度沿一路径L的线积分定义为该路径上的磁压降。

3磁路欧姆定律磁路欧姆定律：作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通乘以磁阻。F=Ni为磁路的磁动势，单位为A，磁动势的方向与线圈电流方向之间符合右手螺旋关系；磁通量Φ的单位为Wb；Rm称为磁阻。a)无分支铁心磁路图1-3无分支铁心磁路b)等效磁路图例2-1：有一闭合铁芯磁路，铁芯的截面积A=9×10−4m2，磁路的平均长度l=0.3m，铁芯的磁导率μFe=5000μ0，套装在铁芯上的励磁绕组匝数为N=500，不计漏磁。试求：（1）在铁芯中产生1T的磁通密度时，需施加的励磁磁动势和励磁电流（2）磁路的磁阻。解：磁路的求解一般是由果及因，及预期目标磁通特性，求激励电流。本题用磁路安培环路定律来求解。4基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律：进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量(或者说，穿出和进入任一闭合面的总磁通量恒等于零)。对于闭合面A，令穿出闭合面的磁通为正，进入闭合面的磁通为负，则：图1-4磁路的基尔霍夫第一定律5基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压降的代数和。如图1-5磁路由铁磁材料及空气隙两部分组成，而铁磁材料的截面积又分为A1，A2，故整个磁路应分为三段。根据安培环路定律及磁路欧姆定律，则：图1-5磁路的基尔霍夫第二定律电路和磁路的基本物理量电路和磁路的区别：1）电路中没有电动势时，电流等于零；磁路内没有磁动势时，由于磁滞现象，总是或多或少地存在剩磁；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）磁场不只在铁磁材料中存在，在非铁磁材料中也存在.例2-2：若在例2-1的磁路中，开一个长度为δ=5×10−4m的气隙，如图2-7所示，问铁芯中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少？已知铁芯截面积AFe=3×3×10−4m2，铁芯的磁导率μFe=5000μ0，铁芯的长度lFe=0.3m，考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向各增加一个δ值。解：用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。

铁芯内的磁场强度例2-3：

铁芯所用材料为DR530硅钢片，铁芯柱和铁轭的面积均为A=2×2×10−4m2，铁芯磁路直线段的平均长度l=5×10−2m，气隙长度δ1=δ2=2.5×10−3m，励磁线圈匝数N1=N2=1000，不计漏磁，试求在气隙内产生Bδ=1.211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。解：根据磁路基尔霍夫第一定律，得ϕδ=ϕ1+ϕ2=2ϕ1根据磁路基尔霍夫第二定律，得

2.3常用的铁磁材料及其特性1铁磁材料的磁化磁化：将铁、镍、钴等铁磁物质放入磁场后，铁磁物质呈现很强的磁性，这种现象，称为铁磁物质的磁化。磁畴：在铁磁物质内部存在着许多很小的天然磁化区。图2-12磁畴示意图▲μFe=(2000～6000)μ0(铁磁材料磁导率很大)2磁化曲线和磁滞回线初始磁化曲线：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B也将随之增大，曲线B=f(H)就称为初始磁化曲线，如图所示。膝点▲设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。图1-7铁磁材料的初始磁化曲线2磁化曲线和磁滞回线磁滞回线：若将铁磁材料进行周期性磁化，B和H之间的变化关系。剩磁：H=0时，B值等于Br,称为剩磁.矫顽力：要使B值减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力，用Hc表示。图1-8铁磁材料的磁滞回线2磁化曲线和磁滞回线基本磁化曲线：对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度Hm进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线。将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。计算直流磁路时所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。图1-9基本磁化曲线3铁磁材料按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料可以分为软磁材料与硬磁材料两大类。软磁材料：磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等；软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。硬磁材料：磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。图1-11软磁和硬磁材料的磁化曲线

（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。

1.常用软磁材料

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。（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），锶铁氧体更适于在电机中使用。永磁铁氧体的最大剩磁可以做到0.46T。（3）钕铁硼永磁材料

剩磁高达1.47T，

矫顽力可达992kA/m，磁能积

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。4铁心损耗铁心损耗：包括磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦而消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗；试验证明：磁滞损耗与磁通的交变频率成正比，而与磁通密度幅值的ɑ次方成正比，即对常用的硅钢片，当Bm=1.0～1.6T时，ɑ=2。涡流损耗：涡流在铁心中引起的损耗。为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。铁心损耗：磁滞损耗+涡流损耗图1-12硅钢片中的涡流

1.右手螺旋定则通电直导线通电线圈2.4基本电磁定律是描述电流与其激发的磁场方向之间关系的定则。-28-

法拉第电磁感应定律奠定了电机学的理论基础。

1831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律——电磁感应定律，揭示了磁通与电压之间存在如下关系：

1）如果在闭合回路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势；

2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即

2.电磁感应定律负号表示感应电动势的方向与磁通量变化相反-29-

磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第电磁感应定律，同样会在导体中产生感应电动势，其大小为

单根导体在磁场中的感应电动势右手定则-30-

如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力，又称安培力。载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与