电机学(I)课件第1章磁路_电机学

电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT姜卫东合肥工业大学电气与自动化工程学院博士、博士后主要研究方向：特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术南区教育部光伏系统工程研究中心203室[e-mail]0551－2901428－8033电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT绪论什么是电机？电机学中所说的电机，是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备，用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机在国民经济中的运用电机是完成多种能量形式转换的有效工具，而电能又是最容易实现传输、变换的能量形式，可以说，如果没有电机就没有现代工业，下面就电能的产生、传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT完整的发电、传输、用电系统电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电能的产生若电机用于将其它形式的能量转换为电能，则被称为发电机（Generator）,它主要实现以下三种能量的转换：水能转化为电能－水力发电机；化石能转化为电能－火力发电机；风能转化为电能－风力发电机。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT葛洲坝水利枢纽工程电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT三峡电站电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT三峡水力发电机组电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT三峡电站的水轮发电机－全球最大的水轮发电机电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT火力发电厂电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT火力发电机组电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT丹麦Vesta公司生产的风力发电机组电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电能的传输、变换电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能，为了减小传输线上的损耗，希望电压越高越好，而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中必须使用变压器。电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT大型电力变压器（保定天威生产）电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT配电变压器电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电路板上所使用的低压高频变压器电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电能的利用电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式，其中最为主要的就是将电能转换为机械能。要求在转换过程中（1）、转换效率高；（2）、可靠性高。往往在能量转换的同时也能对运动进行控制，这就引入了一个新的研究分支－电力传动。相对而言，电机这一概念往往是指电动机。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT哈尔滨电机厂生产的1MW电机电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT手机震动电机电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电动自行车所用的无刷直流电机电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT第一章磁路MagneticCircuit研究磁路的必要性：电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。两个简单的物理事实：1、变化的磁场会产生电场——由磁生电——机械能向电能转换；2、通电导体会在磁场中受力——电能向机械能的转换。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT一磁场的基本常用量磁感应强度（又称磁通密度）B——表征磁场强弱及方向的物理量。单位：Wb/m2磁通量Φ——垂直穿过某截面积的磁力线总和。单位：Wb磁场强度H——计算磁场时引用的物理量。B=μH，单位：A/m真实的物理量，反映了该点处的磁特性磁感应强度的积分值，描述了磁场的总体特性磁感应强度与该点磁导率的乘积，反映了建立该点磁场的源第一节磁路的基本定律电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUTB、H、Φ之间的关系产生磁场的电流建立磁势F各点处产生磁场强度H各点处产生磁场感应强度B对磁感应强度积分获得Φ↓↓↓↓→→B=μHSdSBΦ电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT•与电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路。•电流只能从导体中通过，但是磁通可以在任意介质中通过，磁通可以分为两部分。主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多（磁导率大），所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。二磁路电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT三磁路的基本定律1安培环路定律磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分，等于L所包围的电流的代数和LiHdl如果在均匀磁场中，沿着回线L磁场强度H处处相等，则NiHLNiLHLH2211在均匀分段均匀的磁场中，安培环路定律的表达式为电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT推导过程：以等截面无分支闭合铁心磁路为例：线圈N匝，电流i，铁心截面为A，磁路平均长度为l，磁导率为u2、磁路的欧姆定律磁通与磁密关系为ABBABdA/BH磁场强度与励磁磁势的关系为HlNiFmRAlF电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT3、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫电流定律（第一定律）03210或电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT磁路的基尔霍夫电流定律213ANi0:321规定磁通流出为正电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT（2）磁路的基尔霍夫电压定律mmmkkkRRRHlHlHlHNi2211221131电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT磁路和电路的几点差别：1（功率损耗问题）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2（磁路非理想）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总有一部分漏磁通。3（磁路的饱和性）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4（磁路的非线性）在线性电路中，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT磁畴及磁化(A)未磁化(B)磁化外加磁场H第二节常用铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT磁畴受磁场力而转动电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT未磁化时，铁磁材料的磁畴是无序排列的，对外不表现磁性。在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。（1）外磁场；（2）磁畴；（3）排列顺序电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分？思考电机中常用的铁磁材料的磁导率μFe＝(2000－6000)μFe从两个方面解释：（1）提高电机效率（2）减小电机体积电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f(H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUTBHabcd)(HfBHBuFeHuB0铁磁材料的起始磁化曲线由于外磁场较弱，磁畴不会产生大规模偏转，磁通密度增加不快。外磁场增强，磁畴产生大规模偏转，磁通密度增加较快。外磁场继续增加，大部分磁畴已完成偏转，B值增加变得缓慢。磁畴全部偏转，磁化曲线基本成为与非铁磁材料B＝uH平行的曲线。拐点、膝点在各种电机、变压器的主磁路中，为了获得较大的磁通，但又不过分的增大励磁电流，通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT2、磁滞回线下面考虑两个问题，（1）磁化后磁性材料去掉外磁场；（2）对磁化后的磁性材料进行反向磁化。剩磁——当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。当H=0时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。HBabmBmHrB电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUTHBabcHmBmHrBc矫顽力——要使B值为零，必须加上相应的反向磁场，此反向磁场强度称为矫顽力Hc。电机学ElectricmachineryDepartmentofElectricalEngineering,HFUT铁磁材料的磁滞回线HBabcdefcHmBmBmHmHrB磁滞回线——当H在Hm和－Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B－H闭合曲线，称为磁滞回线。电机学ElectricmachineryDepartm