第1講電磁學(xué)基本知識1

第1講電磁學(xué)基本知識1課程成績分配比例總成績平時成績（30%）期末成績（60%）緒論實驗成績（10%）運動控制方向：電機學(xué)電力拖動技術(shù)電力電子技術(shù)直流調(diào)速技術(shù)交流調(diào)速技術(shù)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論單片機技術(shù)PLC技術(shù)過程控制方向：自動檢測技術(shù)智能儀表過程控制經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論單片機技術(shù)PLC技術(shù)計算機控制技術(shù)電力系統(tǒng)方向：電力電子技術(shù)及器件電氣控制與PLC技術(shù)電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)繼電保護電機學(xué)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)暫態(tài)計算機控制技術(shù)電磁測量第1章電機中的電磁學(xué)基本知識1.1電機的發(fā)展歷史磁路的基本知識磁場的基本知識電磁學(xué)的基本定律鐵磁材料小結(jié)1.1電機和電力拖動的發(fā)展簡況1．電機制造的理論基礎(chǔ)：電磁力和電磁感應(yīng)定律2．電能的優(yōu)點：經(jīng)濟、便宜、容易4．電機：電機是一種其工作原理基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律之上，實現(xiàn)電能特性轉(zhuǎn)換或機電能量變換的機械。1.1電機和電力拖動的發(fā)展簡況什么是特性變換？3．電力拖動：人力、畜力、風(fēng)力蒸汽機、內(nèi)燃機電動機發(fā)電機電機分類電動機變壓器控制電機5．電機的應(yīng)用和分類:(1)電機按其功能來看直流電機電機分類交流電機靜止電機旋轉(zhuǎn)電機電機分類(2)對于電機的分類框圖：各組成部分及相互關(guān)系如下：電動機傳動機構(gòu)生產(chǎn)負(fù)載控制設(shè)備電源6．電力拖動系統(tǒng)：課程性質(zhì)：具有基礎(chǔ)性和專業(yè)性，是學(xué)好后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)專業(yè)課。主要內(nèi)容：各種電機的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)、運行特性及分析法。二、課程學(xué)習(xí)特點：前程后續(xù)關(guān)系：前導(dǎo)課：大學(xué)物理、電路、電子技術(shù)，后續(xù)課程：電力電子技術(shù)、控制電機、電力拖動系統(tǒng)、交流調(diào)速等。課程學(xué)習(xí)主線：直流電機拖動電機與電力拖動基礎(chǔ)交流電機異步電機拖動直流電機直流電機交流電機變壓器注意抓住課程學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征：一、對于電機學(xué)部分1、電機的結(jié)構(gòu)和工作原理2、電機的工作特性（空載特性、外特性）二、對于電力拖動部分1、牢牢抓住電動機的機械特性2、注意電動機的起動、調(diào)速、制動三種情況的特性三、注意直流電機---變壓器---交流電機的過渡電路與磁路

對于電路系統(tǒng)來說，在電動勢E的作用下，電流I從E的正極通過導(dǎo)體流向負(fù)極?？梢?，構(gòu)成一個完整的電路系統(tǒng)需要電動勢、電導(dǎo)體，并應(yīng)可以形成電流。磁路的基本知識在磁路系統(tǒng)中，也有一個磁動勢F（類似于電路中的電動勢），在F的作用下產(chǎn)生一個磁通Φ（類似于電路中的電流），Φ從磁動勢的N極到S極（南極），經(jīng)過的通路稱為磁路。由于空氣磁阻比鐵磁材料磁阻大幾千倍，因此由鐵磁材料構(gòu)成的磁路中的磁通Φ稱為主磁通，而非鐵磁物質(zhì)中的磁通Φδ常被稱為漏磁通。圖1-1幾種常用電器的典型磁路（a）普通變壓器磁路；（b）電磁繼電器常用磁路；（c）電機磁路電機中的磁路

磁路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電器設(shè)備之中，如變壓器、電機、繼電器等。圖1-2磁動勢的產(chǎn)生和磁路歐姆定律磁路主磁通漏磁通勵磁電流勵磁線圈電氣設(shè)備中磁動勢的產(chǎn)生

磁場的基本知識

磁感應(yīng)強度B(單位T，特，1T=1Wb/m2)

描述磁場強弱及方向的物理量稱為磁感應(yīng)強度（磁通密度）B。圖1-3電流磁場中的磁力線（a）直線電流；（b）螺線管電流

磁通Φ（Wb）

穿過某一截面S的磁感應(yīng)強度B的通量，即穿過截面S的磁力線根數(shù)稱為磁感應(yīng)通量，用Φ表示。

均勻磁場（1-2）（1-1）圖1-4均勻磁場中的磁通磁場強度H（A/m）

計算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場時，引入輔助物理量磁場強度H，它與磁密B的關(guān)系為

B=μH （1-3）

μ為磁導(dǎo)率

電磁學(xué)的基本定律

安培環(huán)路定律（全電流定律）

在磁場中，沿任意一個閉合磁回路的磁場強度線積分等于該回路所交鏈的所有電流的代數(shù)和，該定律稱為全電流定律，表示為（1-4）圖1-5安培環(huán)路定律與磁力線（閉合回線）符合右手螺旋關(guān)系的電流取正號，反之取負(fù)號。電磁感應(yīng)定律

當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場（磁通）中時，導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電（動）勢，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電勢與磁通符合右手螺旋關(guān)系時，這個感應(yīng)電勢的大小與磁通隨時間的變化率的負(fù)值成正比，這就是電磁感應(yīng)定律。例如，匝數(shù)為N的線圈所交鏈的磁通為Φ，當(dāng)該磁通隨時間發(fā)生變化時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為（1-5）在電機學(xué)中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象包括變壓器電動勢（感應(yīng)電動勢）和切割電動勢。圖1-6變壓器電動勢1.變壓器電動勢（1-6）感應(yīng)電動勢其表達式如下：（1-7）2.切割電動勢

切割電動勢是由于線圈（或?qū)w）和磁場之間存在相對運動，使線圈中的磁通發(fā)生變化而產(chǎn)生的電動勢，因此稱之為切割電動勢。如果線圈（或?qū)w）所處的磁通密度B為均勻磁密，則導(dǎo)體中電動勢值的計算公式為

e=B×v×l

（1-8）

切割電動勢方向的判定依據(jù)（右手定則）：圖1-7確定切割電動勢方向的右手定則電磁力定律

載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，這種力是磁場與電流相互作用所產(chǎn)生的，故稱為電磁力。若磁場與導(dǎo)體相互垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力為

f=B×i×l （1-9）圖1-8確定載流導(dǎo)體受力方向的左手定則

電磁力方向的確定的依據(jù)（左手定則）：磁路歐姆定律

假設(shè)磁通全部通過鐵芯，并且認(rèn)為磁路上的磁場強度H處處相等。于是，根據(jù)全電流定律有（1-10）由于可得（1-11）式中，F(xiàn)=Ni為磁動勢，為磁阻，為磁導(dǎo)。磁路基爾霍夫第一定律

在磁路任何一個節(jié)點處，磁通的代數(shù)和恒等于零，即

∑Φ=0 （1-12）圖1-9磁路基爾霍夫第一定律磁路基爾霍夫第一定律表明，進入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。磁路基爾霍夫第二定律

沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁位降的總和，稱為磁路基爾霍夫第二定律，即（1-13）上式也可以理解為：消耗在任一閉合磁回路上的磁動勢，等于該磁路所交鏈的全部電流。

鐵磁材料

鐵磁材料一般是由鐵或鐵與鈷、鎢、鎳、鋁及其他金屬的合金構(gòu)成的。圖1-11鐵磁材料的磁化（a）未磁化；（b）磁化

鐵磁材料的磁化

鐵磁材料是由許許多多的磁疇構(gòu)成的。在未磁化時，所有磁疇擺列雜亂，因此材料對外不顯磁性。當(dāng)外部磁場施加到這一材料上時，磁疇就會沿施加的磁場方向轉(zhuǎn)向，所有的磁疇平行，鐵磁材料對外表現(xiàn)出磁性。當(dāng)磁疇不再能使磁通密度B增加，材料完全飽和。起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線

將鐵磁材料進行磁化，當(dāng)磁場強度由零逐漸增大時，磁通密度將隨之增大，用B=f（H）描述的曲線稱為鐵磁材料的起始磁化曲線，如圖1-12所示。圖1-12起始磁化曲線通常把鐵芯內(nèi)的工作點磁通密度選擇在膝點附近。跗點膝點飽和點圖1-13鐵磁材料的磁化特性磁滯現(xiàn)象的B-H閉合回線稱為磁滯回線。矯頑力剩磁鐵磁材料具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強度H變化的現(xiàn)象叫做磁滯。對于同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度可得出不同的磁滯回線，將各條磁滯回線的頂點連接起來，所得的曲線稱為基本磁化曲線（或平均磁化曲線）。圖1-14基本磁化曲線軟磁材料和硬磁材料

磁滯回線較窄，屬于軟磁材料，多用來制作電機、變壓器的鐵芯。

磁滯回線較寬，屬于硬磁材料，主要用來制作永久磁鐵。鐵磁材料在交變磁場的作用下反復(fù)磁化的過程中，磁疇之間不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯回線面積越大，則損耗越大。磁滯損耗和渦流損耗

1.磁滯損耗

磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于鐵磁材料中的磁疇在外磁場作用下發(fā)生移動和倒轉(zhuǎn)，彼此之間產(chǎn)生“摩擦”，由于這種“摩擦”的存在，當(dāng)外磁場停止作用后，磁疇與外磁場方向一致，不能恢復(fù)原狀，從而形成了磁滯現(xiàn)象和剩磁。2.渦流損耗

當(dāng)通過鐵芯的磁通發(fā)生交變時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通呈旋渦狀流動，稱為渦流。渦流在鐵芯中引起的損耗稱為渦流損耗。圖1-16一片硅鋼片中的渦流

在電機和變壓器中，通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起，稱為鐵芯損耗，簡稱鐵耗。用表示。 小結(jié)

1、電機學(xué)中遇到的電磁學(xué)的基本知識和基本定律；3、鐵磁材料的損耗指磁滯損耗和渦流損耗，與磁通量、工作頻率、材料成分和所采用的制造工藝有關(guān)。2、鐵磁材料的基本知識。一般而言，鐵磁材料的特性為非線性，而其B-H特性常常以磁滯回線的形式表示。需要重點掌握的知識點：

1.起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線的特點

鐵磁材料磁