电机中的能量转换与磁路.ppt

1、0.4 电机中的能量转换与磁路,0.5 与磁路相关的基本物理定律,0.6 铁磁材料及其特性,第二讲 电机中的能量转换与磁路,0.7 磁路分析,0.4 电机中的能量转换与磁路,0.4.1 电机中能量转换的两个实例,心式变压器,壳式变压器, 变压器,心式变压器平面示意图,壳式变压器平面示意图,同步发电机工作原理, 发电机,同步电机机械能到电能转换过程,机械端口,转子,定子绕组,定子铁心,电端口,A,B,C,S N,定子铁心,定子绕组,转子铁心,转子绕组,0.4.2 能量转换装置中的磁场与磁路,一个重要物理量是磁场的磁通（flux）。 而磁通所通过的路径就是磁 路(magnetic circuit)

2、。 从图可以看出，变压器和旋 转电机中的磁路主要由铁磁 材料构成，相应的磁路称为 铁心磁路。,单相变压器,输入电能,电能,输出电能,电能,变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。,磁场,机械能,电能,在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场。,旋转电机,电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。 磁通所通过的路径就是磁路。磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。,0.4.3变压器与发电机磁路的形成（动画）,发电机磁极单独存在时磁路,发电机磁极与定子铁心构成的磁路,有线圈有铁心时磁路,有线圈没有铁心时磁路,2）磁通密度 也叫磁感应强度。单位 特斯拉（T）

3、。,1）磁通 可以直观地理解为磁路中所包含地磁力线条数。单 位 韦伯（Wb）,0.5 与电机磁路相关的基本物理定律,0.5.1与磁路相关的几个重要物理量,3）磁导率 磁导率 表示物质导磁能力的大小。 真空磁导率为 ， H/m。 空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁导率都近似等于 。称为非铁磁物质。 还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这类材料称为铁磁物质，比如，铁、镍、钴及其合金等。,而磁通密度则分别为 因为 是 的数千倍，所以铁环中 的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。,下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的圆周上 有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为 ，,4）磁场强度

4、 ，单位为A/m。它与磁感应强度的关系 在一般的情况下可表示为 。需要注意的是， 磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之 积才能反映磁场的强弱。,能量转换需要磁场 -磁场由电流产生 磁场强弱与产生该磁场的电流 是什么关系? 由全电流定律来描述H-i 之间关系,0.5.2全电流定律（安培环路定律）,安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度 的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。,注：若 与 符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为 的方向，四指为 方向。,1）全电流定律一般形式,螺管线圈线圈,:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用 表示，单位 A。,2)电机分析

5、中常用的简化形式的全电流定律,下图为均匀密绕螺管线圈，有,对于下图的情况，在一般情况下，也可以近似地认为属于均匀磁路，所以也可得下式。,单线圈铁心磁路,带气隙的铁心磁路,若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。 当气隙长度 远远小于两侧的铁心截面的边长时，认为铁心和气隙中为均匀磁场，则,式中， 和 分别为铁心和气隙上的磁压降，可见， 作用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。,讨论1 磁路包含气隙时的全电流定律,对于下图所示铁心上绕有匝数分别为 与 两个绕组， 分别通入电流 与 的情况，作用于磁路上的总磁动势 则为两个线圈安匝数的代数和，于是,多线圈铁心磁路,讨论2 磁路包含两个线圈时的全电流

6、定律,描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即， 作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。,由于,B=H,1）均匀磁路的欧姆定律,0.5.3 磁路的欧姆定律与电感,得,:磁路的磁阻，A/Wb,:磁路的磁导，Wb/A,思考：从磁路欧姆定律出发，磁路中磁通 的大小受哪些因数的影响？,其中 : 铁心部分对应的磁阻 : 气隙部分对应的磁阻,2）分段均匀磁路的欧姆定律,: 铁心中消耗的磁动势,: 气隙中消耗的磁动势,思考： 假设铁心长度 与气隙长度 比为1000/1；铁心磁 导率 与气隙磁导率 比为6000/1,那么线圈电流 产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什 么比值关系？,两边同乘以线圈的匝

7、数 ，则等式左边得到的是线圈 的磁链 ：,3)线圈的电感,由于： 所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系,可见，电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的 磁导成正比。,对于：,随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率 减小，相应的磁导、电抗也要减小。,电抗 随着频率 、匝数 、磁阻 的变化而变化。,4)交流线圈的电抗,0.5.4 电磁感应定律,1)电磁感应定律,线圈感应电动势 与磁通 的正方向之间符合右手螺旋关系。电磁感应定律可表示为：,电感为常数，对于只有一个 线圈的情况，得到我们所熟 悉的公式,感应电势的正方向,2)关于公式,如上图所示，利用右手定则，可 得到,注意点： a.该式要求导体 及其运

8、动方向均 与磁密 方向垂直，而且在导体长 度上各点处的磁密相等。 b.该公式经常用于旋转电机绕组感 应电动势的求解，但在运用时，也 要注意（a）中的适用条件。,0.5.5 电机分析中常用其它物理定律,1)磁通连续性定理,磁通连续性原理示意图,2)电磁力定律,载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中电流为 ，导体长度为 ，导体所在处的磁通密度为 ，则电磁力为：,当电流 的方向与磁密 的方向垂直时电磁力大小可写为：,注：电磁力方向由左手定则决定,0.6 铁磁材料及其特性,铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金（其它材料 称之为非铁磁材料）。将这些材料放入磁场后，材料 内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁

9、场中呈现很强 的磁性，此想象称为铁磁材料的磁化。,未磁化 磁化后,0.6.1. 铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）,上图为同步电机转子线圈电 流）产生的磁场很弱（磁力线 稀少）且分布在无限广阔的空 间。 一旦转子插入定子，定转子磁 路中的磁场大大增强，且磁通 基本被约束在定子外圆以内的 范围。,思考：为什么？,因为铁磁材料的磁导率 要远远高于非铁磁材料 的磁导率 （非铁磁材料的磁导率一般都可近似认 为等于真空的磁导率 ， ）。通常 。 那么，一定的线圈电流在铁心磁路中激发的磁通比 空气磁路中磁通大得多。,结论：铁心具有增磁功能 。,0.6.2 铁磁材料具有磁饱和特性,铁磁材料的磁化曲线不

10、是一条直线， 会随铁磁材料内磁密 的变化而变化，当磁密 达到点后，铁磁材料内 磁密 呈现饱和想象， 也就是说，此时磁场强 度继续增加，铁磁材 料的磁导率 会迅速变 小，磁密 增加会越来 越慢。,举例：饱和对铁磁材料磁化的影响,DW450-50的实际磁化曲线,H（A/m）,B (T),代号说明：D-电工钢片，W-冷轧无取向，即各个方向磁导率相等，450-50在50Hz下铁心损耗4.5W/kg,厚度为0.5mm。,0.6.3 铁磁材料具有磁滞特性,铁磁材料进行周期性磁化所反映的：,磁密变化落后于磁场强度 变化，通常在电机内也可 理解为磁通落后于激磁电 流的现象，称为磁滞现象。,不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线,图中黄色的曲线为该铁 磁材料的基本磁化曲线,软磁材料的磁滞回线,硬磁材料的磁滞回线,磁滞损耗与磁滞回线包围的面积、磁通交变频率 、铁磁材料体积 成正比。,铁心内的交变磁通将感应电势，进而在铁心内引起环流。这些环流通作涡流状流动，称为涡流。涡流引