船舶电气设备及系统-大连海事大学第01章电与磁

船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室第1章电与磁§1.1磁场的基本概念与基本物理量§1.2磁路及其基本定律§1.3电流在磁场中的力效应§1.4电磁感应船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁场的基本物理量和磁路的基本定律是学习船舶的基础，在了解磁感应强度、磁场强度、磁通等概念的基础上，进一步了解铁磁材料的高导磁性、磁饱和性和磁滞性及其应用。本章重点船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁场§1.1磁场的基本概念与基本物理量1.1.1磁场的基本概念电流的磁效应磁力线船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁通1.1.2磁场的基本物理量dtdNeΦ-国际制单位制(SI):伏.秒，称韦伯(Wb)1Wb=108MxΦ-电磁单位制:麦克斯韦(Mx)磁通是一个矢量，其方向与该处的磁场方向一致。磁通的定义是磁感应强度（假设磁场为均匀磁场）与垂直于磁场方向的面积的乘积，磁通Φ是穿过某一截面S的磁力线总数。BS船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）SB磁感应强度IlFBI单位：安培(A)F单位：牛顿(N)l单位：米(m)B-国际制单位制(SI):Wb/m2，称为特斯拉(T)B-电磁单位制:高斯(Gs)1T=104Gs磁感应强度表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量为一矢量，若磁场内各点B大小相等、方向相同，则为均匀磁场。对非均匀磁场，B为S内的平均值，也称磁通密度。测量船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量，为矢量，用来确定磁场与电流之间的关系，其大小为磁感应强度和导磁率之比。BHB单位：特斯拉单位：安/米单位：亨/米船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室IHdl物理学安培环路定律典型无分支闭合磁路INIaHlHHdllll4lINa4INHlIN为电流与线圈匝数的乘积，称为磁动势，用字F表示INF磁动势的单位是安培(A)。Hl磁压降船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁导率表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）70104真空中的磁导率()为常数0一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率r船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室0r1r，则称为磁性材料1r，则称为非磁性材料船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室在工程上,物质按其磁性划分为两类,即铁磁材料(或叫磁性材料)和非铁磁材料。铁磁材料主要是指铁、钴、镍及其合金。1.1.3铁磁材料的磁性能船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室铁磁材料的磁导率0。将铁磁材料放入电流磁场中，它将被磁化而产生很强的附加磁场。因此可用较小的励磁电流产生足够大的磁感应强度和磁通。1)高导磁性磁畴磁化船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室c点以后为饱和段（饱和电抗器）2)磁饱和特性B-H曲线,或称磁化曲线,可通过实验获得。B—H磁化曲线与μ—H曲线磁化曲线大致可分成三段:ab段为非饱和段（线性电抗器）bc段为半饱和段（普通电机、变压器的铁心）船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室如果励磁线圈中通入交变励磁电流,对铁心进行反复磁化,磁感应强度的大小和方向的变化总是滞后于磁场强度的变化,这种特性称为磁滞特性.3)磁滞性磁滞回线为消除剩磁所加的反向磁场强度值Hc称为矫顽力。当断开励磁电流(H=0)后,磁感应强度仍不为零的现象,称为剩磁特性。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室铁磁材料的类型分为典型的三种类型:1.软磁材料:矫顽力小,磁滞回线狭窄.如铸铁、铸钢、纯铁、硅钢、坡莫合金和铁氧体等材料。电机、变压器等电器的铁心采用软磁材料。磁化曲线a-铸铁；b-铸钢；c-硅钢片船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室剩磁很大,磁滞回线形状近似矩形.在自动控制系统用做记忆元件、开关元件和逻辑元件的磁心材料.常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等.2.硬磁材料:矫顽力、剩磁均较大,磁滞回线宽.一般用来制造永久磁铁.如钨钢、钴钢及铁镍铝钴合金等.3.矩磁材料:船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁路：磁通所经过的特定的路径。直流电机交流接触器继电器变压器§1.2磁路及其基本定律船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室1)磁路的欧姆定律设变压器由单一铁心构成的均匀磁路Hl=I=IN∵H=B/=/（S）mRFSlIN∴磁动势F=IN磁阻SlRm磁路欧姆定律船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室2)磁路的基尔霍夫磁流定律21对于有分支的磁路,进入封闭面磁通的代数和等于零(磁通的连续性),即∑Φ=0船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁路有气隙或由不同材料不同截面的路段所组成的单一闭合磁路,称为串联磁路。INlHlHlH0022113)磁路的基尔霍夫磁压定律HllHlHlHINnn2211船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室021000222111mmmRRRFSlSlSlIN船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室磁路电路磁通ΦINR+_EI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIU船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室基本定律mRF磁阻SlRm磁感应强度SΦB安培环路定律HLNI0磁路IN欧姆定律电阻电流强度克氏电压定律克氏电流定律0IUEREISlRSIJ电路R+_EI船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室§1.3电流在磁场中的力效应载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，称为电流在磁场中的力效应。这个力叫做电磁力，用字母F表示。(a)(b)(c)电流和磁场间的作用力的关系电磁作用力的大小sinBlIF船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室电磁力的方向——左手定则磁场对载流导体的作用力(左手定则)船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室1.4电磁感应电磁感应现象有两种表现形式:当穿过线圈的磁通发生变化时，在线圈内产生感应电动势。当运动的导体切割磁力线时，在导体内产生感应电动势。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室直导体中的感应电动势(a)(b)运动的导体在磁场中的感应电势与右手定则Blve船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室线圈中的感应电动势线圈的感应电势感应电动势方向的确定船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室dtdNedtdNeL感应电动势的大小等于线圈的匝数与磁通变化率的乘积。感应电动势的方向由楞次定律得出：感应电动势的方向总是使得其感应电流产生的磁通来阻止原有磁通的变化。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室自感当通过线圈的电流发生变化时，则由该电流所产生的、穿过线圈的磁通也发生变化，从而使线圈本身产生自感电动势，这种现象称为自感现象，这种感应电动势称为自感电动势。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室dtddtdNdtdNeLΨ=NΦ，称为磁链iNLdtdiLdt)Li(ddtdNdtdeL自感电动势dtdiLeuLL定义为自感系数电感元件两端的电压规定电压与电流的正方向一致，即电动势正方向一致。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室一单层密绕螺线管的自感系数:线圈长L,截面积S,绕组的总匝数为N.可以看出:螺线管自感系数L正比于它的体积和单位长度内匝数的平方N2。(忽略端点效应)管内磁感应强度:NiHBSNiNiSNiNBSiNL2船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室电流、电压和电动势的正方向日光灯电路在生产实践中，常遇到自感现象；其有利（日光灯）有弊（电机断电易烧坏接触器触点）。实践中应扬长避短。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室铁心线圈电路ΦΦ：主磁通：漏磁通uΦΦLeeidtdtLdtdNedtdNe)iN(iu常数iNL船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室iReeu'uuuedtdiLiReeiRuRtfNtNedttddtdNemmcos2cossin假设tΦΦmsinΦΦ：主磁通：漏磁通uΦΦLeei0eeiRu船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室mmmfN44.42fN22EE90tE90tsinEeumm'euu'mfN44.4EU（线圈电阻R和感抗Xσ较小忽略）船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室功率损耗与涡流磁滞损耗(ΔPh)：当铁磁体被反复磁化时,由于磁滞原因而引起的功率损耗。（克服剩磁所消耗的能量）为减小磁滞损耗,应选用磁滞回线面积小的软磁材料做电机、电器的铁心.除线圈电阻上的功率损耗(铜损)外，还有铁损。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室为减少涡流,铁心通常用相互绝缘的钢片叠制而成。涡流损耗(ΔPe)：当铁心中磁通发生变化时,在铁心内引起感应电动势和电流(即涡流)。由于涡流在铁心中造成的功率损耗。(电磁炉利用这一特点)磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损(ΔPFe)ΔPFe=ΔPh+ΔPe船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分电磁铁船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室电磁吸力电磁吸力的大小与经过气隙进入衔铁的磁力线的多少及其分布有关,它与气隙的磁通或磁密B0的平方成正比,与气隙截面S0成正比。电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室2000200400000/5.0BSBSF2/)2cos1(/sin5.00220tFtBSfmm交流电磁铁的瞬时电磁吸力为直流电磁铁的电磁吸力为采用短路环船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室IUΦ直流励磁线圈电路的特点mmRINRFRUI（R为线圈的电阻）直流电磁铁船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室直流电磁铁U一定I一定磁动势F=IN一定)(mRFΦ磁通和磁阻成反比（线圈中没有反电动势）IUΦ船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室交流励磁线圈电路的特点uΦΦLeei交流电磁铁交流激励线圈中产生感应电势船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室uΦΦLeei交流电磁铁电路方程：dtdΦNRieeuulR)()(Φ的感应电势和产生Φ一般情况下很小RudtΦdNu船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室假设tΦmsin则)90sin(2cos0tfNΦtNΦummdtΦdNuuΦΦLeei船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室有效值mmfNΦUU44.42相量mfNjEE44.490.船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室交流磁路中磁阻Rm对电流的影响电磁铁吸合过程的分析：在吸合过程中若外加电压不变,则Φ基本不变。iuΦ船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室mRΦIN小电流小电磁铁吸合后(气隙小）mRmR大起动电流大电磁铁吸合前(气隙大）注意：如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。船舶电气设备及系统课件轮机学院电气及自动化教研室RUI(U不变，I不变）mRINΦmΦRIN(I随Rm变化）fNUΦm44.4mΦ（U不变时，基本不