合肥工業(yè)大學(xué) 電機(jī)(姜衛(wèi)東制作)磁路ppt課件

姜衛(wèi)東,合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院博士、博士后主要研究方向：特種電機(jī)設(shè)計(jì)與控制、電磁場(chǎng)理論及應(yīng)用、電力電子變流技術(shù)南區(qū)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心203室ahjwd055129014288033,1,緒論,什么是電機(jī)？電機(jī)學(xué)中所說(shuō)的電機(jī)，是指依靠電磁感應(yīng)作用而運(yùn)行的電氣設(shè)備，用于機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換、不同形式電能之間的變換、或者信號(hào)的傳遞與轉(zhuǎn)換。,2,電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的運(yùn)用,電機(jī)是完成多種能量形式轉(zhuǎn)換的有效工具，而電能又是最容易實(shí)現(xiàn)傳輸、變換的能量形式，可以說(shuō)，如果沒(méi)有電機(jī)就沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)，下面就電能的產(chǎn)生、傳輸和利用等多個(gè)方面來(lái)說(shuō)明電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用。,3,完整的發(fā)電、傳輸、用電系統(tǒng),4,電能的產(chǎn)生,若電機(jī)用于將其它形式的能量轉(zhuǎn)換為電能，則被稱為發(fā)電機(jī)（Generator）,它主要實(shí)現(xiàn)以下三種能量的轉(zhuǎn)換：水能轉(zhuǎn)化為電能水力發(fā)電機(jī)；化石能轉(zhuǎn)化為電能火力發(fā)電機(jī)；風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能風(fēng)力發(fā)電機(jī)。,5,葛洲壩水利樞紐工程,6,三峽電站,7,三峽水力發(fā)電機(jī)組,8,三峽電站的水輪發(fā)電機(jī)全球最大的水輪發(fā)電機(jī),9,火力發(fā)電廠,10,火力發(fā)電機(jī)組,11,丹麥Vesta公司生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,12,電能的傳輸、變換,電能的傳輸和變化離不開(kāi)電機(jī)。要傳輸一定的電能，為了減小傳輸線上的損耗，希望電壓越高越好，而用戶用電則為低壓電。因此在電能的傳輸中必須使用變壓器。電能的變換包括幅值、頻率、相位以及交直流形式上的變換。,13,大型電力變壓器（保定天威生產(chǎn)）,14,配電變壓器,15,電路板上所使用的低壓高頻變壓器,16,電能的利用,電能的利用主要是指將電能轉(zhuǎn)換為所需的能量形式，其中最為主要的就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。要求在轉(zhuǎn)換過(guò)程中（1）、轉(zhuǎn)換效率高；（2）、可靠性高。往往在能量轉(zhuǎn)換的同時(shí)也能對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，這就引入了一個(gè)新的研究分支電力傳動(dòng)。相對(duì)而言，電機(jī)這一概念往往是指電動(dòng)機(jī)。,17,哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的1MW電機(jī),18,手機(jī)震動(dòng)電機(jī),19,電動(dòng)自行車所用的無(wú)刷直流電機(jī),20,第一章磁路MagneticCircuit,研究磁路的必要性：電機(jī)是以磁場(chǎng)為介質(zhì)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置。,兩個(gè)簡(jiǎn)單的物理事實(shí)：1、變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)由磁生電機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換；2、通電導(dǎo)體會(huì)在磁場(chǎng)中受力電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。,在工程中，通常將磁場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為磁路問(wèn)題。,21,一磁場(chǎng)的基本常用量,磁感應(yīng)強(qiáng)度（又稱磁通密度）B表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量。單位：Wb/m2,磁通量垂直穿過(guò)某截面積的磁力線總和。單位：Wb,磁場(chǎng)強(qiáng)度H計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)引用的物理量。B=H，單位：A/m,真實(shí)的物理量，反映了該點(diǎn)處的磁特性,磁感應(yīng)強(qiáng)度的積分值，描述了磁場(chǎng)的總體特性,磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)磁導(dǎo)率的乘積，反映了建立該點(diǎn)磁場(chǎng)的源,第一節(jié)磁路的基本定律,22,B、H、之間的關(guān)系,產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流建立,磁勢(shì)F,各點(diǎn)處產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度H,各點(diǎn)處產(chǎn)生磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B,對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度積分獲得,B=H,23,與電流流過(guò)的路徑稱為電路一樣，磁通所通過(guò)的路徑稱為磁路。電流只能從導(dǎo)體中通過(guò)，但是磁通可以在任意介質(zhì)中通過(guò)，磁通可以分為兩部分。主磁通：由于鐵心的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多（磁導(dǎo)率大），所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過(guò),這部分磁通稱為主磁通。漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。,二磁路,24,25,三磁路的基本定律,1安培環(huán)路定律,磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任何一條閉合回線L的線積分，等于L所包圍的電流的代數(shù)和,如果在均勻磁場(chǎng)中，沿著回線L磁場(chǎng)強(qiáng)度H處處相等，則,在均勻分段均勻的磁場(chǎng)中，安培環(huán)路定律的表達(dá)式為,26,推導(dǎo)過(guò)程：以等截面無(wú)分支閉合鐵心磁路為例：線圈N匝，電流i，鐵心截面為A，磁路平均長(zhǎng)度為l，磁導(dǎo)率為u,2、磁路的歐姆定律,磁通與磁密關(guān)系為,磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁磁勢(shì)的關(guān)系為,27,3、磁路的基爾霍夫定律,（1）磁路的基爾霍夫電流定律（第一定律）,或,28,磁路的基爾霍夫電流定律,A,N,i,29,（2）磁路的基爾霍夫電壓定律,30,磁路和電路的幾點(diǎn)差別：,1（功率損耗問(wèn)題）電路中有電流I時(shí)，就有功率損耗；而在直流磁路中，維持一定磁通量，鐵心中沒(méi)有功率損耗。,2（磁路非理想）電路中的電流全部在導(dǎo)線中流動(dòng)；而在磁路中，總有一部分漏磁通。,3（磁路的飽和性）電路中導(dǎo)體的電阻率在一定的溫度下是恒定的；而磁路中鐵心的導(dǎo)磁率隨著飽和程度而有所變化。,4（磁路的非線性）在線性電路中，計(jì)算時(shí)可以用疊加原理；而在磁路中，B和H之間的關(guān)系為非線性，因此計(jì)算時(shí)不可以用疊加原理。,31,磁疇及磁化,(A)未磁化,(B)磁化,外加磁場(chǎng),H,第二節(jié)常用鐵磁材料及其特性,一、鐵磁物質(zhì)的磁化,32,磁疇受磁場(chǎng)力而轉(zhuǎn)動(dòng),33,未磁化時(shí)，鐵磁材料的磁疇是無(wú)序排列的，對(duì)外不表現(xiàn)磁性。在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇順著外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。（1）外磁場(chǎng)；（2）磁疇；（3）排列順序,電機(jī)中為什么選用鐵磁材料作為磁路的主要部分？,思考,電機(jī)中常用的鐵磁材料的磁導(dǎo)率Fe(20006000)Fe,從兩個(gè)方面解釋：（1）提高電機(jī)效率（2）減小電機(jī)體積,34,二、磁化曲線和磁滯回線,1、起始磁化曲線,將一塊未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由零逐漸增加時(shí)，磁通密度B將隨之增加。用B=f(H)描述的曲線就稱為起始磁化曲線。,35,B,H,a,b,c,d,鐵磁材料的起始磁化曲線,由于外磁場(chǎng)較弱，磁疇不會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模偏轉(zhuǎn)，磁通密度增加不快。,外磁場(chǎng)增強(qiáng)，磁疇產(chǎn)生大規(guī)模偏轉(zhuǎn)，磁通密度增加較快。,外磁場(chǎng)繼續(xù)增加，大部分磁疇已完成偏轉(zhuǎn)，B值增加變得緩慢。,磁疇全部偏轉(zhuǎn)，磁化曲線基本成為與非鐵磁材料BuH平行的曲線。,拐點(diǎn)、膝點(diǎn),在各種電機(jī)、變壓器的主磁路中，為了獲得較大的磁通，但又不過(guò)分的增大勵(lì)磁電流，通常把鐵心內(nèi)工作點(diǎn)的B選擇在膝點(diǎn)附近。,36,2、磁滯回線,下面考慮兩個(gè)問(wèn)題，（1）磁化后磁性材料去掉外磁場(chǎng)；（2）對(duì)磁化后的磁性材料進(jìn)行反向磁化。,剩磁當(dāng)H從零增加到Hm時(shí)，B相應(yīng)地從零增加到Bm；然后再逐漸減小H，B值將沿曲線ab下降。當(dāng)H=0時(shí)，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。,H,B,a,b,37,H,B,a,b,c,矯頑力要使B值為零，必須加上相應(yīng)的反向磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。,38,鐵磁材料的磁滯回線,H,B,a,b,c,d,e,f,磁滯回線當(dāng)H在Hm和Hm之間反復(fù)變化時(shí)，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的BH閉合曲線，稱為磁滯回線。,39,電工鋼片實(shí)際測(cè)試的磁滯回線,40,3、基本磁化曲線,對(duì)同一鐵磁材料，選擇不同的Hm反復(fù)磁化，得到不同的磁滯回線。將各條回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得曲線稱為基本磁化曲線?；敬呕€和起始磁化曲線差別很小，磁路計(jì)算時(shí)使用的磁化曲線都是基本磁化曲線。,41,基本磁化曲線,基本磁化曲線,H,B,42,三、鐵磁材料,1、軟磁材料：磁滯回線較窄，剩磁和矯頑力都較小的材料，常用的軟磁材料有電工硅鋼、鑄鐵、鑄鋼等。可用來(lái)制造電機(jī)、變壓器的鐵心。,2、硬磁材料（永磁材料）：剩磁和矯頑力都較大的材料。包括鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等。,43,永磁材料（釹鐵硼）退磁曲線（第二象限）,退磁曲線,內(nèi)稟退磁曲線,單位：千高斯,單位：千奧斯特,44,硅鋼片（WHY50，0.5mm）磁滯回線,45,四、鐵心損耗,1、磁滯損耗材料被交流磁場(chǎng)反復(fù)磁化，磁疇相互摩擦而消耗的能量。,2、渦流損耗鐵心內(nèi)部由于渦流在鐵心電阻上產(chǎn)生的熱能損耗。,3、鐵心損耗磁滯損耗和渦流損耗之和。,46,硅鋼片中的渦流,B,返回,47,變壓器中的渦流分布情況（Infolytica軟件計(jì)算）,48,第三節(jié)直流磁路的計(jì)算,磁路計(jì)算正問(wèn)題已知磁路中的量，求解磁路源的問(wèn)題給定磁通量，計(jì)算所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（勵(lì)磁電流）,磁路計(jì)算逆問(wèn)題已知磁路的源（磁動(dòng)勢(shì)），求解磁路中的量的問(wèn)題給定勵(lì)磁磁勢(shì)，計(jì)算磁路內(nèi)的磁通量,49,磁路計(jì)算正問(wèn)題的步驟：1）將磁路按材料性質(zhì)和不同截面尺寸分段；2）計(jì)算各段磁路的有效截面積Ak和平均長(zhǎng)度lk；3）計(jì)算各段磁路的平均磁通密度Bk，Bk=k/Ak；4）根據(jù)Bk求出對(duì)應(yīng)的Hk；5）計(jì)算各段磁位降Hklk，最后求出F=Hklk。,磁路計(jì)算逆問(wèn)題因?yàn)榇怕窞榉蔷€性的，用試探法。,50,一、簡(jiǎn)單串聯(lián)磁路,例1-2鐵心由鑄鋼和空氣隙構(gòu)成，截面積AFe=0.0009m2，磁路平均長(zhǎng)度lFe=0.3m，氣隙長(zhǎng)度=510-4m，求該磁路獲得磁通量=0.0009Wb時(shí)所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。,51,解：（1）將磁路分為鐵心和氣隙兩個(gè)部分；,（5）計(jì)算各段內(nèi)的磁位降，算出所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì),（2）計(jì)算每一段磁路的面積與長(zhǎng)度；,（3）計(jì)算每一段磁路的平均磁密；,（4）計(jì)算每一段磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度，鐵磁材料通過(guò)查基本磁化曲線獲得；,F=HFelFe+Hl=655A,52,二、簡(jiǎn)單并聯(lián)磁路,例1-3鐵心由DR530硅鋼片構(gòu)成，鐵心柱和鐵軛截面積AFe=0.0004m2，磁路平均長(zhǎng)度lFe=0.05m，氣隙長(zhǎng)度1=2=2.510-3m，勵(lì)磁線圈匝數(shù)N1=N2=1000匝。不計(jì)漏磁通，試求在氣隙中產(chǎn)生磁通密度B=1.211T時(shí)，所需的勵(lì)磁電流。,53,解：,中間