電機(jī)拖動(dòng)第一章磁路和磁化材料

1、磁路和磁性材料磁路和磁性材料磁路和磁性材料n磁路概述n磁路基本定理n磁鏈、電感和能量n磁性材料的特性1 磁路概述n電機(jī)：應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換的裝置q運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢q變化磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢q載流導(dǎo)體產(chǎn)生電磁力n磁場是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、傳遞的媒介n必須存在磁場！Blve dtdNeBlif 1.1 假設(shè)條件n忽略位移電流和電磁輻射q電機(jī)涉及的電磁變量的頻率低，尺寸小n工頻交流50Hz，電磁波波長6000kmn普通電機(jī)尺寸幾毫米到幾十米n用一維磁路近似等效三維磁場q三維磁場分布非常復(fù)雜，幾乎無解析解q電機(jī)采用鐵磁材料來定形和導(dǎo)向磁場n鐵磁材料的高導(dǎo)磁芯使磁場分布相對集中q解的精度，能

2、滿足工程應(yīng)用要求1.2 磁路的概念n磁路：磁通所通過的路徑n磁路是以高導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的使磁通被限制在結(jié)構(gòu)所確定的路徑之中的一種結(jié)構(gòu)n和電流在電路中被導(dǎo)體所限制極為相似（1）簡單磁路n鐵心導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣n磁力線幾乎被限定在鐵心規(guī)定的路徑中n鐵心外部的磁力線很少（2）帶氣隙簡單磁路（3）簡單同步電機(jī)磁路 n有線圈的鐵心中，磁通分成主磁通和漏磁通兩部分n主磁通：在鐵心中通過的絕大部分磁通n漏磁通：圍繞載流線圈、在部分鐵心和鐵心周圍的空間的少量磁通n勵(lì)磁線圈：用來產(chǎn)生磁場的載流線圈n勵(lì)磁電流：載流線圈中的電流2 磁路基本定理n磁路歐姆定律n磁路基爾霍夫第一定律n磁路基爾霍夫第二定律2.1 基本磁路物

3、理量n磁場強(qiáng)度 H(A/m)n磁感應(yīng)密度(磁密) B(T)n磁動(dòng)勢(磁勢) F(A)：勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的安匝數(shù)n磁通量(磁通)(Wb)：穿過曲面S的磁通是磁感應(yīng)密度B的法線分量的面積分qB均勻時(shí)為繞組匝數(shù)NNiF,sdaBccB Sn磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B對比qH和B均可表征磁場性質(zhì)（即磁場強(qiáng)弱和方向）q均勻磁介質(zhì)，若包括介質(zhì)因磁化而產(chǎn)生的磁場在內(nèi)時(shí)，用B表示，其單位為特斯拉T，是一個(gè)基本物理量q單獨(dú)由電流或者運(yùn)動(dòng)電荷所引起的磁場（不包括介質(zhì)磁化而產(chǎn)生的磁場時(shí)）則用磁場強(qiáng)度H表示，其單位為A/m，是一個(gè)輔助物理量q在各向同性的磁介質(zhì)中，B與H的比值即介質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率n從定義看qB考慮磁場對于電流

4、元的作用，考慮這種作用是否受到磁場空間所在的介質(zhì)的影響，即B同時(shí)由磁場的產(chǎn)生源與磁場空間所充滿的介質(zhì)來決定qH只反映磁場來源的屬性，與磁介質(zhì)沒有關(guān)系 磁導(dǎo)率n磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)密度B的關(guān)系q由材料特性決定q稱為材料的磁導(dǎo)率q真空磁導(dǎo)率n相對磁導(dǎo)率：材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值n電機(jī)中使用的鐵磁材料的典型相對磁導(dǎo)率范圍：200080000HB)/(10470mH0/r H 與 B 的區(qū)別 H I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 B 與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。 2.2 磁路基本定理ccsFidlHdaJdlHN僅考慮導(dǎo)體電流：安培環(huán)路定理：FiNlHHiii分段相等：（1 1）安培環(huán)路定理）安培環(huán)路定

5、理n對于等截面、磁密分布均勻、材料一致的簡單磁路n假設(shè)磁通為，磁動(dòng)勢為F = Ni，磁路截面積為A，磁路平均長度為lABdaBsABABH1AllHiNF1（2 2）磁路歐姆定理）磁路歐姆定理n令： 稱為磁路的磁位降n令： 稱為磁路的磁阻n磁路歐姆定理為lHUmAlRm1AllHiNF1mmRUn穿過任意閉曲面的總磁通恒等于零00SdSB（3 3）磁路基爾霍夫第一定律）磁路基爾霍夫第一定律分支磁路： 1+2=3n沿任意閉合磁路中的磁動(dòng)勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和csdaJdlHiimimimiiiiURlHFiimimimiiiiURlHNiF（4 4）磁路基爾霍夫第二定律）磁路基爾霍夫第二

6、定律回路：H1l1+H3l3=N1i1 回路：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2磁路磁路電路電路磁路磁路電路電路物理量物理量基本定律基本定律磁動(dòng)勢磁動(dòng)勢F F電動(dòng)勢電動(dòng)勢E E磁通量磁通量電流電流I I磁阻磁阻RmRm電阻電阻R R磁導(dǎo)磁導(dǎo)電導(dǎo)電導(dǎo)G GiRUmmRU0iiI0iiuemUF2.3 磁路與電路比較3 磁鏈、電感和能量n磁通(Wb)：穿過曲面S的磁通是磁感應(yīng)密度B的法線分量的面積分n定義：線圈交鏈的磁鏈n定義：電感 NiLmmRNRiNiNiNiL2自感m2mm)()(NiNiNiFNiNiLN 線圈匝數(shù) m自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)n自感

7、的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；n鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多； n鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時(shí)，自感下降。2122121m21 1m12m1111()()N NFNN iMN NiiiiN1 -線圈1的匝數(shù) N2 -線圈2的匝數(shù) m-互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)互感互感互感的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。n磁場的能量密度(單位體積磁場儲(chǔ)能)n電感儲(chǔ)能n帶氣隙電感的能量主要儲(chǔ)存在氣隙中221212121BHBHwVdvHBiLA212124 磁性材料的特性n按相對磁導(dǎo)率，將材料分為q順磁物質(zhì)：r略大于1q抗磁物質(zhì)：r略小于1q鐵磁物質(zhì)：r遠(yuǎn)大于1n

8、鐵磁物質(zhì)包括鐵、鎳、鈷等和它們的合金、氧化物等n鐵磁物質(zhì)在外磁場中呈現(xiàn)磁性大幅度增強(qiáng)的現(xiàn)象問題1：為什么電機(jī)中要采用鐵磁材料作為磁路？問題2：為什么鐵磁材料具有較好的導(dǎo)磁性能，而銅、銀、木頭沒有？4.1 鐵磁材料的磁化開始磁化磁化完成n磁疇q未加磁場排列無序 分子運(yùn)動(dòng)q施加磁場順序排列 有向運(yùn)動(dòng)4.2 磁化曲線n磁化曲線：磁通密度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系n起始磁化曲線：一未磁化的鐵磁材料，磁場強(qiáng)度H由零逐漸增大時(shí)的磁化曲線n剩磁Br：鐵磁材料去掉外磁場后，鐵磁材料內(nèi)部仍然保留的磁通密度Brn矯頑力Hc：鐵磁材料磁化后要使磁通密度由Br減小到零，需外加的反向磁場強(qiáng)度 HB0在外磁場H作用下，磁感

9、應(yīng)強(qiáng)度B將發(fā)生變化，二者之間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為B=f(H)。4.3 磁滯現(xiàn)象與磁滯回線n磁滯現(xiàn)象：鐵磁材料磁化時(shí)磁通密度的變化滯后于磁場強(qiáng)度的變化n磁滯回線：由于磁滯效應(yīng)，鐵磁材料的磁化過程不可逆，在等Hmax反復(fù)磁化過程中，鐵磁材料的B-H形成的閉合曲線HBHmBmaBr剩磁剩磁-Hcbc-Hm-Bmd-Bref矯頑力矯頑力Hc鐵磁材料的磁滯回線有取向電工鋼的B-H回線4.4 基本磁化曲線n以不同Hm磁化時(shí)鐵磁材料的磁滯回線的頂點(diǎn)形成的曲線010203040506070-0.200.20.40.60.811.21.41.61.8HA/cmBT-200-150-100-5005010

10、0150200-1.5-1-0.500.511.5HA/mBT 【例例】 圖示磁路是由兩塊鑄鋼鐵心及它們之間的一段圖示磁路是由兩塊鑄鋼鐵心及它們之間的一段空氣隙構(gòu)成。各部分尺寸為：空氣隙構(gòu)成。各部分尺寸為：l0/2 = 0.5 cm ， l1 = 30 cm ，l2 = 12 cm ，A0 = A1 = 10 cm2 ， A2 = 8 cm2 。線圈中的電。線圈中的電流為直流電流，匝數(shù)流為直流電流，匝數(shù)N=100。今要求在空氣隙處的磁感應(yīng)。今要求在空氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度達(dá)到 B0 = 1 T，問需要多大的磁動(dòng)勢，勵(lì)磁電流？，問需要多大的磁動(dòng)勢，勵(lì)磁電流？A1A2l1l2l0/2I I 解

11、：(1) 磁路中的磁通 = B0A0 = 10.001 Wb = 0.001 Wb (2) 各段磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁密) B0 = 1 T B1 = = T = 1 T A10.001 0.001 B2 = = T = 1.25 T A20.001 0.000 8 A1A2l1l2l0/2I I (3) 各段磁路的磁場強(qiáng)度 由磁化曲線查得： H1 = 9.2 A/cm H2 = 14 A/cmH0 = = A/m B0 01 4107 = 796 000 A/m = 7 960 A/cmA1A2l1l2l0/2I I (4) 各段磁路的磁位降 Um0 = H0 l0 = 7 9601 A =

12、7 960 A Um1 = H1 l1 = 9.230 A = 276 A Um2 = H2 l2 = 1412 A = 168 A (5) 磁動(dòng)勢 F = Um0Um2Um2 = ( 7 960276168 ) A = 8 404 A 勵(lì)磁電流 I = F/N=84.04 A4.5 鐵磁材料分類及應(yīng)用n軟磁材料q磁滯回線窄，剩磁Br和矯頑力Hc小q鑄鐵、鋼、硅鋼片等q軟磁材料的磁導(dǎo)率較高n硬磁（永磁）材料q磁滯回線寬、Br和Hc都大的鐵磁材料q鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等q永磁材料的性能用剩磁Br、矯頑力Hc和最大磁能積（BH）max三項(xiàng)指標(biāo)表征n常見永磁材料鑄造型/粉末型鋁鈷鎳鐵氧體稀土鈷釹鐵

13、硼B(yǎng)r(T)1.350.4051.061.12Hc(kA/m)59294748843(BH)max(kJ/m3)59.730.5206.9238.7Br溫度系數(shù)-0.02-0.2-0.025-0.1允許溫度受溫度影響變化大200250100 價(jià)格便宜/較貴便宜貴較稀土鈷低廉鑄造型鋁鈷鎳鐵芯鐵氧體鐵芯稀土粉末釹鐵硼磁件電源用非晶鐵心鐵磁材料應(yīng)用(1) 軟磁材料軟磁材料n磁純鐵，硅鋼坡莫合金(Fe，Ni)，鐵氧體等n易磁化、易退磁。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線呈細(xì)長型，在交變磁場中剩磁易于被清除n適用于繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒(2) 硬磁材料硬磁材料n鎢鋼，碳

14、鋼，鋁鎳鈷合金等n磁滯回線寬肥，磁化后可長久保持很強(qiáng)磁性n適于制磁電式電表中的永磁鐵、耳機(jī)中的永久磁鐵、永磁揚(yáng)聲器(3) 矩磁材料矩磁材料n錳鎂鐵氧體，鋰錳鐵氧體等n磁滯回線呈矩形，在兩個(gè)方向上的剩磁可表示二進(jìn)制的“0”和“1”n適合于制成“記憶”元件(4)另外，利用鐵磁質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)，可用來做換能器，在超聲及檢測技術(shù)中大有作為。4.6 鐵心損耗n磁滯損耗q鐵磁材料在交流磁場中反復(fù)磁化，磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間會(huì)不斷摩擦，產(chǎn)生功率損耗n渦流損耗q交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢q感應(yīng)電勢產(chǎn)生渦流q渦流產(chǎn)生損耗n若不計(jì)線圈電阻，鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時(shí)電功率p為n損耗能量為dtdieip21212121BBBBttmHdBVNAdBNHlidpdtW（1）磁滯損耗 n磁滯損耗就是消耗于鐵心中的平均功率n磁滯損耗與磁場交變頻率f、鐵心體積V和磁滯回線的面積成正比VfBKHdBVfTWmpmhh （2）渦流損耗n渦流q鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。n渦流損耗q渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的I2R損耗稱為渦流損耗。 n渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度d和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的平方成正比，與材料的電阻率成反