電機學(磁路部分)

1、電機學(磁路部分)第一頁，共50頁。0.4 電機中的能量轉(zhuǎn)換與磁路0.4.1 電機中能量轉(zhuǎn)換的兩個實例 心式變壓器 殼式變壓器 變壓器 第二頁，共50頁。心式變壓器平面示意圖殼式變壓器平面示意圖第三頁，共50頁。同步發(fā)電機工作原理 發(fā)電機 同步電機機械能到電能轉(zhuǎn)換過程第四頁，共50頁。機械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABCS N定子鐵心定子繞組轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組第五頁，共50頁。0.4.2 能量轉(zhuǎn)換裝置中的磁場與磁路 一個重要物理量是磁場的磁通（flux）。而磁通所通過的路徑就是磁路(magnetic circuit)。從圖可以看出，變壓器和旋轉(zhuǎn)電機中的磁路主要由鐵磁材料構(gòu)成，相應的磁路稱為鐵

2、心磁路。 單相變壓器第六頁，共50頁。i1輸入電能電能磁場輸出電能i2電能變壓器實現(xiàn)能量傳遞條件：兩個線圈被磁場耦合起來。第七頁，共50頁。磁場機械能電能在發(fā)電機中，機械能之所以會轉(zhuǎn)換為電能，一個重要條件也是因為其中存在一個耦合磁場。旋轉(zhuǎn)電機第八頁，共50頁。電機變壓器磁場最重要的一個物理量是磁通。 磁通所通過的路徑就是磁路。磁路主要由鐵磁材料構(gòu)成，稱為鐵心磁路。 變壓器與發(fā)電機磁路的形成（動畫）發(fā)電機磁極單獨存在時不構(gòu)成磁路發(fā)電機磁極與定子鐵心構(gòu)成的磁路有線圈有鐵心才能構(gòu)成磁路有線圈沒有鐵心時不構(gòu)成磁路第九頁，共50頁。2）磁通密度也叫磁感應強度。單位 特斯拉（T）。1）磁通可以直觀地理解為

3、磁路中所包含地磁力線條數(shù)。單位 韋伯（Wb）0.5 與電機磁路相關的基本物理定律 與磁路相關的幾個重要物理量第十頁，共50頁。3）磁導率磁導率 表示物質(zhì)導磁能力的大小。真空磁導率為 ， H/m。空氣、塑料等非金屬以及銅、鋁等大部分金屬的磁導率都近似等于 。稱為非鐵磁物質(zhì)。還有一部分材料的磁導率遠高于真空的磁導率，這類材料稱為鐵磁物質(zhì)，比如，鐵、鎳、鈷及其合金等。第十一頁，共50頁。而磁通密度則分別為 因為 是 的數(shù)千倍，所以鐵環(huán)中的磁密與磁通是塑料環(huán)中的數(shù)千倍。下圖中，以長直導線中心為圓心，在半徑為r的圓周上有一個塑料環(huán)和一個鐵環(huán)，顯然其中磁場強度均為 ，4）磁場強度 ，單位為A/m。它與磁感

4、應強度的關系在一般的情況下可表示為 。需要注意的是，磁場強度本身并不代表磁場強弱。只有它與磁導率之積才能反映磁場的強弱。 第十二頁，共50頁。 能量轉(zhuǎn)換需要磁場 -磁場由電流產(chǎn)生磁場強弱與產(chǎn)生該磁場的電流是什么關系?由全電流定律來描述H-i 之間關系全電流定律（安培環(huán)路定律）第十三頁，共50頁。 安培環(huán)路定律：沿空間任意一條閉合回路，磁場強度 的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。注：若 與 符合右手螺旋關系，取正號，否則取負。其中大拇指所指為 的方向，四指為 方向。1）全電流定律一般形式第十四頁，共50頁。螺管線圈線圈 :作用在磁路上的安匝數(shù)稱為磁路磁動勢，用 表示，單位 A。2)電機

5、分析中常用的簡化形式的全電流定律下圖為均勻密繞螺管線圈，有第十五頁，共50頁。對于下圖的情況，在一般情況下，也可以近似地認為屬于均勻磁路，所以也可得下式。單線圈鐵心磁路第十六頁，共50頁。 帶氣隙的鐵心磁路 若磁回路中存在氣隙（分段均勻磁路）。 當氣隙長度 遠遠小于兩側(cè)的鐵心截面的邊長時，認為鐵心和氣隙中為均勻磁場，則 式中， 和 分別為鐵心和氣隙上的磁壓降，可見，作用在磁路上的總磁勢等于該磁路各段磁壓降之和。 討論1 磁路包含氣隙時的全電流定律第十七頁，共50頁。對于下圖所示鐵心上繞有匝數(shù)分別為 與 兩個繞組，分別通入電流 與 的情況，作用于磁路上的總磁動勢則為兩個線圈安匝數(shù)的代數(shù)和，于是多

6、線圈鐵心磁路討論2 磁路包含兩個線圈時的全電流定律第十八頁，共50頁。描述磁動勢與磁通之間關系的磁路歐姆定律，即，作用于磁路上的磁動勢等于磁阻乘以磁通。 由于 B=H 1）均勻磁路的歐姆定律0.5.3 磁路的歐姆定律與電感 得第十九頁，共50頁。 :磁路的磁阻，A/Wb :磁路的磁導，Wb/A思考：從磁路歐姆定律出發(fā)，磁路中磁通 的大小受哪些因數(shù)的影響？第二十頁，共50頁。其中 : 鐵心部分對應的磁阻 : 氣隙部分對應的磁阻 2）分段均勻磁路的歐姆定律: 鐵心中消耗的磁動勢: 氣隙中消耗的磁動勢第二十一頁，共50頁。思考：假設鐵心長度 與氣隙長度 比為1000/1；鐵心磁導率 與氣隙磁導率 比

7、為6000/1,那么線圈電流產(chǎn)生的磁動勢在鐵心中與氣隙中消耗的磁動勢是什么比值關系？第二十二頁，共50頁。兩邊同乘以線圈的匝數(shù) ，則等式左邊得到的是線圈的磁鏈 ：3)線圈的電感由于：所以得到電感與線圈匝數(shù)和磁路磁導的關系可見，電感與線圈匝數(shù)的平方成正比，與磁場介質(zhì)的磁導成正比。對于：第二十三頁，共50頁。 隨著鐵心磁路飽和的增加，鐵心磁導率 減小，相應的磁導、電抗也要減小。 電抗 隨著頻率 、匝數(shù) 、磁阻 的變化而變化。 4)交流線圈的電抗第二十四頁，共50頁。0.5.4 電磁感應定律1)電磁感應定律線圈感應電動勢 與磁通 的正方向之間符合右手螺旋關系。電磁感應定律可表示為： 電感為常數(shù)，對于

8、只有一個線圈的情況，得到我們所熟悉的公式 感應電勢的正方向第二十五頁，共50頁。2)關于公式 如上圖所示，利用右手定則，可得到注意點：a.該式要求導體 及其運動方向均與磁密 方向垂直，而且在導體長度上各點處的磁密相等。b.該公式經(jīng)常用于旋轉(zhuǎn)電機繞組感應電動勢的求解，但在運用時，也要注意（a）中的適用條件。 第二十六頁，共50頁。0.5.5 電機分析中常用其它物理定律1)磁通連續(xù)性定理磁通連續(xù)性原理示意圖第二十七頁，共50頁。2)電磁力定律 載流導體在磁場中要受到電磁力，若導體中電流為 ，導體長度為 ，導體所在處的磁通密度為 ，則電磁力為：當電流 的方向與磁密 的方向垂直時電磁力大小可寫為：注：

9、電磁力方向由左手定則決定第二十八頁，共50頁。3）三個電路定律 基爾霍夫電流定律：任意節(jié)點處電流代數(shù)和為零 即 （直流電路） 電路歐姆定律： （交流電路）第二十九頁，共50頁。 基爾霍夫電壓定律：任意回路電壓代數(shù)和為零第三十頁，共50頁。0.6 鐵磁材料及其特性鐵磁材料包括鐵、鎳、鈷以及它們的合金（其它材料稱之為非鐵磁材料）。將這些材料放入磁場后，材料內(nèi)的磁場會顯著增強。鐵磁材料在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，此想象稱為鐵磁材料的磁化。未磁化 磁化后第三十一頁，共50頁。0.6.1. 鐵磁材料具有增磁作用（有很高導磁能力） 上圖為同步電機轉(zhuǎn)子線圈電流）產(chǎn)生的磁場很弱（磁力線稀少）且分布在無限廣闊的空

10、間。 一旦轉(zhuǎn)子插入定子，定轉(zhuǎn)子磁路中的磁場大大增強，且磁通基本被約束在定子外圓以內(nèi)的范圍。思考：為什么？第三十二頁，共50頁。因為鐵磁材料的磁導率 要遠遠高于非鐵磁材料的磁導率 （非鐵磁材料的磁導率一般都可近似認為等于真空的磁導率 ， ）。通常 。那么，一定的線圈電流在鐵心磁路中激發(fā)的磁通比空氣磁路中磁通大得多。第三十三頁，共50頁。結(jié)論：鐵心具有增磁功能 。第三十四頁，共50頁。0.6.2 鐵磁材料具有磁飽和特性鐵磁材料的磁化曲線不是一條直線， 會隨鐵磁材料內(nèi)磁密 的變化而變化，當磁密達到點后，鐵磁材料內(nèi)磁密 呈現(xiàn)飽和想象，也就是說，此時磁場強 度繼續(xù)增加，鐵磁材料的磁導率 會迅速變小，磁密

11、 增加會越來越慢。第三十五頁，共50頁。舉例：飽和對鐵磁材料磁化的影響第三十六頁，共50頁。DW450-50的實際磁化曲線H（A/m）B (T)代號說明：D-電工鋼片，W-冷軋無取向，即各個方向磁導率相等，450-50在50Hz下鐵心損耗4.5W/kg,厚度為0.5mm。第三十七頁，共50頁。0.6.3 鐵磁材料具有磁滯特性鐵磁材料進行周期性磁化所反映的：磁密變化落后于磁場強度變化，通常在電機內(nèi)也可理解為磁通落后于激磁電流的現(xiàn)象，稱為磁滯現(xiàn)象。 第三十八頁，共50頁。不同最大磁場強度下磁滯回線及基本磁化曲線圖中黃色的曲線為該鐵磁材料的基本磁化曲線第三十九頁，共50頁。1）磁滯損耗 鐵磁材料的磁

12、滯效應可引起鐵磁材料發(fā)熱，也就是說磁滯會引起磁滯損耗。鐵磁材料置于交變磁場中時，材料被交變磁場反復磁化，引起磁疇的周期性轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動摩擦引起的損耗就是磁滯損耗 。第四十頁，共50頁。軟磁材料的磁滯回線硬磁材料的磁滯回線磁滯損耗與磁滯回線包圍的面積、磁通交變頻率 、鐵磁材料體積 成正比。 第四十一頁，共50頁。鐵心內(nèi)的交變磁通將感應電勢，進而在鐵心內(nèi)引起環(huán)流。這些環(huán)流通作渦流狀流動，稱為渦流。渦流引起的損耗，稱為渦流損耗。思考：如何盡量減小渦流損耗？2）渦流損耗第四十二頁，共50頁。當鐵心中磁通交變時，同時會產(chǎn)生磁滯損耗與渦流損耗。這兩部分損耗總稱為鐵心損耗。鐵心損耗通常用下式計算：3）交流鐵心的損耗第四十三頁，共50頁。1-鐵磁材料的磁化曲線2-空氣的磁化曲線3、4-帶氣隙的鐵心磁路的磁化曲線 (3 4)討論：氣隙存在對鐵心磁路的影響均勻磁路 曲線 曲線 及第四十四頁，共50頁。電 路磁 路電流 I A磁通： Wb電流密度 J A/m2磁通密度 B T=Wb/m2電動勢 E V磁動勢 F A電阻 磁阻 1/H電導 S 磁導 H基爾霍夫第一定律 磁路節(jié)點定律 基爾霍夫第二定律全電流定律電路歐姆定律磁路歐姆定律 總 結(jié)第四十五頁，共50頁。設鐵心