電機(jī)與拖動基礎(chǔ)1

預(yù)備知識研究電機(jī)時常用的基本概念和定律1-11.1磁路的基本概念1.2電機(jī)中常用的基本定律1.3電機(jī)中鐵磁材料及其特點(diǎn)小結(jié)2/5/20231.1磁路的基本概念1-2磁場是實(shí)現(xiàn):電能→機(jī)械能;機(jī)械能→電能.轉(zhuǎn)換的耦合介質(zhì),所以其強(qiáng)度的大小和分布決定了電動機(jī)的性能,也代表了電動機(jī)的性能.由于鐵磁材料和氣隙的并存難用麥克斯韋爾方程求解.所以常把磁場問題簡化為磁路問題處理.

2/5/20231.1磁路的基本概念1磁感應(yīng)強(qiáng)度B：（磁通密度）

表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向（矢量）

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。均勻磁場:各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強(qiáng)磁場。單位:特[斯拉](T)1-3磁場的幾個常用量2/5/20232磁通

（磁通量）磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或B=/S

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1-42/5/20233磁場強(qiáng)度H磁場強(qiáng)度H：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)1-52/5/2023真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：4磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）1-62/5/2023

任意選定一個閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負(fù)。

式中：是磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；I

是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：1.安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI2安培環(huán)路定律將電流與磁場強(qiáng)度聯(lián)系起來。

在均勻磁場中

Hl=IN1-71.2電機(jī)中常用的基本定律

2/5/20232.電磁感應(yīng)定律：定義：無論何種原因使得與閉合線圈交鏈的磁鏈ψ隨著時間t變化時，線圈中將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e運(yùn)動電動勢變壓器電動勢1-8切割（運(yùn)動）電動勢：指導(dǎo)體與磁場有相當(dāng)運(yùn)動，導(dǎo)體切割磁力線時導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。此時的e叫做切割電動勢e=Blv,方向由右手定則判定。變壓器電動勢：指線圈不動，穿過線圈的磁通Ф發(fā)生變化，這樣在線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與線圈的匝數(shù)和磁通變化率成正比，方向由楞次定律決定（右手螺旋法）電磁感應(yīng)：變化的磁場會產(chǎn)生電場，使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。2/5/20233.磁路歐姆定律磁路中的磁通與磁勢成正比，與磁阻成反比，即磁通

=F/Rm1-9上式中，Rm——磁路的總磁阻，1/HF——磁動勢

線圈中有電流I，線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，磁場強(qiáng)弱取決于線圈匝數(shù)N和電流I的乘積IN，該乘積就叫磁動勢F2/5/20234.磁路的基爾霍夫第一定律

任何磁路中，流進(jìn)節(jié)點(diǎn)的磁通代數(shù)和為零1-10在磁路(magneticcircuit)中根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：穿入任一閉合面的磁通必等于穿出該閉合面的磁通，即磁路中通過任何閉合面上的磁通的代數(shù)和等于零，則有2/5/20235.磁路的基爾霍夫第二定律

在閉合磁回路中，磁路各段磁壓降的代數(shù)和等于作用于該磁路上的磁動勢之和。1-11上式中，H——磁場強(qiáng)度，A/m；

L——各段磁路的長度，m；

N——線積分線路所包圍的導(dǎo)體數(shù)；

I——每根導(dǎo)體所流過的電流，A。Rm——磁路的總磁阻，1/HF——磁動勢2/5/2023圖1磁路的基爾霍夫第二定律5.磁路的基爾霍夫第二定律2/5/20236.電磁力定律：

載流導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用，方向：用左手定則判定。

f=Bil

在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，作用在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個力矩，我們稱之為電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要物理量。1-132/5/20237.電路定律：1）歐姆定律：u=iR2)基爾霍夫第一定律（電流定律）：∑i=03)基爾霍夫第二定律（電壓定律）：在電路中，對任一回路，沿回路環(huán)繞一周，回路內(nèi)所有電動勢的代數(shù)和等于所有電壓降的代數(shù)和，即：

∑e=∑u1-142/5/2023

8.能量守恒定律：物理中的能量守恒定律在這里同樣使用，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，

1-152/5/2023磁路和電路的類比和區(qū)別注意：盡管磁路和電路在物理量和基本定律上有一一對應(yīng)的關(guān)系，但是，磁路和電路仍有本質(zhì)的區(qū)別：1）電路中可以有電動勢而無電流，磁路中有磁動勢必有磁通2）電路中有電流就有功率損耗，而在恒磁通下，磁路中無損耗(直流磁路中有磁通但鐵心中沒有損耗)3）電流只在導(dǎo)體中流過，而磁路中除了主磁通外還必須考慮到漏磁通的影響(磁路中磁通沒有絕磁體，磁通在除鐵心中外在周圍空氣中也有漏磁通)4）電路中電阻率在一定溫度下恒定不變，而由于鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，磁導(dǎo)率是隨著磁密而變化的，所以磁導(dǎo)率不是一個常數(shù)（隨鐵心的飽和程度變化）5）線性電路中滿足疊加原理；而鐵心中不能用疊加原理1-162/5/20231.3電機(jī)中鐵磁材料及其特點(diǎn)

電機(jī)主要由兩大系統(tǒng)組成：電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)。鐵磁材料是組成磁路的主要部分。

所謂鐵磁材料是指導(dǎo)磁性能好的材料，如：鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。1-17電機(jī)主要組成系統(tǒng)2/5/20231.3.1鐵磁材料的磁化1-18鐵磁材料：鐵，鎳，鈷等及其它們的合金。磁化：鐵磁材料能在外磁場中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，這種現(xiàn)象叫磁化。磁化是鐵磁材料的特性之一。關(guān)鍵是磁疇。見右圖圖b磁化圖a未磁化2/5/20231.3.1鐵磁材料的磁化

鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率μ0大得多（μ>>μ0），非鐵磁材料磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率μ0

（μ0=4π×10-7H/m）。電機(jī)中常用的鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ=（2000~6000）μ0

。1-192/5/20231.3.2磁化曲線magnetizationcurve

在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場強(qiáng)度H之間呈線性關(guān)系，即B=μ0H。

對于鐵磁材料，磁導(dǎo)率μ除了比μ0大得多以外，還與磁場強(qiáng)度以及物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)。

在工程計算時，事先將各種鐵磁材料用試驗(yàn)的方法，測得它們在不同磁場強(qiáng)度H下對應(yīng)的磁通密度B，繪制成B-H曲線，這條B-H曲線，就稱為磁化曲線。將未經(jīng)磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，磁場強(qiáng)度H由零增大時，磁通密度B隨之增大，所得的B=?（H）曲線稱為起始磁化曲線。1-202/5/2023

非鐵磁材料中,磁密B和磁場強(qiáng)度H之間為線性關(guān)系.鐵磁材料磁密B和磁場強(qiáng)度H之間為非線性關(guān)系.見圖1-7磁化曲線見圖1-7鐵磁材料的起始磁化曲線和曲線B0Habcd各種電機(jī)和變壓器的主磁路中,為獲得較大的磁通量,又不過分增加磁勢,一般是選擇在b點(diǎn)(也叫膝點(diǎn))1-212/5/2023分析磁化曲線從圖中可見，曲線分四段

在oa段：當(dāng)H增大→B增大，但B增大速度較慢；

在bc段：B隨H增大的速度又較慢；

在cd段：為磁飽和區(qū)（又呈直線段）。其中，a點(diǎn)稱為跗點(diǎn)；拐彎點(diǎn)b稱為膝點(diǎn)；c點(diǎn)為飽和點(diǎn)。

過了飽和點(diǎn)c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近μ0。

在ab段：當(dāng)H增大→B增大，B增大速度快；1-222/5/20231.3.3磁滯回線hysteresisloop

鐵磁材料被反復(fù)磁化時，B和H之間的變化關(guān)系不是單值的，B-H曲線是一條磁滯回線。1-23圖1-8鐵磁材料磁滯回線BHfOcabde磁滯：B變化落后于H變化的現(xiàn)象磁滯回線：呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的回線Br稱為剩磁

：(剩余磁通密度)

當(dāng)H=0時，B≠0，B=BrHc稱為矯頑力：

當(dāng)B=0時，H≠0，H=Hc2/5/2023對于同一種鐵磁材料選則不同的磁場強(qiáng)度Hm進(jìn)行反復(fù)磁化時，可測出一系列大小不同的磁滯回線，見圖1-9，將各個頂點(diǎn)連接起來,所得的曲線叫基本磁化曲線或平均磁化曲線。1.3.4基本磁化曲線

圖1-9基本磁化曲線BHO1-242/5/2023

1.3.5鐵磁材料1.軟磁材料

回線窄,剩磁和矯頑小的材料.如:硅鋼片,鑄鐵,鑄鋼等，多用于做電機(jī)2.硬磁材料

回線寬,剩磁和矯頑大的材料.如:鋁,鎳,鈷等.做永久磁鐵圖1-11硬磁材料

BHO圖1-11軟磁材料BHO根據(jù)磁滯回線形狀的不同，鐵磁材料可分為硬磁材料和軟磁材料。1-252/5/2023不同的鐵磁物質(zhì)其磁滯回線寬窄是不同的，當(dāng)鐵磁材料的磁滯回線較窄時，可用它的平均磁化曲線，即基本磁化曲線進(jìn)行計算（如圖中的曲線3所示）。由于電機(jī)鐵芯采用軟磁材料制成，其磁滯回線瘦窄，在進(jìn)行磁路計算時，為了簡化計算，不考慮磁滯現(xiàn)象，而用基本磁化曲線來表示B與H之間的關(guān)系，故通常所講的鐵磁材料的磁化曲線是指基本磁化曲線。說明1-262/5/20231.3.6鐵磁材料的特點(diǎn)鐵磁材料具有如下特點(diǎn)：1)高導(dǎo)磁性鐵磁材料（如鐵，鎳，鈷等）的磁導(dǎo)率μ要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率μ0大得多（幾千到幾萬倍）2)

飽和性它的磁化曲線具有飽和性，3)

磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)與物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)且隨B的變化而變化。1-272/5/20231.3.7交流磁路中的鐵心損耗

交流磁路中存在鐵芯損耗，鐵芯損耗又分為磁滯損耗和渦流損耗。1.磁滯損耗hysteresisloss

鐵磁材料在交變的磁場中反復(fù)磁化，磁疇間相互摩擦消耗能量變成熱量，產(chǎn)生損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗與交變磁場的頻率f、鐵芯的體積V、磁滯回線的面積成正比。磁滯損耗功率可用下式表示：式中kh——磁滯損耗系數(shù)，它的大小取決于材料性質(zhì)；對一般電工硅鋼片n=1.6～2.3；f——磁通交變頻率；Bm——磁通密度的最大值。1-28或2/5/20232.渦流損耗eddy-currentloss

鐵芯是有阻值的，當(dāng)磁通交變時，鐵芯中就會感應(yīng)交變的電勢，在導(dǎo)電的鐵芯中就會產(chǎn)生環(huán)流，這種電流在鐵芯構(gòu)成的回路與磁通相環(huán)鏈，故稱渦流，渦流產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。

渦流損耗與磁場頻率f、磁通密度Bm和硅鋼片的厚度成正比，與鐵芯的電阻率成反比。

渦流損耗功率可用下式表示：1-29圖1-12硅鋼片中的渦流2/5/20233.鐵芯損耗coreloss

鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗之合稱為鐵芯損耗，即有：1