第01章-电磁感应原理与磁路分析.ppt

1、-1-，第一章电磁感应原理和磁路分析，1.1电磁感应原理，1.2感应材料及其特性，1.3磁路及其磁路分析，-2-，1831年法拉第发现电磁感应定律的一百多年后，不断发明了各种类型的电动机，并广泛应用于我们生产和生活的各个方面。本章介绍了电磁感应原理和磁路分析方法。第一章电磁感应原理和磁路分析，-3-，1.1电磁感应原理被称为电和磁两种自然现象，近年来，通过物理学家的深入研究，发现了有关电和磁的一些基本定律和它们之间的联系。本部分作为学习本课程的物理基础，概述了电磁感应的基本概念和规律。1.1.1磁场除了天然磁铁产生磁场外，还发现如果通过导体中的电流，其周围就会产生磁场，还发现了电产生磁场的一些

2、基本定律。第一章电磁感应原理和磁路分析，-4-，1。磁场强度和方向可以用磁场强度h表示电流流动导体产生的磁场大小，磁力线的方向和电流的方向满足右手螺旋关系。如图1-1所示，如果在一个导体上通过电流I，则在导体周围空间的一个平面上发生的磁场强度h为，(1-1)，第一章电磁感应原理和磁路分析，-5-，如果载流导体为n(图1-2)的线圈，常识为，磁通量密度一般称为磁通量密度b，在均匀磁场内，通过一个截面s的磁链的根数为单位面积磁通量密度b，(1-3)，第一章电磁感应原理和磁路分析，-7-，第一章电磁感应原理和磁路分析，1.1.2电磁感应定律1。电磁感应定律1831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重

3、要的定律电磁感应定律，揭示了磁通量和电动势之间的关系。1)封闭磁通量随时间变化，在线圈中检测到(2)感应电动势的大小与磁通量变化率成正比，即(1-4)，法拉第电磁感应定律给出了电学的理论基础。-8-，2。磁场中导体的感应电动势电磁感应定律说明磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，使导体在磁场内运动，那么磁场对导体仍然会发生变化，因此按照法拉第定律，导体也会产生感应电动势。在磁场中运动的这个导体的大小由以下内容给出：(1-5)，第一章电磁感应原理和磁路分析，-9-，3。在电流导体的电磁力固定磁场中放置电流导体，电流导体就称为电磁力、洛伦兹或安培力。载流量导体力的大小与导体在磁场中的位置相

4、关，如图1-4所示。导体与磁线方向垂直时所受的力最大。电磁力f与磁通量密度b、导体长度l和电流强度I成正比。也就是说，(1-6)，第一章电磁感应原理是磁路分析，-10-，当导体与磁线水平时，F=0，导体从不同位置接收的力介于两者之间。电磁力的方向可以由左手决定。图1-5显示了f、b和I的方向关系。第一章电磁感应原理和磁路分析，载流导体在磁场中产生电磁力的原理是电机最重要的理论基础。-11-，1.2感应材料及其特性通过电磁感应原理知道，磁场作用可以产生电或力，因此，各种电动机的工作原理不能与构成各种电动机的核心材料磁场和磁性材料分离。事实证明，自然界中存在的物质具有磁性。称为不具有导电性质的非导

5、电材料。1.2.1 B-H曲线磁性材料的磁场强度H与磁通量密度B有一定关系，该关系用图形表示，也称为B-H曲线或磁化曲线，是表示磁性材料的最基本特性。第一章电磁感应原理和磁路分析，-12-，1。在真空磁导率真空中，磁场强度h与磁通量密度b成正比。即，第一章电磁感应原理是磁路分析，(1-7)，真空渗透率0-410-7h/m，-13-，铜，铝，橡胶导电材料的磁导率可以用，(1-8)来表示磁场强度h和磁通量密度b的关系。其中r是导电材料的相对渗透率。b和h之间的关系不是线性关系，因为r的值不是常数。这样，样式(1-8)没有实用价值，使用B-H曲线表示它们之间的关系。第一章电磁感应原理和磁路分析，-1

6、5-，1.2.2为了提高铁磁材料材料的磁性，人们在寻求自然材料的过程中通过合成方法获得各种高导电磁性材料。铁、钴、镍和它们的合金在内的铁磁性材料的磁导率比真空高数百倍至数千倍，因此经常用作电机的磁性材料。铁磁材料的主要特性如下：1.B-H曲线的饱和非线性通常表示为B-H曲线，因为铁磁材料的磁化特性是非线性的。图1-7a显示了一些典型铁磁材料的B-H曲线，其特性被分为两个段：1)线性段。在图1-7b中，曲线2的O-a段随着外部磁场h的增加，磁通量密度b按比例增加。此时，B-H曲线几乎是直线，铁磁材料的磁导率基本不变，磁性材料工作在线区域；第一章电磁感应原理和磁路分析，-16-，2)饱和非线性段。

7、在图1-7b中，曲线2的b-c段被称为磁饱和，因为外部磁场h的增加，磁通量密度b慢慢增加，或者基本上不再增大。一般来说，马达必须设计为在线性区域使用磁路中的铁磁材料。第一章电磁感应原理和磁路分析，-17-，2。在磁滞特性及其损失以上，讨论了铁磁材料的单向磁化过程。但是磁化的铁磁材料在消除外部磁场后仍保持一定的磁性，不能恢复到磁化前的初始状态。铁磁物质提供的这种磁通量密度b的变化落后于外部磁场h的变化的现象称为磁滞特性。铁磁性材料在周期交变磁场中时，磁化特性如图1-8所示，B-H曲线表示称为磁滞回线的闭合性。第一章电磁感应原理和磁路分析，-18-，等铁磁材料，选择其他磁场Hm来测量各种大小的磁滞

8、回线系列，如图1-9所示，并进行重复磁化。在第一象限的顶点连接所有磁滞回线，结果曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线解决了磁滞回线B-H的多值函数问题，在工程中得到广泛应用。第一章电磁感应原理和磁路分析，-19-，铁磁材料在交变磁场下反复磁化过程中消耗一定的能量，这种功率损失称为磁滞损耗。假设有由铁磁材料制成的芯，截面面积为s，平均周长为l，n-tour线圈两端的周期为t的交变电压u，线圈中通过的电流为I，核心中的交变磁场h。因此，供电线圈的瞬时功率为第一章电磁感应原理和磁路分析，(1-9)，(1-10)，v=s l核心体积，-20-，(1-11)，表达式(1-11)说明铁磁材料的

9、磁滞损耗与磁滞回线的面积、功率频率f和磁芯体积v成正比。因此，要减少磁滞损耗，磁滞回线区域必须选择较小的铁磁材料，并将磁芯的体积最小化。例如，硅钢片的磁滞回线面积较小，导电率高，因此芯尺寸较小，经常用作电动机和变压器的芯材。-21-，3。涡流特性及其损失是硅钢片具有导电性的铁磁材料还有一个重要特性。由于交流磁场的作用，铁的心里存在涡流，因此产生涡流损耗。第一章电磁感应原理和磁路分析，如图1-10所示，磁芯是导电的，因此根据磁通作用下的电磁感应规律，磁芯会产生感应电动势，这种电动势作用于导体，产生电流。这种电流在核心内部形成磁通周围的旋涡状流，称为涡流。涡流在内核中产生一定的能量损失，称为涡流损

10、失。-22-，现在假设位于铁中心的硅钢片的长度为l，厚度为w，高度为h，高度为h w，硅钢片的体积为V=lwh。根据频率f的交变磁通量Bm的作用，硅钢板涡流电路的感应电动势为第一章电磁感应原理和磁路分析，(1-12)，电动势比例系数，涡流电路和硅薄板厚度w对称轴之间的距离，-23-，如果忽略短两边的影响，涡流电路的等效电阻为第一章电磁感应原理和磁路分析， 该硅钢片的涡流损耗与第一章电磁感应原理和磁路分析，(1-15)，根据上述分析，涡流损耗与磁场频率f，磁通量密度Bm和硅钢片的厚度成正比。 与核心的电阻率成反比。因此，为了减少涡流损耗，电机和变压器的核心通常使用含有大量硅的薄硅钢片(厚度0.3

11、50.5mm)折叠。-25-，1.2.3由永磁材料制成的芯需要外部电源线圈的作用来产生磁场，硬磁性材料由于残留的Br大小，可以用于制造永磁材料，因此也称为永磁材料。近年来，用永磁材料制造的永磁电机得到了广泛应用。永磁材料的磁性通常使用残留磁性Br、矫顽力Hc和最大磁能区域BHmax等指标进行测量。一般来说，这三个指标越大，相应永磁材料的磁性特性就越好。此外，还必须考虑工作温度、稳定性和价格。目前永磁材料差异很大，常用的四种类型为：(1)永磁铁氧体压缩成粉末冶金或粉末。其优点是矫顽力Hc大，消磁能力强，比重小，价格低，工作稳定；缺点是残余磁Br不大，易受温度影响。因此，如果温度变化严重，温度稳定

12、性高，则不适用。第一章电磁感应原理和磁路分析，-26-，(2)稀土钴具有集成磁性，良好的消磁能力和温度稳定性，200 250 A C；允许的工作温度；但是缺点是价格昂贵，加工不容易，制造费高。(3) NdFeB在20世纪80年代末合成的永磁材料。其磁性优于稀土钴，价格低。不足的是运行温度低，约为100，因此复盖范围有所限制。(4)铝-镍-钴有两种制造方法。一种是用铸造法制作的铸铝-镍钴，优点是磁性高，稳定性好，价格便宜；缺点是材料坚硬易碎，不能加工。另一个优点是粉末冶金(烧结)或粉末压制(组合)制成的粉末型铝镍钴，可以直接成型，以所需的形状和大小制作，特别适合批量生产；缺点是磁性比电子低，价格

13、高。第一章电磁感应原理和磁路分析，-27-，1.3磁路和磁路分析是工程中常用的磁路方法，用于解释和分析磁场和电磁关系，以简化操作。磁路的主要部分由高导电磁性材料组成，使磁通量限制在磁路内部，就像电流限制在电路中一样，可以用类似于电路分析的方法编写磁路分析方法。变压器和电动机的核心大部分由高导电磁性材料组成，因此磁路方法可以作为分析变压器和电动机的重要工具。第一章电磁感应原理和磁路分析，-28-，1.3.1磁路和气隙磁场1。简单磁路，第一章电磁感应原理和磁路分析，-29-，现在，如果你定义一个新的可变磁电位调频，常识是，常识可以由、自下而上表示，磁力Fm、磁通量和磁阻Rm的关系类似于电路的电动势

14、e、电流I和电阻r(参见图1-11b)。通过这种方法，可以使用相似电路的等效磁路，分析和研究基本电磁关系。第一章电磁感应原理和磁路分析，(1-17)，(1-18)，-30-，2。如果气隙磁场在磁路中存在气隙，则如图1-12所示，如果气隙的长度LG相对于相邻核心表面的大小足够小，则电源线圈生成的磁通量仍然主要分布在芯和气隙中，此时磁路的磁电势Fm为，(1-19)，或写，-。 磁路的磁电势调频等于磁通和磁芯磁阻Rmc和间隙磁阻Rmg串行值的乘积，类似于串联电路的分析。 芯的传导比气隙的传导系数(0，Rmc 6150 61500rm)大得多，因此磁势Fm产生的磁通量或磁通量强度b主要取决于气隙的特性，即(1-21)，从而表明气隙磁场在电力学中起着重要作用。我们未来的分析研究也主要集中在气隙磁场上。第一章电磁感应原理和磁路分析，-32-，3。如果考虑主磁通量和漏磁通线圈的漏磁通，如图1-13所示，电线圈产生的总磁通量全部是通过铁芯主磁力和周围空气形成的漏磁通两部分，即，(1-22)，第