电器学——湖南大学课件2013第三章-电磁机构理论.ppt

1、电学、第一篇电气设备的理论基础第三章电磁机构理论，磁系统：磁导体空气隙、励磁电流种类、直流、交流、励磁方式、并联激励、串联激励、内接电极、结构形式、外接电极第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性， 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性衔铁角位移，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性， 各种内接极式电磁机构的构造和吸引特性：第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特

2、性，各种外接极式电磁机构的构造和吸引特性：第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，动态特性：电磁机构的动态特性是指其励磁电流I、磁通、交链磁通、电磁吸引力f， 衔铁运动速度v等残奥在衔铁的吸附(向铁元素芯的运动)或释放(离开铁元素芯)的过程中与衔铁x或时间位移，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，电磁机构的机械特性其受控对象图3-4显示了一些典型的机械特性。 机械特性是电磁机构的负荷特性，但电磁机构的设定修正以此为基础，因此作为电磁机构的特性来处理。 运动部件受到的静阻力与

3、弹簧摩擦力运动部件的质量有关。 1反作用力根据空气隙的变化而变化的直动式电枢的重力2空气隙，反作用力直线变化的预压的弹簧3反作用力根据空气隙而变化为折线的接触件和带弹簧的电气设备、反作用力特性种类、第一篇电气设备的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性， 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第一节电磁机构的种类和特性，磁性材料是具有强磁性的材料，铁元素、镍、钴、钆等元素体和它们的第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，是由于强磁性材料内部相邻的数百个分子电流圈的流动一致，这些个的强磁性材料内部的磁区排列紊乱，磁性抵消，因此不向外部显示磁性。 强磁性材料

4、之所以具有高导磁性，是因为它们内部具有特殊的物质结构磁区。 磁畴是怎样形成的？ 磁畴因受到外部磁场的作用而沿着外部磁场的方向递归地再排列，在内部形成强的附加磁场。 (a )没有外部磁场；(b )有外部磁场时，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性；一、磁区、各向异性现象和居里点、铁磁性物质单晶的磁化呈各向异性现象。 以铁元素的单晶为例，容易在侧面100方向上磁化，难以在平面对折角线110方向上磁化，难以在立体对折角线111方向上磁化(图35 )。、第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性、物质的磁分类：根据固体中电子与外部磁场之间相互作用的性质

5、和强度，将材料分为5类：不与外部响应(基本): 抗磁性顺磁性X 1反强磁性与外部磁场有强相互作用：强磁性X 1第一强磁性、 当温度超过该值时，由于磁区的消失，磁性材料成为顺磁性材料。 居里点的值根据材料而不同，例如，铁元素的居里点是770度，钴的1120度，镍的358度。 磁性材料的工作温度不能接近居里点。 内部磁场，第一编电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，磁性物质磁化产生的磁场不会无限增加，外部磁场(或励磁磁场的电流)增大一定程度后，全磁区转向为与外场方向一致。 此时的磁感应强度达到饱和值。 B0是真空时的磁感应强度，BJ是磁化引起的磁感应强度，b是介质中的总磁感应

6、强度。 磁性物质不是常数，h也没有比例关系。 二、磁化曲线和磁滞回线、第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性是，磁性材料退磁后，在外部磁场的作用下磁场强度h从零逐渐增大，磁感应强度b也从零逐渐增大。 在oa阶段，磁化通过磁区边界壁转变进行，顺外磁场方向增多，逆方向减少。 由于在此阶段磁化不消耗能量，所以所述过程是可逆的，且b与h成比例，即，u=const与h无关。 在ab段，磁区的磁化方向急剧转换90度，磁化进行，因此消耗一定的能量，过程是不可逆的。 此时，由于磁区方向变化急剧，因此，磁化曲线的上升不平滑，呈现阶梯现象。 到bc段，磁区由于从容易磁化的方向向困难的方向

7、转向，需要消耗更多的能量和更强的外部磁场，但u值减少。 c点以后，所有磁区的磁化方向与外部磁场一致，即成为饱和状态。 此时，b随h的变化接近真空中，但过程是可逆的。 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，用退磁后的磁性材料磁化的B=f(H )曲线称为起始磁化曲线。 从该曲线开始饱和的c点开始减磁，即减小磁场强度，工艺不可逆，因此b值沿着ce段变化。 对应c点的b值用Bs表示，称为饱和磁感应的对应e点(h值减少到零)的b值用Br表示，称为残馀伪感应。 为了将b值减小到零，需要施加逆磁场，b值沿着ef段变化。 对应于点B=0的磁场强度被称为保持磁场力HC。 Bs、Br和

8、-Hc值是磁性材料的主要特征残奥表。 如果继续增大逆磁场，则b沿着fg段变化，在g点达到逆饱和。 从这一点开始逐渐减小逆磁场成为零时，b沿着km段变化为-Br，再加上顺磁场，b沿着km段变化为零，此时的磁场强度也被称为保磁场力。 随着一头地的前进，正向磁场增大，b值又从零增大，在c点饱和。 原则上，c、c、2点不重叠，而是Br、Br、-HcHc。 但是，通过多次重复这些个过程，可以得到被称为磁滞回线的几乎闭合的曲线。第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性、第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性、磁芯线圈中流过交变电流时，h的大小和方向改变，在

9、铁元素芯在交变磁场中反复磁化的过程中，b的变化总是比h的变化慢，这种现象称为迟滞现象性磁导率可以达到102104，由软磁材料构成的磁路的磁敏电阻小，如果在线圈中流动小电流，则获得大的磁通。 b不会随着h的增强而无限增强，当h增大到一定值时，b就不能继续增强。高导磁率、磁迟滞现象性和残留磁性、饱和性：第一编电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，在实际工作时，由于导体不从失磁状态开始磁化，所以初始磁化曲线不能用于实际的校正计算。 用于校正运算的磁化曲线是连接多个不饱和对称磁滞回线的顶点的基本磁化曲线(图3-7 )。 起始磁化曲线和基本磁化曲线因磁性材料而异。 基本磁化曲线忽略

10、不可逆性来保持饱和非线性特性，具有平均意义，因此也被称为平均磁化曲线。 根据励磁电流的种类，基本磁化曲线有直流磁化曲线和交流磁化曲线之分，分别适用于直流磁路订正和交流磁路订正。 这个损失取决于励磁电流的频率。 频率增大时，磁磁滞回线变宽，对于象征迟滞现象损耗增大的云同步，由于感生电动势的增大，涡流损耗也增大。 铁损耗也与磁感应强度有关，磁感应强度越大，铁损耗也越大，其关系也是非线性的。 可以用各种公式修正铁损耗，但由于其精度不尽人意，不方便，所以大多用工程损失曲线(图3-8 )进行修正。 该曲线将铁损耗表示为磁感应强度和频率的函数，是每单位质量的材料铁损耗。 由于曲线是从实验中得到的，所以精度

11、很高。 三、铁损耗和损耗曲线，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，磁性材料根据其特征残奥表分为两类，即硬磁性材料和软磁材料。 前者的保磁场力为数十万A/m大，且磁滞回线宽，后者的保磁场力为数A/m小，在云同步中磁滞回线狭窄。 (1)软磁材料软磁材料的保持磁场力小(Hc102A/m )，磁导率高，残留磁通也不大，因此迟滞现象不明。 常用的为： (1)电工纯铁元素，包括电解铁、羰基铁元素和工程纯铁元素等，其特点是电阻率小，故只用作直流电磁机构的导体。 (2)硅钢含有0.8% 4%的硅元素体。 硅元素元素体的作用是：促进碳化铁元素的分解，将钢还原成铁元素，增大磁导率，减

12、少保磁场力和磁迟滞现象损耗，同时增大电阻率和减少涡流损耗，阻止磁劣化，改善工艺性。 因此，硅钢适用于交流电磁机构。 四、磁性材料、第一编电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，(3)高导磁率合金主要是含镍35% 80%的铁镍合金坡莫合金。 在特性处理后，其ur0(初始相对磁导率)达到(1 2)104，urmax达到(1 2)105，而Hc只有2A/m。 另外，由于其Br=Bs，因此磁滞回线接近矩形。 存在电阻率小、无法承受机械压力的缺点。 用于制造在自动通讯装置中的电压互感器、继电器及弱磁场中具有特别高的磁导率的电磁零配件。 (4)射频波软磁材料是主要习惯性的被称为强磁性体

13、的镍锌铁氧体。 是由铁元素的氧化物和其他金属氧化物烧结而成的。 其相对磁导率为数千，但保持磁场力小(数V/m )，且电阻率为铁元素的数百万倍。 适用于射频波弱电螺线管。 (5)无定形软磁合金是液体过渡态的合金，其磁特性与坡莫合金相似，但其结构域性能远远优于坡莫合金。 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，(二)硬磁性材料的硬磁性材料特点是保磁场力大，迟滞现象线宽，并且最大磁能积大，常用的硬磁性材料为铸造铝镍钻类和粉末烧结铝镍钴类材料。 另外，也有钡、锶、铁元素氧化物缠绕的镍锌铁氧体材料。本世纪六十年代末由部分稀土元素体和钻头形成的金属间化合物钐钴、镨钴、镨钐钴等稀土

14、钴系材料发展，它们具有很大的保磁场力和磁能积。 后来研制的第二代稀土硬磁材料钕铁元素硼，具有更大的保磁场力和磁能积，价格低廉，其磁性能远远高于稀土钻孔材料。 硬磁性材料在磁化后，可长期保持强磁性，因此被用于制作永久吸铁石。第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第二节磁性材料及其基本特性，磁性物质的分类根据磁滞曲线和磁化曲线大致可分为三大类： (1)保磁场力小，磁滞回线窄(铁元素心)，(2)永久(硬)磁性材料，保磁场力大，磁滞回线宽。 (吸铁石)、(3)剩馀磁通大、保持磁场力小、磁滞回线为矩形的力矩磁性材料。 (记忆单元)、h、b

15、、h、b、h、b、h、b、b、b、磁场是特殊的物质磁场，通过电流引起的空间电流间相互作用的中介磁场作用于电流的作用微观上，直接用安培式修正作用于运动电荷的洛伦兹力左手定律图39 B和与其垂直的基波电流要素受到的磁场相对于电流的作用与磁场产生的原因无关，电动机中的并联激励、串联激励等1 .磁场的基本物理量，第一篇电气设备的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路径化磁感应强度的一个解释：式33是作用于搭载了基波电流的单位长度的导体的可能的最大磁场力磁力线/相当于磁通线：人为引入的曲线上各点的切线方向和该点的磁场方向一致密度与b的值成比例的b的另一种解释：磁感应强度磁通管通过磁场内的

16、任一闭合曲线，所有磁力线概念实质上是：磁通管内的磁通流动，1 .磁场的基本物理量， 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路径化；第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路径化；二、磁场的基本性质磁通连续性定理、微分形式、积分形式、磁场为被动场，磁力线为闭合曲线由此，能够导入一个二进制位函数即标量磁二进制位UM，其中，p、q是磁场中的任意两点，p、q是磁场中的任意两点，Up、UQ是p、q这两点的磁势。由于磁压降，第一篇电气设备的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路径化，在没有分支的均匀磁路(与磁路的材料截面积相同，各处的磁场强度相等)中，安培环路法则写为：磁路长度l、线圈匝数n、HL : 第一篇电器的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路化、总磁通势在不均匀的磁路(磁路的材料和截面积不同，或者磁场强度不同)中，总磁通势等于各级的磁压降之和。 例如，第一编电器的理论基础第三章电磁机构理论第三节电磁机构中的磁场及其路化，三、磁场的路化在磁场内形成闭曲线，通过曲线上的所有点形成磁力线，即得到管磁通管，其管壁在任何地方都与磁感应矢量b平行(图3-12a )，在磁通管上当然，整个磁场空间可看作是多个磁通管并联连接而构成的。 将磁