电机学-磁路.

第一章磁路第一章磁路►本章重点(1)磁路的概念(2)磁路基本定律：安培环路定律，磁路欧姆定律，磁路基尔霍夫定律(3)基本电磁定律：电磁感应定律，电磁力定律(4)磁路计算►本章难点(1)铁磁物质的磁化曲线及应用(2)磁动势、磁场强度概念第一章磁路第一章磁路1.1磁路的基本定律1.2常用铁磁材料及其特性1.3磁路计算第一章磁路1.1磁路的基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i一.磁路的概念工程上，为得到较强磁场，广泛利用铁磁物质，在电机、变压器等设备中应用铁磁物质制成一定形状，人为的构成磁通的路径，使磁场主要在这部分空间内分布，这种磁通所通过的路径称之为磁路。第一章磁路引入磁路的概念，就把分布在整个空间的磁场问题，简化为局限在一定范围内的磁路问题。由于铁心的导磁性比空气好得多，所以绝大部分磁通在铁心中通过，这部分磁通称为主磁通。经过空气隙闭合的磁路为漏磁通。用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈，其电流称为励磁电流（或激磁电流）。用直流励磁磁路中磁通恒定直流磁路直流电机用交流励磁磁路中磁通交变交流磁路变压器感应电机第一章磁路二、磁路的基本定律1、安培环路定律(全电流定律)在磁场中沿任一闭合路径L，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的总电流，即i方向和L参考方向符合右手法则。安培环路定律若沿L，磁场强度H处处相等，则：H۰L=N۰iN۰i为安匝数，表征磁势的大小。第一章磁路2、磁路的欧姆定律不分支磁路的磁通等于作用于该磁路的磁势与磁阻之比，即为磁路欧姆定律。由以下式子推导：1lANiBdABABHNiHlmFRRm为磁阻，磁路截面愈大，路径愈长，磁阻愈大。类似于电阻，但本质不同。F=N*i为作用在铁心磁路上的安匝数，称为磁路的磁动势。a)无分支铁心磁路b)模拟电路图FФRmiNlA第一章磁路3、磁路的基尔霍夫第一定律对于有分支磁路，任意取一闭合面A，由磁通连续性原则，穿过闭合面的磁通代数和为0，即∑Ф=0，该定律称为磁路的基尔霍夫第一定律。对于下图，Ф3=Ф1+Ф2闭合面i1i2Φ1Φ2Φ3l1l3l2第一章磁路沿任何闭合磁路的总磁动势等于各段磁压降的代数和。该定律称为磁路的基尔霍夫第二定律。例：如右图，磁路由三段组成，两段为截面积不同的铁磁材料，一段为空气，磁动势为NI，则应用磁路的基尔霍夫第二定律有：背景:磁路计算时，总把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，磁场强度亦处处相等。4、磁路的基尔霍夫第二定律第一章磁路闭合面i1i2Φ1Φ2Φ3l1l3l2F1－F2=∮Hdl=∮Hdl=H1l1－H2l2磁位差UmUm=HlUm=F第一章磁路5、电路与磁路的区别(1)电路中有电流就有功率损耗。磁路中恒定磁通下没有功率损耗；(2)电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝缘体；(3)对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路饱和时为非线性，不能应用叠加原理。可见，磁路与电路仅是形式上的类似，而本质是不同的。第一章磁路三、基本电磁定律2、电磁力定律方向由左手定则判定(电动机准则)。1、电磁感应定律方向由右手定则判定(发电机准则)。为实验定律（也称楞次定律）。第一章磁路1.2常用铁磁材料及其特性按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质≈0(1)顺磁物质（如空气）：略大于0。(2)反磁物质（如铜）：略小于0。1.高导磁性※铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0玻莫合金：比0大几万倍。0第一章磁路磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器和电机中。磁畴：在铁磁材料内，由于自发磁化作用，某一区域内的所有原子磁矩都按一定的规则排列，这一区域称为磁畴。第一章磁路起始磁化曲线BHO2.磁饱和性B=H（≠常数）起始磁化曲线B=f(H)在一块未磁化的铁磁材料上绕上线圈，通入电流，从零开始逐渐增大，则铁磁物质中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的电流（不同的H）下的B值。可逐点描绘出B-H曲线。即为起始磁化曲线。第一章磁路3.磁滞性-磁滞回线BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线若对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如图。形成一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。B的变化总是滞后于H的变化，称为磁滞现象。第一章磁路(1)硬磁物质B－H曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。(2)软磁物质B－H曲线窄，Br小、Hc小。用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质B－H曲线形状接近矩形，Br大、Hc小。用于计算机中，作记忆单元。按磁滞回线的不同，磁性物质可分为第一章磁路4.基本磁化曲线基本磁化曲线HBoa跗点b膝点c饱和点B-Hdμ-H对同一铁磁材料，选用不同的Hm进行反复磁化，可得到大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来，即为基本磁化曲线。第一章磁路5.铁心损耗(1)磁滞损耗在铁芯被交变磁化过程中，铁芯内磁畴来回翻转，互相摩擦，一方面使得磁通的变化落后于磁势的变化，出现磁滞现象。另一方面，这些磁畴翻转摩擦使得铁芯发热，消耗电源有功功率，称为磁滞损耗。Ph=ChfBnmVCh为磁滞损耗系数，取决于材料性质；对一般电工硅钢片：n=1.6-2.3第一章磁路(2)涡流损耗铁芯内的磁通交变时，铁芯本身就感应出电势，该电势在铁芯内形成漩涡状电流，称为涡流。涡流经过的“路”具有一定的电阻，使铁芯发热，其消耗电源功率，称为涡流损耗。Pe=CeΔ2f2B2mVCe为涡流损耗系数，取决于材料电阻率；Δ为电工硅钢片厚度。Φ第一章磁路(3)交变磁场中，由于存在磁滞效应，涡流效应等，引起损耗功率，在电机、变压器中称为铁耗。Φ铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法：①使用软磁材料减小Ph。②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗。③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗。涡流损耗(b)0.35mm0.30mm0.27mm0.22mm第一章磁路1.3磁路计算1.直流磁路ΦΦ励磁U＋U－I→I→NI→URI=线圈的功率：P=RI2电压与电流的关系:第一章磁路2.交流磁路(1)电磁关系励磁：u＋u－iΦeΦe→i→Ni→Φ→e→eddt=－Ndidt=－Lddt=－Nu=Ri－e－e第一章磁路【例题】图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2=0.5cm，l1=30cm，l2=12cm，A0=A1=4*4cm2，A2=8cm2。线圈中的电流为直流电流。今要求在空气隙处的磁感应强度达到B0=1T，问需要多大的磁通势？忽略边缘效应。解：(1)磁路中的磁通=B0A0=1×0.0016Wb=0.0016Wb(2)各段磁路磁感应强度B0=1TB1==T=1TA10.00160.0016A1A2l1l2l0/2II第一章磁路B2==T=2TA20.00160.0008A1A2l1l2l0/2II(3)各段磁路的磁场强度由磁化曲线查得：H1=9.2A/cmH2=14A/cmH0==A/mB0014×10－7=796000A/m=7960A/cm第一章磁路(4)各段磁路的磁位差Um0=H0l0=7960×1A=7960AUm1=H1l1=9.2×30A=276AUm2=H2l2=14×12A=168A(5)磁通势F=Um0＋Um2＋Um2=(7960＋276＋168)A=8404AA1A2l1l2l0/2II第一章磁路总结：给定磁通，计算所需的励磁磁动势，计算步骤如下：（1）将磁路按材料性质和不同截面分成数段（2）计算各段的有效面积和平均长度Ai，Li（3）根据各段中的Φi计算各段对应的Bi（4）由Bi-Hi对铁磁材料查磁化曲线；对空气磁路，按线性对待，B=µ0H（5）计算出各段的磁压降HiLi，最后求F=HmLi=NI第一章磁路【例题】图示磁路由硅钢制成。磁通势F1=N1I1=F2=N2I2，线圈的绕向及各量的方向如图所示。磁路左右对称，具体尺寸为：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知3=0.002Wb，问两个线圈的磁通势各是多少？I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2解：由磁路基尔霍夫定律可得3－2－1=0Um1＋Um3=F1Um2＋Um3=F2已知：F1=F2，l1=l2可得：Um1=Um2第一章磁路即H1l1=H2l2H1=H2因此B1=B21=2由于1=2=320.0022=Wb=0.001Wb所以B1==T=1.25T1A10.0018×10－4I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2第一章磁路B3==T=1T3A30.00220×10－4由磁化曲线查得：H1=6.5A/mH3=3A/m最后求得F1=F2=Um1＋Um3=H1l1＋H3l3=(6.5×30＋3×10)A=225A第一章磁路练习题1-11-21-4第一章磁路本章结束！